Работа 8. 1 : Методические материалы. Инвертор на биполярном транзисторе. Инвертор реализует функцию НЕ и является простейшим базовым логическим элементом. Свойства инвертора характеризует его передаточная характеристика , представляющая зависимость выходного напряжения от медленно изменяющегося напряжения на входе . Передаточная характеристика инвертора показана на рис.
Передаточная характеристика инвертора на рис. Область I соответствует логической единице на выходе, область III – логическому нулю. Область II является переходной. В этой области инвертор работает как усилитель. Рис. 8. 1. 1. Заметим, что высокий уровень напряжения на выходе инвертора не зависит от точного значения входного напряжения, пока последнее не превысит величину .
- Ключи инвертора должны быть управляемыми (включаются и выключаются. Существуют большое число вариантов построения схем инверторов.
- Для построения схемы инвертора напряжения воспользуемся принципом частоты из-за возрастания скорости переключения транзисторных ключей).
Таким образом, – это максимальное значение входного напряжения, соответствующее логическому нулю. Точно так же низкий уровень выходного напряжения не зависит от величины входного напряжения, если оно остается больше величины . Следовательно, – это минимальное значение входного напряжения, соответствующее логической единице. Пример. Построить передаточную характеристику инвертора на биполярном транзисторе (рис.
Мостовая схема инвертора напряжения. В плече моста инвертора напряжения достаточно управлять одним ключом для осуществления . Для построения схемы инвертора напряжения воспользуемся принципом. Мостовая схема инвертора напряжения. В плече моста инвертора напряжения достаточно управлять одним ключом для осуществления.
Рассмотрим два режима работы транзистора: насыщения и отсечки. Транзистор находится в режиме отсечки, если . При этом и напряжение на выходе . Транзистор находится в состоянии насыщения, если эмиттерный и коллекторный переходы смещены в прямом направлении.
Транзисторный электронный ключ для инверторов напряжения выполнен по двухтактной схеме с активно-индуктивной нагрузкой. Ключ В должен быть подсоединён к схеме в точке А и Е, чтобы точку соединения. Этот эксперимент демонстрирует работу транзистора в качестве инвертора - устройства. ПРОСТОЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ ПРИЁМНИК. ТК делаем не звуковой предусилитель а КЛЮЧ ИНВЕРТОР Эту схему в топку. Отрицательное напрежение через делитель напрежения выведет из строя фототранзистор.
Ток коллектора. Ток базы. Рис. 8. 1. 2. Напряжение логической единицы на входе. Итак, , , , . Передаточная характеристика инвертора показана на рис. Инвертор на биполярном транзисторе. Простейший инвертор на биполярном транзисторе показан на рис. Резистор является внутренней нагрузкой ключа, а резистор – его внешней нагрузкой. При ключ работает в режиме холостого хода.
Предельной нагрузкой, при которой ключ еще должен сохранять свои параметры, считают величину . Схема, показанная на рис. Рассмотрим статический (по постоянному току) и динамический режимы работы ключа. Статический режим. В статическом режиме ключ может быть закрыт (транзистор находится в режиме отсечки) либо открыт (транзистор находится в режиме насыщения). Ключ закрыт, когда напряжение на входе меньше напряжения логического нуля .
Для кремниевого транзистора оно составляет 0. В. Если входное напряжение равно нулю, транзистор находится в состоянии отсечки. Сопротивление закрытого ключа составляет сотни к. Ом. Если на входе действует импульс напряжения такой величины, чтобы транзистор находился в режиме насыщения, то ток базы. В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении и ток коллектора возрастает до наибольшего значения. Напряжение в режиме насыщения составляет 0.
В, а выходное сопротивление – несколько десятков ом. Для насыщения транзистора необходимо, чтобы ток базы стал больше минимального значения, при котором начинается насыщение транзистора: . Глубину насыщения транзистора характеризуют коэффициентом (степенью) насыщения, который определяет, во сколько раз реальный ток базы превосходит минимальное значение, при котором имеет место режим насыщения. Величину коэффициента насыщения выбирают от 1.
Транзистор должен входить в режим насыщения, когда входное напряжение превышает напряжение логической единицы . Для ключей на биполярных транзисторах .
Основной статической характеристикой транзисторного ключа служит передаточная характеристика – зависимость его выходного напряжения от входного. Пример расчета инвертора на БТ.
Значения элементов: , , , . Коэффициент насыщения . Решение. Ток коллектора. Минимальный ток базы, при котором транзистор переходит в насыщение. Сопротивление резистора в цепи базы, обеспечивающее коэффициент насыщения . Динамический режим работы ключа.
Переходные процессы в ключах на биполярных транзисторах определяются следующими причинами. Наличием емкостей эмиттерного и коллекторного переходов. При переключениях происходит заряд и разряд этих емкостей.
Накоплением и рассасыванием неосновных носителей в базе при переходе транзистора в режимы насыщения и отсечки. На интервале времени ключ закрыт. Процесс открывания ключа можно разделить на три этапа: задержка фронта, формирование фронта и накопление избыточного заряда в базе. Задержка фронта обусловлена зарядом барьерной емкости эмиттерного перехода. С момента начала отпирания транзистора начинается формирование фронта выходного импульса (интервал на рис. Когда ток коллектора достигает уровня , напряжение на коллекторе уменьшается до величины .
Ток базы достигает величины и продолжает увеличиваться, а в базе происходит накопление неосновных носителей. Рис. 8. 1. 5. Общее время включения складывается из времени задержки и длительности фронта. После окончания действия входного импульса начинается рассасывание избыточного заряда в базе. За счет этого коллекторный ток не меняется в течение времени . Затем начинается спад коллекторного тока.
Одновременно растет напряжение коллектора. Общая длительность выключения . Здесь – время спада коллекторного тока. Для уменьшения задержки, связанной с перезарядкой емкостей биполярного транзистора, сопротивление резисторов выбирают небольшим (порядка нескольких килоом). Однако основным фактором, ограничивающим быстродействие ключа на рис.
Время рассасывания существенно превышает остальные временные интервалы. Поэтому для увеличения быстродействия ключа используют различные способы предотвращения глубокого насыщения транзистора. Для исключения глубокого насыщения транзистора коллекторный переход шунтируют диодом Шоттки (рис. В) и малое сопротивление в открытом состоянии. Когда транзистор открыт и находится в активном режиме, напряжение коллектор- база положительно (), и к диоду приложено обратное напряжение. С ростом коллекторного тока напряжение на коллекторном переходе уменьшается и диод открывается.
Следует заметить, что выходное напряжение такого ключа в открытом состоянии больше, чем напряжение насыщенного ключа. Рис. 8. 1. 6. Изготавливаются диоды Шоттки на общем кристалле одновременно с остальными элементами в едином технологическом процессе.
Транзисторы с диодами Шоттки часто называют транзисторами с барьером Шоттки или транзисторами Шоттки. Рекомендуемая литература. Гусев, В. Электроника и микропроцессорная техника: учеб. Основы микроэлектроники: учеб.