Шпоры по электронике2

Основные требования:

1. Малое внутреннее сопротивление во включенном состоянии

2. Возможно большое в выключенном

3. Высокое быстродействие

4. Высокая стабильность пороговых уровней ключа

5. Высокая помехоустойчивость

Качество ключа определяется:

1. Падение напряжения на ключе в замкнутом состоянии

2. Ток через колюч в разомкнутом состоянии

3. Временем перехода из одного состояния в другое

Ключи бывают механические, электромеханические и электронные.

Диодные ключи

Контакты ключа замкнуты при I>0 и разомкнуты при U<0

Последовательные ключи Параллельные ключи

U_ВЫХ= U_ВХ [R/(R+R_Д)] U_ВЫХ= U_ВХ [R_Д/(R+R_Д)]

Ограничители:

U_ВХ<E_СМ –диод закрыт(U_ВЫХ=E_СМ)

U_ВХ>E_СМ –диод открыт(U_ВЫХ≈U_ВХ)

Если изменить полярность E_СМ то Если изменить полярность E_СМ то

график – штрих график – штрих

Транзисторный ключ

U_Б<U_П – транзистор всегда закрыт

Режимы работы транзисторного ключа:

РО:

Рабочая точка находится в точке А

U_ВХ<U₀ I_К=I_КБ0≈0 (I_КБ0 - обратный ток коллекторного перехода)

U_ВЫХ<Е_К

В кремниевых транзисторах U_П>U_Б (U_П>U₀+ I_КБ0R)

АР:

Транзистор открыт, но не насыщен (А<РТ<Б)

U_П<U_ВХ<U₁

I_K=BI_Б, B – интегральный коэффициент передачи

U_ВЫХ= U_КЭ=Е_К- I_КR_K

I_К0<I_К<I_{К НАС} U_П<U_Б

РН:

Рабочая точка находится в точке Б

U_ВХ=U₁ I_Б≥I_{Б НАС} I_{Б НАС}=I_{К НАС}/В

I_К=I_{К НАС}≈Е_K/R_K

I_Б≥I_{Б НАС}=I_{К НАС}/В= Е_K/(R_KВ)

Т.к. U_ВХ=U₁, то I_Б=(U₁- U_{Б НАС})/R≈ U₁/R => U₁/R≥ Е_K/(R_KВ_MIN)

Влияние нагрузки:

R_Н1 – незаземленная

Уменьшение сопротивления резистора R_K:

R_K1= R_KR_Н1/(R_K+R_KR_Н1)

R_{Н MIN} – минимальная нагрузка при которой транзистор в Р_Н

При S=1 I_{K1 НАС}=В_MINI_Б В_MINI_Б= I_{Б НАС}В_MIN(1+ /R_{Н MIN})

R_{Н MIN}=R_K/(S-1) - условие сохранения РН

R_Н2 – заземленная

Нагрузка не влияет на ток I_{K НАС}

Переходные процессы в ключе

Включение:

Заряд барьерной емкости изменяется за счет тока I_Б

t_З≈C_ЭU_БЗ/I_Б1

(U_БЗ - напряжение на C_Э)

t₃: заряд достигает Q_ГР

t_Ф=τ_ЭКВln(1/(1-1/S))

(τ_ЭКВ=τ_β+ВC_KR_K)- постоянная времени ключа для АР

S=I_Б1/I_{Б НАС}

[При I_Б1>> I_{Б НАС} длительность фронта t_Ф≈τ_ЭКВ/S]

Выключение:

Обр. ток базы

I_Б2=(U_{Б НАС}- U₀)/R

Время рассасывания

t_P=τ_βln[(|I_Б2|+I_Б1)/(|I_Б2|+I_{Б НАС})]

Время среза

t_С=τ_ЭКВln[(I_Б2+I_{Б НАС})/I_Б2)]

Схемы с повышенным быстродействием

С ускоряющей емкостью

I_Б1=I_C1=(U_ВХ-U_{Б НАС})/R_И≈U_ВХ/R_И (R_C-близко к КЗ)

I^’_Б1= (U_ВХ-U_{Б НАС})/(R_И+R)≈U_ВХ/R (R_C-близко к разрыву)

U_C= R(U_ВХ-U_{Б НАС})/(R_И+R)≈U_ВХ

Оптимальное значение емкости конденсатора зависит от постоянной времени его заряда, которая не должна превышать t_И/3.

Ненасыщенный ключ с нелинейной ООС

Сопротивление R_И выбирают таким, чтобы при открытом диоде ток базы транзистора был строго равен току I_{Б НАС}, т.е. I_{Б НАС}=I_ВХ-I_Д

Ключ на германиевых транзисторах p-n-p

Т.к. напряжение порога запирание весьма мало, то вводят источник базового смещения.

РО: (рис. б)

U_Б≥0 => R_И=0 => RE_Б/(R_Б+R)-I_КБ0RR_Б/(R+R_Б)≥0

Падение напряжение за счет тока I_КБ0 действует в противоположном направлении от E_Б и стремится открыть транзистор.

R_Б≤E_Б/I_{КБ0 MAX} (I_{КБ0 MAX} – обр.ток транзистора при макс.раб.темпер.)

РН: (рис. в)

I_Б1≥ I_{Б НАС} => I_Б1= I_ВХ-I_Б2=U_ВХ/R-E_Б/R_Б => I_{Б НАС}=E_K/R_KB.

Цепи связи между ключами

VT1 – О(З)

VT2 – З(О)

U_Б2≤U_ПОР (I_Б2≥I_{Б2 НАС})

Логические операции и элементы

Диодно-транзисторные элементы

Перепад выходного потенциала у диодных схем ниже чем входного. Этот недостаток компенсируется в данной схеме за счет включения активного эллемента. VD4 и VD5 обеспечивают надежное запирание транзистора.

При отрицательной логике данный элемент выполняет операцию ИЛИ-НЕ, а при положительной – И-НЕ.

Высокое быстродействие, большой коэффициент объединения по входу, большой нагрузочный коэффициент, Высокая помехозащищенность. Удобны для микроэлектронного исполнения.

Недостаток – большое количество диодов (транзисторов в диодном включении [большая площадь])

Транзисторно-транзисторные элементы

И-НЕ

Многоэмиттерный транзистор.

Если на всех входах «1» то все переходы Э-Б закрыты. А переход К-Б открыт большим +Е. На выходе у нас «0»

Схема со сложным инвертором (повышение быстр-вия)

Триггеры

Триггеры на дискретных компонентах

Перепад напряжения на выходе: U_m=|U_{К З}-U_{К НАС}|

Условия работоспособности:

Запирания U_{Б З}≤U_ПОР (U_{Б З}>>U_ПОР – p-n-p)одного транзистора и

Насыщения I_Б≥I_{Б НАС} другого.

Условие запирания: R_Б≤Е_БI_{КБ0 MAX}

Условие насыщения: R≤R_K[B_MIN/(1+B_MIN{E_Б/R_Б}{R_K/E_K})-1]

Переключение триггера:

Разрешающее время Т_MIN≈(S+6)τ_α (S – коэф. насыщения транзистора, τ_α – постоянная времени транзистора)

Максимальная частота переключения триггера F_MAX=f_α2π/(S+6)

(f_α – верхняя граничная частота транзистора)

Способы запуска: раздельный и общий (счетный).

Запуск производится запирающими импульсами («+»-p-n-p, «-»-n-p-n)

(триггер срабатывает от скачков напряжения на входе, а не от его уровня [динамический вход]).

Т-триггер

Если VT1 – насыщен, а VT2 – заперт, то VT1 – открыт, так как U_К1>U_Б1, а VT2 – заперт отрицательным напряжением на диоде.

Вентили VD1-R’ и VD2-R’’.

Несимметричный триггер (триггер с эмиттерной связью, триггер Шмитта)

Условия работоспособности:

Исходное состояние:

Условие насыщения транзистора VT2:

Условие отсечки VT1: U_ВХ<[R_КE_Э/(R_К2+R_Э)]-I_КБ0R_Г

Рабочий режим:

Условие запирания VT2: R_Б<U_Э2/I_{КБ0 MAX}

Условие насыщения VT1: U_ВХ-U_Э2/R_Г≥(E_К-U_Э2)/(R_К1B_1MIN)

Необходимым и достаточным условием существования триггерного режима является: R_Г≤ B_1MINR_Э[(R_К1- R_К2)/( R_К2+ R_Э)]

Формирователь прямоугольных импульсов.

Триггер Шмитта на операционном усилителе

Применяется ПОС с коэффициентом передачи напряжения β=U_ОС/U_ВЫХ≈R₂/(R_СВ+R₂) (R_СВ>>R₂)=>β<<1

U_A=U_ОП+β(U_ВЫХ-U_ОП) – «пороговое» напряжение

Чтобы выровнять положительные и отрицательные выходные напряжения, на выходе применен ограничитель, состоящий из двух диодов (VD2, VD3).

R₃>R_{Н MIN}

После переключения значение потенциала точки А изменяется с учетом нового значения U_ВЫХ.

Можно выключить опорное напряжение заземлив R₂.

Триггеры на тиристорах.

а) Схема триггера на одном диодном тиристоре.

R1C1-цепь запуска; R1<<R.

Условия работы(получения триггерного режима):

E<U_ВКЛ и (E-U_ВЫКЛ)/R>I_ВЫКЛ

Источник запускающих импульсов чередующейся полярности и большой мощности (входное сопротивление схемы низкое).

в)Схема на диодном тиристоре с раздельными входами.

При подаче запускающего отрицательного импульса на Вх2 диод VD смещается в обратном направлении, тем самым обеспечивая высокое входное сопротивление схемы во время запуска, при подаче отрицательного импульса на ВХ1 диодный тиристор VS запирается.

Недостатки: отсутствие инверсного выхода, трудности развязки входа и выхода, значительная длительность выключения.

г)схема на двух тиристорах

Запуск триггера осуществляется импульсам отрицательной полярности.

д) схема на двух тиристорах с общим входом

а) Триггер на тринисторах с раздельным запуском через импульсные трансформаторы.

б) Триггер, срабатывающий от разнополярных импульсов, поступающих на ВХ. Если подать синусоидальный сигнал, то триггер будет выполнять роль формирователя прямоугольных импульсов.

Триггер на логических элементах

Генераторы

Автоколебательный мультивибратор с коллекторно-базовыми св-ми.

Условия работоспособности:

Условия насыщения транзисторов:

VT2: В_{2 MIN}(1/R_Б2)≥1/R_К2+2/R_Б1

VT1: В_{1 MIN}(1/R_Б1)≥1/R_К1+2/R_Б2

Условия запирания:

VT1: U_Б1>U_ПОР≈0

VT2: U_Б2>U_ПОР≈0

Основные параметры мультивибратора.

Период автоколебаний:

T=t₁+t₂≈0.7C₁R_Б1+0.7C₂R_Б2 (в симметричном T≈1.4CR_Б)

Заряд конденсаторов происходит с постоянной времени примерно равной R_KC, для того чтобы напряжение на конденсаторе и коллекторе транзистора успели достигнуть установившегося значения, необходимо, чтобы

3R_K2C₁≤t₂≈0,7С₂R_Б2

откуда:

R_Б2≥4,3(С₁/С₂) R_K2, аналогично R_Б1≥4,3(С₂/С₁) R_K1

Скважность импульсов:

Q=T/t₂≈1+C₁R_Б1/C₂R_Б2 (Для симметричного мультивибратора Q=2)

Максимальная частота повторения импульсов:

F_MAX=1/T_MIN≈1,5f_α/(В_MIN-2)

Ждущий мультивибратор с коллекторно-базовыми связями.

Условия работоспособности:

I_Б2=E_К/R_Б2≥I_{Б2 НАС}=E_К/(B_2MIN* *R_К2) (тр-р VT2 в р-ме нас.)

Или R_Б1≤B_2MINR_K2

Для закрытия VT1 R_Б2≤E_Б/I_{KБ0 MAX}

t_И=0.7C₂R_Б2

Амплитуды импульсов на коллекторах:

U_M1=E_K-I_KБ0R_K1

U_M2=(E_K-I_KБ0R_K2)R/(R+R_K2)

Ждущий мультивибратор с эмиттерной связью.

U=E_K-E_KR_Э/(R_Э+R_K2)=

=E_KR _K2/(R_Э+R_K2)

t_ВОС=(3..5)С(R_K1+R_Э||R_Б||R_K2)≈ ≈(3..5)C(R_K1+R_Э)

т.к. R_Э<<R_Б и R_Э<<R_K2.

Мультивибраторы на интегральных схемах

Для предотвращения пробоя используют два диода.

Генераторы на логических элементах.

Одновибратор

t_И=RCln[U(1)/(E-U_ПОР)]

Мультивибратор

t_И=RCln[U(1)/(E-U_ПОР)]

f=1/2t_И

Генераторы на инвертирующем триггере Шмитта

Мультивибратор

t_И=RCln[1+(2R₁/R₂)]

T=2t_И при R₁=R₂ T=2.2RC

Одновибратор

t_И=RCln[1+R₁/R₂]

Время восстановления (готовность к приему следующего импульса)

t_B=RCln[(2R₁+R₂)/ (R₁+R₂)]

Применение:

Мультивибраторы – генераторы прямоугольных импульсов.

Ждущие мультивибраторы – расширение импульсов, задержка сигналов на заданное время, делители частоты следования импульсов.

Сумматоры полусумматоры:

Шифраторы, дешифраторы, преоб-ли кодов

Мультиплексоры и демультиплексоры

Компараторы (сравнивают)

Счетчики

Десятичный счетчик

Делители частоты следования

Одновибратор

Нечувствительность схемы к входным импульсам в состоянии квазиравновесия

t_И=RCln[U(1)/(E-U_ПОР)]

Регистры

Сдвиговые

ЦАП и АЦП

Временные селекторы импульсов