- •Предисловие
- •Глава 1. Основные сведения об электронных схемах
- •1.1. Единство электронных схем
- •1.2. Виды технической документации
- •1.3. Пассивные элементы рэа
- •1.4. Свободные электрические колебания в контуре
- •1.5. Вынужденные колебания в последовательном контуре
- •1.6. Вынужденные колебания в параллельном контуре
- •1.7. Связанные колебательные контуры
- •1.8. Электрические фильтры
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 2. Полупроводниковые диоды и транзисторы
- •2.1. Полупроводниковые диоды
- •2.2. Биполярные транзисторы
- •2.3. Тиристоры
- •2.4. Полевые транзисторы
- •2.5. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы
- •2.6. Интегральные активные и пассивные элементы
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 3. Электровакуумные приборы 3.1. Электронно-управляемые лампы
- •3.2. Электронно-лучевые трубки
- •3.3. Газоразрядные приборы
- •3.4. Фотоэлектрические приборы
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 4. Общие сведения об усилителях
- •4.1. Структурная схема электронных усилителей и их классификация
- •4.2. Основные технические показатели и характеристики усилителей
- •4.3. Виды обратных связей в усилителях
- •4.4. Влияние обратной связи на коэффициент усиления
- •4.5. Влияние обратной связи на входное сопротивление
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 5. Усилители переменного напряжения
- •5.1. Принцип усиления переменного напряжения
- •5.2. Усилительные каскады на полевых транзисторах
- •5.3. Усилительные каскады на биполярных транзисторах
- •5.4. Динамические характеристики
- •5.5. Динамические параметры
- •5.6. Эквивалентные схемы
- •5.7. Анализ частотных свойств усилителей напряжения
- •5.8. Широкополосные усилители
- •В вус на бт время установления определяется выражением
- •5.9. Коррекция ачх усилителей переменного напряжения
- •5.10. Повторители напряжения
- •5.12. Интегральные усилители переменного напряжения
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 6. Усилители мощности
- •6.1. Режимы работы усилительного каскада
- •6.2. Однотактные усилители мощности
- •6.3. Двухтактные усилители мощности
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 7. Усилители с гальваническими связями
- •7.1. Общие сведения
- •7.2. Простейшие угс прямого усиления
- •7.3. Балансные усилители
- •7.4. Дифференциальные усилители
- •7.5. Дифференциальные усилители с генераторами стабильного тока
- •В качестве диода vd в интегральных ду обычно используется транзистор в диодном включении.
- •7.6. Структура и основные параметры интегральных операционных усилителей
- •7.7. Схемотехника интегральных операционных усилителей
- •7.8. Применение интегральных операционных усилителей
- •7.9. Усилители постоянного и медленно меняющегося напряжения с преобразованием сигнала
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 8. Генераторы синусоидального напряжения
- •8.1. Условия самовозбуждения
- •8.4. Стабилизация частоты колебаний -автогенератора
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 9. Основные понятия импульсной техники
- •9.1. Виды и параметры импульсных сигналов
- •9.2. Спектральный состав импульсных сигналов
- •9.3. Формирование импульсов яс-цепями
- •9.4. Амплитудные ограничители
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 10. Логические функции и базовые логические элементы
- •10.1. Основные положения алгебры логики
- •10.2. Электронные ключи
- •10.3. Параметры логических элементов
- •10.4. Базовые логические элементы на биполярных структурах
- •10.5. Базовые логические элементы на мдп- и кмдп-структурах
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 11. Формирователи и генераторы электрических импульсов
- •11.1. Виды генераторов -электрических импульсов и их особенности
- •11.2. Мультивибраторы
- •11.3. Одновибраторы
- •11.4. Антидребезговые формирователи одиночных импульсов и перепадов напряжения
- •11.5. Генераторы линейно изменяющегося напряжения
- •11.6. Компараторы напряжений
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 12. Триггерные структуры
- •12.1. Общие сведения
- •12.2. Симметричный триггер на биполярных транзисторах V с коллекторно-базовыми связями
- •2.3. Структура и классификация интегральных триггеров
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 13. Цифровые и комбинационные электронные устройства
- •13.1. Двоичная система счисления
- •13.2. Регистры
- •13.3. Двоичные счетчики импульсов
- •13.4. Двоично-десятичные счетчики
- •13.5. Шифраторы и дешифраторы
- •13.6. Мультиплексоры и демультиплексоры
- •13.7. Устройства сдвига и сравнения кодов чисел
- •13.8. Сумматоры
- •13.9. Типы запоминающих устройств и их основные характеристики
- •13.10. Запоминающие элементы на биполярных структурах
- •13.11. Запоминающие элементы на мдп-структурах
- •13.12. Запоминающие устройства на функциональных приборах .
- •13.13. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 14. Микропроцессоры и микроэвм 1
- •4.1. Общие сведения о микропроцессорах
- •14.2. Структура микропроцессора
- •14.3. Система команд микропроцессора
- •14.4. Области использования микроэвм в народном хозяйстве
- •14.5. Программируемые калькуляторы как разновидность микроэвм
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 15. Источники стабилизированного напряжения
- •15.1. Структура источников стабилизированного напряжения
- •15.2. Однофазные неуправляемые выпрямители
- •2 . 15.3. Однофазныеуправляемые выпрямители
- •15.4. Сглаживающие фильтры
- •15.5. Электронные стабилизаторы постоянного напряжения
- •Контрольные вопросы и задания
10.2. Электронные ключи
Общие сведения. Электронный ключ — это устройство, которое может находиться в одном из двух устойчивых состояний: замкнутом или разомкнутом. Переход из одного состояния в другое в идеальном электронном ключе (рис. 10.1) происходит скачком под влиянием упрвляющего напряжения или тока.
Рис. 10.1. Схема идеального электронного ключа (а) и графики изменений тока (б) и выходного напряжения (в) при переходе ключа из состояния «Выключено» в состояние «Включено»
В реальных электронных ключах переход из открытого состояния в закрытое и наоборот происходит не мгновенно, а в течение некоторого времени. Это время определяется инерционностью активного нелинейного элемента и наличием в ключе паразитных емкостей и ин-дуктивностей. Кроме того, реальные ключи в разомкнутом состоянии имеют конечное сопротивление, вследствие чего у них в состоянии «Выключено» ток i ≠ 0 и напряжение uвых < Е. В замкнутом состоянии сопротивление ключа Ri отлично от нуля, поэтому в состоянии «Включено» i = E/(R + Ri) и uвых = iRi = ERi/(R + Ri).
Качество ключа тем выше, чем меньше значения тока в закрытом состоянии, напряжения на выходе в открытом состоянии и время переключения из одного состояния в другое.
Основу электронного ключа составляет нелинейный активный элемент (полупроводниковый диод, транзистор, тиристор и др.), работающий в ключевом режиме. По типу используемого нелинейного элемента электронные ключи делятся на диодные, транзисторные, тиристорные и т.д.
Диодные ключи. Простейшим типом электронных ключей являются диодные ключи. Их схемы аналогичны схемам диодных ограничителей. В последовательном диодном ключе (см. рнс. 9.11, а) при u1 < 0 диод смещен в обратном направлении и через нагрузку R протекает небольшой обратный ток Iобр, вследствие чего и2 = IобрR ≈ 0. При u1 > 0 диод открыт, его сопротивление мало и и2 ≈ u1 (рис. 10.2, а). Если поменять местами выводы подключения диода
Рис. 10.2. Графики изменений напряжений па входе ил и выходе и-2 последовательных диодных ограничителей «снизу» (а) и «сверху» (б)
(см. рнс. 9.12, а), то диод оказывается закрытым при и1 > 0, а при и1 < 0 он открыт и и2 ≈ u1 (рис. 10.2, б).
В параллельных диодных ключах (см. рис. 9.14 и рис. 9.15) и2 ≈ u1 при полярностях напряжения и1, соответствующих закрытому состоянию диода, и и2 ≈ 0 при полярностях напряжения и1, смещающих диод в прямом направлении.
В современной электронной технике наибольшее применение находят транзисторные ключи.
Ключи на биполярных транзисторах. Простейшая схема транзисторного ключа (рис. 10.3, а) подобна схеме транзисторного усилителя, однако она отличается режимом работы транзистора. При работе в ключевом режиме
Рис. 10.3. Схемы транзисторного ключа (а) и характеристики (б), иллюстрирующие изменения режима
при переходе ключа из закрытого состояния (точка А) в открытое (точка В)
рабочая точка транзистора может находиться только в двух положениях: в области отсечки (транзистор закрыт) и в области насыщения (транзистор открыт и насыщен). Такие ключи называют насыщенными транзисторными ключами. Иногда применяются ключи, в которых рабочая точка при открытом транзисторе находится в активной области (обычно вблизи области насыщения, но не достигает ее). Такие ключи называют ненасыщенными. Чаще применяются транзисторные насыщенные ключи, так как у них в состоянии «Включено» выходное напряжение имеет более низкий уровень и отличается большей стабильностью.
Для обеспечения режима отсечки на вход ключа необходимо подать отрицательное напряжение uвх = –Е1 (или положительное для р — п — р-транзистора). Через транзистор и резистор Rб, будут протекать обратные токи Iкбо и Iэбо. Учитывая, что Iэбо « Iкбо, можно считать, что через резистор Rб протекает лишь ток Iкбо. Напряжение IкбоRб является отпирающим для транзистора, так как плюсом подключается к базе. Чтобы транзистор оставался закрытым, необходимо выполнить условие
(10.1)
Для надежного запирания транзистора абсолютное значение отрицательного напряжения UБЭ должно быть не менее некоторого значения порогового напряжения UБЭ пор, и окончательное условие для обеспечения режима отсечки имеет вид
или для обсолютных значений
и (10.2)
Режим отсечки характеризуется точкой А на выходной нагрузочной характеристике (рис. 10.3, б). Выходное напряжение в режиме отсечки
Для перехода транзистора в режим насыщения на вход ключа необходимо подать такое положительное напряжение Е2, при котором в цепи базы создается ток
,
где IБ нас — ток базы на границе между активным режимом и режимом насыщения (точка В на рис. 10.3, б).
Ток коллектора в режиме насыщения
.
Так как UКЭ нас « Ек, то условием насыщения является
(10.3)
В режиме насыщения коллекторное напряжение UКЭ нас остается положительным по отношению к эмиттеру, но имеет очень малое значение (десятые доли вольта для германиевых транзисторов и 1 ...1,5 В для кремниевых). Поэтому напряжение на коллекторном ЭДП оказывается отрицательным:
и он включается в прямом направлении.
Таким образом, чтобы устройство, показанное на рис. 10.3, а, работало в ключевом режиме, на его вход необходимо подавать разнополярные напряжения Е1 и Е2, при которых выполняются условия (10.2) и (10.3).
Быстродействие электронного ключа зависит от времени включения и выключения.
Время включения определяется временем задержки, обусловленным инерционностью диффузионного движеният неосновных носителей заряда в базе БТ, и временем формирования фронта (временем установления) выходного напряжения. Время выключения складывается из времени рассасывания накопленных в базе неосновных носителей заряда и времени формирования среза выходного напряжения.
Увеличению быстродействия транзисторного ключа способствуют применение высокочастотных транзисторов, увеличение отпирающего и обратного токов базы, а также уменьшение тока базы в режиме насыщения.
Для увеличения отпирающего IБ1 и обратного IБ2 токов используются транзисторные ключи с форсирующим конденсатором Сб, который подключается параллельно части сопротивления базовой цепи транзистора (рис. 10.4, а). Поэтому при замыкании ключа в момент формирования фронта выходного напряжения ток базы будет протекать только через R'б и иметь значение I'Б = E2/ R'б, которое превышает его значение без форсирующего конденсатора, равного I''Б1 = E2 /( R'б + R''б).
За время формирования фронта конденсатор зарядится очень незначительно, и его зарядка будет продолжаться после окончания формирования фронта выходного импульса. При этом сопротивление конденсатора Сб будет увеличиваться, а ток базы — уменьшаться.
В момент выключения ключа ток базы I'Б2 будет определяться суммой напряжений E1 + UСб и сопротивлением R'б : I'Б2 = (E1 + UСб)/ R'б, что превышает его значение I''Б2 = E1 / R'б при отсутствии форсирующего конденсатора. Это приведет к уменьшению времени рассасывания накопленных в базе неосновных носителей заряда.
Для уменьшения тока базы в режиме насыщения применяют ненасыщенные ключи, в которых между базой и коллектором включают диод Шоттки (рис. 10.4, б). Диод Шоттки имеет напряжение отпирания на 0,1...0,2 В меньше, чем напряжение насыщения коллекторного перехода, поэтому он открывается до наступления режима насыщения, и часть тока базы через открытый диод проходит в коллекторную цепь транзистора, предотвращая тем самым накопление в базе заряда неосновных носителей. Ненасыщенные ключи с диодом Шоттки широко применяются в ИМС. Это связано с тем, что изготовление диодов Шоттки на основе транзисторной структуры с помощью интегральной технологии не требует никаких дополнительных операций и не приводит к увеличению площади кристалла, занимаемой элементами ключа.
Рис. 10.4. Схемы быстродействующих электронных ключей:
а — с форсирующим конденсатором; 6 — с диодом Шоттки
Ключи на МДП-транзисторах. В ключах на полевых транзисторах (рис. 10.5) отсутствует такой недостаток, как накопление и рассасывание неосновных носителей,-поэтому время переключения определяется зарядкой и перезарядкой междуэлектродных емкостей. Роль резистора Rс могут выполнять полевые транзисторы. Это значительно облегчает технологию производства интегральных ключей на полевых транзисторах.
Рис. 10.5. Схемы электронных ключей на ПТ с р — n - затвором (а) и МДП-типа (б)
В ключах на МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис. 10.6) роль резистора Rc выполняют транзисторы VT1, а роль активного элемента — транзисторы VT2. Транзисторы VT2 имеют канал р-типа, а транзисторы VT1 — канал р-типа (рис. 10.6, а) или n-типа (рис. 10.6, б). Их передаточные характеристики показаны на рис. 10.7, а и 10.7, б соответственно. Графики напряжений, поясняющие работу ключей, представлены на рис. 10.8.
При подаче на вход положительного напряжения Е1 транзисторы VT2, имеющие канал р-типа, закрываются.
Рис. 10.6. Схемы электронных ключей на МДП-транзисторах с индуцированными каналами одинакового (а) и противоположного (б) типов электропроводности
Рис. 10.7. Передаточные характеристики МДП-транзисторов с индуцированными
каналами различного типа электропроводности
Рис. 10.8. Графики изменений входного (а) и выходного (б)
напряжений электронных ключей на МДП-транзисторах
Транзистор VT1 первого ключа (рис. 10.6, а) открыт вследствие поданного на его затвор отрицательного напряжения смещения Есм. Транзистор VT1 второго ключа, имеющий канал п-типа (рис. 10.6, б), также оказывается открытым, так как его затвор соединен со входом, на котором действует положительное напряжение Е1 > >UЗИ пор. Сопротивления открытых транзисторов VT1 малы по сравнению с сопротивлениями закрытых транзисторов VT2, и uвых ≈ – Ес.
При поступлении на вход ключей отрицательного напряжения –Е2<–UЗИпор транзисторы VT2 открываются, а транзисторы VT1 закрываются. Почти все напряжение Ес падает на большом сопротивлении канала транзистора VT1, и uвых ≈ 0.