Реферат: Работа № ключевой режим работы транзистора

Работа № 3. ключевой РЕжим РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА
Цель работы - исследовать статические режимы и переходные процессы в схеме простого транзисторного ключа. Продолжительность работы - 3,5 часа.

Теоретическая часть

Транзисторные ключи (ТК) являются основой логических элементов ЭВМ. Дня отображения двоичных символов используются статические состояния ТК, в которых транзистор работает в режимах отсечки или насыщения. Во время переходных процессов при переключении из одного статического состояния в другое транзистор работает в нормальном и инверсном активных режимах.

О
сновными параметрами статических состояний ТК являются напряжение насыщения Uкэн и обратный ток Jко. Режим отсечки ТК (рис. 12) характеризуется низким уровнем напряжения

Uвых=-Ек+IкоRк-Ек. В режиме насыщения через ТК протекает ток

Uвых=Uкэ0.

О
Рис. 12. Принципиальная схема транзисторного ключа

сновными параметрами переходных процессов являются: при включении ТК tз - время задержки и tф - длительность фронта, а при выключении tрас - время рассасывания накопленного в базе заряда и tc - длительность среза.

На рис. 13 представлены временные диаграммы, иллюстрирующие переходные процессы в ТK. Время задержки , где вх=RбСвх; Uб0- начальное напряжение на Свх. Длительность фронта определяется по формуле



Рис. 13. Временные диаграммы работы транзисторного ключа

Для удобства измерения фронта его часто определяют как время нарастания тока от уровня 0.1Iкн до уровня 0.9Jкн ; . В этих формулах (fв- верхняя граничная частота каскада ОЭ), а - коэффициент насыщения. Ток базы, соответствующий границе насыщения,

Время рассасывания заряда в базе , где u - время жизни неосновных носителей в базе в режиме насыщения.

Время рассасывания характеризуется интервалом времени от момента подачи запирающего входного напряжения +Еб2 до момента, когда заряд в базе уменьшается до граничного значения Qгр=Iбнu,при котором транзистор переходит из насыщенного состояния в активный режим. Если коллекторный переход запирается раньше эмиттерного (tкэ) то транзистор переходит в нормальный активный режим, если наоборот (tэu < tкu ), то в инверсный активный режим. В последнем случае на графике Ik и Uк появляется характерный выброс (рис. 13, штриховые линии).

Заканчивается переходный процесс при выключении транзистора срезом выходного напряжения (задним фронтом). Длительность tc можно оценить, считая, что процесс формирования заднего фронта заканчивается при Q0. Тогда .

Однако в реальных схемах большая часть среза выходного напряжения происходит, когда транзистор находится в режима отсечки. Поэтому длительность среза определяется постоянной времени к=RкСк или к=Rк(Ск+Сн) с учетом емкости нагрузки Сн. Конденсатор С в схеме ТК (рис. 12. пунктир) является форсирующим. Он позволяет увеличить токи базы Iб1 и Iб2 нa короткий промежуток времени, в то время как стационарные токи базы практически не меняются, это приводит к повышению быстродействия ТК. Другим способом увеличения быстродействия ТК является введение нелинейной обратной связи. Диод с малым временем восстановления (диод Шоттки), включенный между коллектором и базой, предотвращает глубокое насыщение ТК, фиксируя потенциал коллектора относительно потенциала базы. Такие ТК называют ненасыщенными.

^ Описание макета

Макет, схема которого показана на рис. 14, позволяет исследовать статические состояния ключа и переходные процессы в нем. В первом случае с помощью переключателя BI возможна подача в цепь базы низкого уровня напряжения от источника G1 с сопротивлением в его -цепи R1. Для измерения постоянных токов и напряжений в цепях ключа используется прибор, установленный на панели лабораторного стенда о пределами измерения тока J1=20 мА, J2=200 мкА, U1=20В, U2=0,2 В.



Рис. 14. Схема макета лабораторной работы и 3

При исследовании переходных процессов на вход схемы подаются импульсы отрицательной полярности амплитудой не более 15 В от генератора прямоугольных импульсов. В схеме макета предусмотрена возможность установки в коллекторной и базовой цепях транзистора различных деталей (резисторов и конденсаторов) с целью исследования влияния их параметров на свойства исследуемого ключа. Так, возможна смена резисторов в коллекторной цепи (переключатель В4),подключение к схеме ускоряющего конденсатора С2 (переключательВ2), подключение к выходу ключа нагрузочного конденсатора СЗ (переключатель ВЗ). В схеме установлен маломощный низкочастотный транзистор МП42А ( fa = I...3 мГц, Вст = 30...60, Ск= 30 пф, Ркмакс=200мвт). Резисторы и конденсаторы имеют следующие номиналы:

R1=75 кОм,

R6=5,1 кОм

R2=3 кОм

R7=10 кОм

R3=,130 Ом.

R8=75 кОм

R4=910 Ом,

C1=10,0 мкф

R5=30 кОм

C2=1000 пФ




C3=470 пф.

Напряжение источника G1 следует установить равным 10 В.

Задание

1. Измерить статический коэффициент усиления по току транзистора, установленного в ключе.

2. Исследовать статические состояния ТК при различных Rк. Определить величину сопротивления Rк, соответствующую границе насыщения.

3. Исследовать характеристики ТК в динамическом режиме. Выявить зависимости основных параметров переходных процессов tф,tрас,tc от амплитуда входного напряжения. Построить соответствующие графики. Для одного из значений входного напряжения рассчитать- tф,tрас,tc по приведенным формулам. Оценить расхождение расчетных величин и измеренных.

4. Исследовать влияние форсирующего конденсатора на основные параметры переходных процессов.

5. Определить, на какие параметры ТК оказывает влияние конденсатор нагрузочной цепи.

6. Определить, при каких параметрах коммутируемых элементов схемы ТК макета возникает инверсное запирание.

Контрольные вопросы

1. Каково назначение ключевой схемы?

2. Какими основными параметрами характеризуется ключ?

3. Как зависят параметры переходных процессов от глубины насыщения?

4. Что такое инверсное запирание ТК?

5. В чем смысл введения форсирующего конденсатора?

6. Как влияет емкость нагрузки на длительность переходных процессов?

7. Как влияет амплитуда входного сигнала на параметры ТК?

8. Поясните процессы в ТК по временной диаграмме.

Литература

Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - U.: Высшая школа,1982. - 495 с., ил.


Вопросы по ключам.

1 .Чтотакое глубина насыщения транзисторного ключа и на какие его свойства и как она оказывает влияние?

Режим насыщения имеет место при прямом смещении обоих р-п переходов транзистора. При этом падение напряжения на переходах, как правило на превышает нескольких милливольт. На коллекторных характеристиках транзистора область насыщения характеризуется линией насыщения ОН (см. рисунок). Каждой точке этой линии соответствует некоторое значение напряжения Ukэ = Uk нас и тока Iк =' Iк нас. Ток Iк нас называется коллекторным током насыщения. Rнас = Uk нас / 1к нас . где Rmc - сопротивление насыщенного транзистора. Каждой точке линии насыщения соответствует некоторое граничное значение тока базы Iб нас, при котором транзистор входит в насыщение. При насыщении нарушаются соотношения, характеризующие связь между током базы и коллектора в активном режиме. Критерием насыщения является нарушение этого соотношения 1б > 1б нас. Для количественной оценки глубины насыщения вводят параметр -степень насыщения. Степень насыщения определяется как относительное превышение базовым током того значения 1б нас, которое характерно для границы насыщения: N = (1б -1б нас)/1б нас Иногда оценку глубины насыщения производят с помощью коэффициента насыщения, который показывает, во

сколько раз ток, протекавший в цепи базы, больше базового тока, при котором транзистор входит в насыщение. S ? 1б /1б нас При насыщении сопротивление транзистора минимально и практически не зависит от значений 16 и Rk. Оно и является выходным сопротивлением ТК в стационарном замкнутом состоянии. Начиная со значений степени насыщения N = 3 .. 5 и выше межэлектродные напряжения транзистора мало зависят от тока базы. Поэтому более высокую степень насыщения применять нецелесообразно. Весьма существенным достоинством режима насыщения является практическая независимость тока коллектора от температуры окружающей среды.

^ 2.Как уменьшить задержку включения ключа?

Важнейшим показателем работы электронных ключей является их быстродействие, которое оценивается скоростью протекания переходных процессов при переключении. Мгновенное переключение транзисторного ключа невозможно из-за инерционных свойств транзисторов, а также паразитных реактивных элементов схемы и проводников. Следовательно для уменьшения задержки включения ключа необходимо использовать транзисторы с минимальной инерционностью и максимально уменьшить паразитные емкости. Кроме того задержка включения транзистора будет тем меньше, чем больше Nmc.

^ 3. Каким образом можно предотвратить глубокое насыщение транзистора в ключе и какова цена достижения этого результата?

Транзистор может переходить из области насыщения в область отсечки миную активную область. Это может происходить, если рассасывание избыточных носителей заряда, накопленных у эмиттерного и коллекторного переходов происходит одновременно. Следовательно, при увеличении импульса тока базы, открывающего транзистор, уменьшится длительность положительного фронта и транзистор попадет в область глубокого насыщения. Это приводит к увеличению времени обратного переключения. Следовательно ток в момент включения необходимо увеличить, так как это приведет к более быстрому рассасыванию заряда. Но увеличенный ток может привести к инверсному рассасыванию, что нежелательно. Для получения необходимого эффекта в схему добавляют форсирующий конденсатор (на рисунке Сускор). Он позволяет увеличить ток базы на короткий промежуток времени, что приводит к увеличению быстродействия ключа. Кроме того существует альтернативный метод для предотвращения глубокого насыщения транзистора. Для этого используют диод Шотки, имеющий малое время восстановления. Транзисторы с такими диодами называют ненасыщенными. Использование форсирующего конденсатора имеет свои отрицательные стороны. Во время динамической отсечки ток базы падает до нуля и конденсатор не успевает разрядиться. И после запирания транзистора на базе окажется дополнительное смещение. Также очередной отпирающий импульс может поступить раньше, чем уменьшится до нуля напряжение смещения. Следовательно длительность положительного фронта увеличивается.

^ 4. Что такое инверсное запирание ключа и в каких случаях оно возникает?

Если рассасывание заряда сначала завершается у эмиттерного перехода, то происходит инверсное запирание ключа, т.е. эмиттерный переход запирается раньше коллекторного. Это сопровождается всплеск тока коллектора. Эмиттерный переход смещается в обратном направлении раньше коллекторного. Таким образом транзистор оказывается в инверсной активной области. Ток эмиттера уменьшается, но это не вызывает изменение тока базы. Увеличивается ток коллектора, что способствует более быстрому рассасыванию избыточных носителей заряда, накопленных у коллекторного перехода. После рассасывания зарядов коллекторного перехода транзистор оказывается в области динамической отсечки. Следовательно, в отличие от нормального запирания, при инверсном запирании транзистор при переходе из области насыщения в область отсечки проходит не через нормальную активную область, а через инверсную активную область.

^ 5. Зачем резистор в цепи базы транзисторного ключа шунтируется конденсатором? Какой емкостью он должен обладать?

Транзистор может переходить из области насыщения в область отсечки миную активную область. Это может происхёдить^ если рассасывание избыточных носителей заряда, накопленных у эмиттерного и коллекторного переходов происходит одновременно. Следовательно, при увеличении импульса тока базы, открывающего транзистор, уменьшится длительность положительного фронта и транзистор попадет в область глубокого насыщения: Это приводит к-увеличению времени обратного переключения. Следовательно ток в момент

включения необходимо увеличить, так как это приведет к более быстрому рассасыванию заряда. Но увеличенный ток может привести к инверсному рассасыванию, что нежелательно. Для получения необходимого эффекта в схему добавляют форсирующий конденсатор (на рисунке Сускор). Он позволяет увеличить ток базы на короткий промежуток времени, что приводит к увеличению быстродействия ключа.

^ 6. На ключ подавались управляющие сигналы, длительностью О,1 tauн и 10 tauн. Какими параметрами выходные импульсы будут различаться и почему?

?н - время жизни неосновных носителей заряда. Заряд базы меняется по следующему закону: Q(t) = ГБ1 ?н (1-е-t/?H). Следовательно с увеличением ?н будет увеличиваться начальный заряд базы. Но с увеличением ?н происходит более медленное рассасывание заряда в базе. Длительность фронта выходного сигнала прямо пропорционально ?н и следовательно выходной импульс от сигнала с большим ?н будет обладать большей длительностью фронта, чем сигнал с меньшим ?н.

^ 7. Чем определяется скорость выхода из насыщения транзистора в простейшем биполярном ключе?

При увеличении импульса тока базы, открывающего транзистор, уменьшается длительность положительного фронта и транзистор попадает в область глубокого насыщения. Что приводит к увеличению времени обратного переключения. Ток в момент выключения желательно увеличивать, так как это способствуют более быстрому рассасыванию заряда и следовательно увеличивается скорость выхода из насыщения транзистора. Однако этот ток приводит к инверсному рассасыванию, что нежелательно из-за выбросов тока коллектора. Удовлетворить эти противоречивые требования удается путем введения в цепь управления форсирующего конденсатора.

^ 8. Каким образом в ключе на биполярном транзисторе можно уменьшить длительность фронта выходного сигнала?

Для уменьшения длительности фронта выходного сигнала нужно уменьшать время жизни неосновных носителей заряда ?н. Кроме того с ростом управляющего тока длительность фронта существенно уменьшается. Также длительность фронта уменьшается при увеличении степени насыщения транзистора.

^ 9. Каким образом в ключе на биполярном транзисторе можно управлять длительностью среза выходного сигнала?

Большая часть среза приходится на то время, когда транзистор находится в режиме отсечки. Следовательно для уменьшения длительности среза нужно использовать более высокочастотный транзистор и уменьшать постоянную времени ? = RkCk, от которой в большей степени зависит ?среза. Кроме того длительность среза уменьшится при увеличении запирающего сигнала. Следовательно длительностью среза выходного сигнала можно управлять посредством изменения уровня запирающего сигнала.

^ 10. Каким образом в ключе можно уменьшить задержку выключения?

Время задержки выключения уменьшится, если уменьшится время рассасывания заряда. В свою очередь рассасывания заряда ускорится, если транзистор не вводить в состояние глубокого насыщения. Для этого используют ненасыщенные транзисторы. Использованные в этих транзисторах диоды Шотки позволяют значительно уменьшить задержку выключения, так как имеют малое время восстановления.

^ 11. Каковы достоинства и недостатки ТТЛ-ключа со сложным инвертором?

К недостаткам ТТЛ-ключа с простым инверторам относится: - низкая помехоустойчивость - малая нагрузочная способность - малое быстродействие при работе на емкостную нагрузку. Улучшенными параметрами по сравнению с предыдущей схемой обладает ТТЛ-ключ со сложным инвертором. Его помехоустойчивость по логическому нулю выше, чем у схемы с простым инвертором, а по логической единице ниже. В ТТЛ- схеме со сложным инвертором постоянная времени заряда нагрузочной емкости существенно уменьшается. За счет этого ТТЛ-схема со сложным инвертором имеет большее быстродействие по сравнению с простым инвертором. К недостаткам ТТЛ-схемы со сложным инвертором относится сильная генерация токовых помех по цепи питания, обусловленная броском тока через сложный инвертор при переключении схемы из состояния логического нуля в единицу.

^ 12. Чем определяются уровни выходного напряжения для ТТЛ-ключа со сложным инвертором?

Логическая схема состоящая из ТТЛ-ключа реализует схему И-ИЛИ-НЕ. На выходе системы устанавливается логический ноль, если на всех входах поступают сигналы, соответствующие логической единицы. При всех остальных комбинациях сигналов на входах схемы выходное напряжение соответствует логической единице.

^ 13. Какие требования предъявляются к МЭТ в ТТЛ-ключах и как они обеспечиваются?

Многоэмиттерный транзистор специально разработан для микроминиатюрных логических устройств и не имеет дискретного аналога. Количество эмиттеров у многоэмиттерного транзистора должно соответствовать количеству входов у данной схемы. На рисунке показана структура многоэмиттерного транзистора. У многоэмиттерного транзистора каждая пара смежных эмиттеров вместе с разделяющим их р-слоем базы образует горизонтальный транзистор типа п+ - р - п+. Если на одном из эмиттеров действует прямое напряжение, а на другом обратное, то первый будет инжектировать электроны, а второй будет собирать те из них, которые инжектированы через боковую поверхность эмиттера и прошли без рекомбинации расстояние между эмиттерами. Такой транзисторный эффект называется паразитным. Чтобы избежать этого эффекта расстояние между эмиттерами должно превышать диффузионную длину носителей в базовом слое. Кроме того необходимо, чтобы МЭТ имел как можно меньший инверсный коэффициент передачи тока. В противном случае возможен паразитный эффект подобный предыдущему.

^ 14. Чем определяется нагрузочная способность ТТЛ-ключа в состоянии «0»?

Нагрузочная способность ТТЛ-ключа характеризует его способность получать сигнал от нескольких источников информации и одновременно быть источником информации для ряда других элементов. Для численной характеристики нагрузочной способности используют коэффициент разветвления по выходу Краз. Этот параметр определяет число единичных нагрузок - аналогичных ключей, которые можно одновременно подключить к выходу ключа. Нагрузочная способность ТТЛ-ключа в состоянии "О" характеризуется параметром КОраз = 1Овых / 10вх , где 1Овых - выходной ток логического нуля , 10вх - входной ток логического нуля.

^ 15. Какова нагрузочная способность ТТЛ-ключа в состоянии «1»?

Нагрузочная способность ТТЛ-ключа в состоянии "1" характеризуется параметром К1раз = 11вых / 11вх , где 11вых - выходной ток логической единицы, 11вх - входной ток логической единицы.

^ 16. Есть ли в ТТЛ-ключе обратные связи? Если есть, то какие и где?

17. Зачем в эмиттерной цепи фазоинвертора ТТЛ-ключа установлен дополнительный транзистор? Как он
влияет на свойства ключа?

Дополнительным транзистором в эмиттерной цепи фазоинвертора ТТЛ-ключа является транзистор VT3. Этот транзистор вместе с двумя резисторами R3 и R4 является нелинейной цепью коррекции. Она позволяет увеличить быстродействие данной схемы и приблизить ее АПХ (амплитудо передаточная характеристика) к прямоугольной. Последнее улучшает формирующие свойства схемы. Принцип действия данной схемы основан на зависимости ее сопротивления от состояния транзистора VT5, в основном определяется сопротивлением резистора R3 которое велико. Поэтому на начальном этапе формирования на выходе схемы напряжения логического нуля весь эмиттерный ток транзистора VT2 втекает в базу транзистора VT5, что форсирует его включение. После включения VT5 насыщается и VT3, шунтируя эмиттерный переход транзистора VT5 низкоомном сопротивлением резистора R4. Это, во-первых, уменьшает степень насыщения транзистора VT5 и, во- вторых, при последующем выключении увеличивает ток, удаляющей из базовой области этого транзистора избыточный заряд неосновных носителей. Оба эти фактора способствуют снижению времени рассасывания заряда, что повышает быстродействие схемы.

^ 18. Какую роль играет резистор в коллекторной цепи верхнего плеча выходного каскада ТТЛ-ключа? Как
выбрать его сопротивление?

В момент переключения схемы в ее выходной цепи протекает так называемый "сквозной ток", обусловленный тем, что в течении интервала рассасывания запираемого транзистора оба транзистора выходного двухтактного усилителя ( выходной двухтактный усилитель представлен в этой схеме транзисторами VT4 , VT5 , резистором R5 и диодом VDn) оказывается насыщенным. Это приводит к тому, что ток потребления схемы имеет явно выраженный импульсный характер. Поэтому с увеличением частоты переключения среднее значение тока, потребляемое схемой растет. Растет и ее суммарная потребляемая мощность. Кроме того, протекание импульсов тока за счет действия индуктивности соединительных проводов может привести к появлению ложных срабатываний соседних элементов. Для ограничения величены "сквозного тока" в коллекторную цепь VT4 включен резистор R5. Однако чрезмерное увеличение сопротивления этого резистора, во- первых, увеличивает мощность, рассеиваемую в схеме, и, во-вторых, уменьшает ее нагрузочную способность.

Что влияет на помехозащищенность ТТЛ-ключа и каким образом ее можно увеличить?
Помехозащищенность ключа рассчитывают минимальную из двух величин: положительной и отрицательной
статических помех, ?U+п = U0вх пор - UObx и ?U-n = U1вх - U1вх пор. Статическая помехоустойчивость это
максимально допустимое отклонение напряжения, при котором еще не происходит изменения уровней
выходного напряжения. Следовательно для увеличения помехозащищенности ключа необходимо увеличивать
?U+n и ?U-n, которые в свою очередь могут быть увеличены если будут увеличено пороговое напряжение
логического нуля и уменьшено пороговое напряжение логической единицы. Кроме того существует еще одна
особенность в работе с ТТЛ-ключами. Если вход схемы остается неподключенным к источнику сигнала, то
можно считать, что на него подан сигнал "1". Однако на практике неиспользуемые входы рекомендуется не
оставлять свободными, а через дополнительный резистор Rдoп подключать в выводу +Ш. В противном случае,
так как в состоянии "1" по входу схема обладает большим входным сопротивлением, резко увеличивается
вероятность воздействия на нее помех, что снижает надежность работы ключа.

Почему ТТЛ-ключи являются источниками помех и как с такими помехами бороться?

В момент переключения схемы в ее выходной цепи протекает так называемый "сквозной ток", обусловленный тем, что в течении интервала рассасывания запираемого транзистора оба транзистора выходного двухтактного усилителя ( выходной двухтактный усилитель представлен в этой схеме транзисторами VT4 , VT5 , резистором R5 и диодом VDn) оказывается насыщенным. Это приводит к тому, что ток потребления схемы имеет явно выраженный импульсный характер. Поэтому с увеличением частоты переключения среднее значение тока, потребляемое схемой растет. Растет и ее суммарная потребляемая мощность. Кроме того, протекание импульсов тока за счет действия индуктивности соединительных проводов может привести к появлению ложных срабатываний соседних элементов. Для ограничения величены "сквозного тока" в коллекторную цепь VT4 включен резистор R5. Однако чрезмерное увеличение сопротивления этого резистора, во- первых, увеличивает мощность, рассеиваемую в схеме, и, во-вторых, уменьшает ее нагрузочную способность. Для исключения действия помех шины питания должны выполняться с малой собственной индуктивностью и по всей длине шунтироваться дополнительными конденсаторами Сдоп с малой паразитной индуктивностью. Использование такого технического решения позволяет свести к минимуму действие на устройство внутренних помех.

^ 21. От чего зависит нагрузочная способность ТТЛ-ключа и как ею управлять?

Нагрузочная способность ТТЛ-ключа характеризует его способность получать сигнал от нескольких источников информации и одновременно быть источником информации для ряда других элементов. Для численной характеристики нагрузочной способности используют коэффициент разветвления по выходу Краз. Этот параметр определяет число единичных нагрузок - аналогичных ключей, которые можно одновременно подключить к выходу ключа. Краз - меньший из двух коэффициентов КОраз и К1раз. Нагрузочная способность ТТЛ-ключа в состоянии "О" характеризуется параметром КОраз = ГОвых / ГОвх , где Ювых - выходной ток логического нуля , ГОвх - входной ток логического нуля. Нагрузочная способность ТТЛ-ключа в состоянии "1" характеризуется параметром К1раз = Пвых / Пвх , где Пвых - выходной ток логической единицы , Пвх -входной ток логической единицы. Следовательно управлять нагрузочной способностью ТТЛ-ключа можно меняя значения коэффициентов разветвления по "О" и "]", которые в свою очередь можно менять изменяя входные и выходные токи логических сигналов, которые зависят от напряжений логических сигналов.

^ 22. Что добавлено в ТТЛ-ключе со сложным инвертором для устранения скола на передаточной характеристике при смене уровня выходного сигнала с высокого на низкий?

Для устранения скола на передаточной характеристике ТТЛ-ключа в него добавлен резистор R5. В момент переключения схемы с высокого уровня на низкий в ее выходной цепи протекает так называемый "сквозной ток", обусловленный тем, что в течении интервала рассасывания запираемого транзистора оба транзистора выходного двухтактного усилителя ( выходной двухтактный усилитель представлен в этой схеме транзисторами VT4 , VT5 , резистором R5 и диодом VDn) оказывается насыщенным. Это приводит к тому, что ток потребления схемы имеет явно выраженный импульсный характер. Поэтому с увеличением частоты переключения среднее значение тока, потребляемое схемой растет. Для ограничения величены "сквозного тока" в коллекторную цепь VT4 и включен резистор R5.

23. Каким образом достигнуто поочередное отпирание выходных транзисторов у ТТЛ-ключа со сложным инвертором?

На рисунке приведена схема ТТЛ-ключа со сложным инвертором. Транзистор ТЗ выполняет функции эмиттерного повторителя с нагрузкой в виде транзистора Т4. При воздействии сигнала "1" на все входы транзистор Т2 насыщен. Следовательно транзистор Т4 также насыщен из-за невысокого потенциала на его входе (точка а), создаваемого эмиттерным током транзистора Т2 на резисторе R3. Благодаря низкому потенциалу коллектора транзистора Т2 (точка б) транзистор ТЗ закрыт. При воздействии сигнала "О" хотя бы на один из входов транзистор Т2 закрывается, а транзистор ТЗ открьшается из-за повышения потенциала точки б и работает как эмиттерный повторитель. Диод Д служит для обеспечения режима смещения транзистора ТЗ, т.е. для того, чтобы этот транзистор был закрыт при насыщенном транзисторе Т2.

Всегда ли в ТТЛ-ключе выходные транзисторы находятся в противоположных состояниях (один открыт, другой заперт)? И если нет, то к чему это ведет?

Для чего в выходной цепи ТТЛ-ключа со сложным инвертором установлен диод?

Диод Д служит для обеспечения режима смещения транзистора ТЗ, т.е. для того, чтобы этот транзистор был закрыт при насыщенном транзисторе Т2. Прямое напряжение на диоде составляет около 0,5 В и служит для запирания транзистора ТЗ. Это напряжение создается даже при очень малых (порядка микроампер) токах закрытого транзистора ТЗ.

26. Каким образом перевести ТТЛ-ключ в третье состояние и зачем это необходимо?

На рисунке показан ТТЛ-ключ с третьим (высокоимпедансным) состоянием. Это состояние необходимо, так как непосредственное объединение выходов стандартных элементов ТТЛ не представляется возможным, так как может привести к выходу из строя транзисторов выходного усилителя мощности. Появление на выходе хотя бы одного из параллельно включенных элементов сигнала логического "0" переводит остальные элементы, формировать на выходе логическую "1", в режим короткого замыкания по входу, что недопустимо. Избежать этого позволяет третье состояние ТТЛ-ключа. Для организации третьего состояния многоэмиттерный транзистор VT1, выполняющий операцию И, снабжается n-м эмиттером, который через вспомогательный транзисторный ключ VT6 соединен с общей шиной. Для управления транзисторным ключом используется схема, повторяющая входной каскад стандартного ТТЛ. Она включает входной транзистор VT7 и усилитель на транзисторе VT8, включенном по схеме эмиттерного повторителя. Эмиттерный транзистор VT7 является входом управления третьим состоянием элемента (вход z). Его база через резистор R8 соединена с шиной питания, а коллектор подключен к выходу усилителя на транзисторе VT8. Сигнал, снимаемый с резистора R6, управляет состоянием транзисторного ключа VT6. Дополнительно коллектор VT6 через диод VDn+1 подсоединен к базе транзистора VT4 выходного усилителя мощности. При z = 1 оба транзистора выходного двухтактного усилителя мощности оказываются запертыми и логический элемент отключается от выходного вывода. Это соответствует высокоимпедансному состоянию, при котором выходной сигнал элемента при любых комбинациях его входных сигналов не попадает на его выход.

27. Что такое ТТЛ-ключ с открытым коллектором и в каких случаях он находит применение?

ТТЛ-ключ с открытым коллектором предназначен для согласования логических схем с внешними исполнительными и индикаторными устройствами, например светодиодными индикаторами, лампочками накаливания, обмотками реле и т.д. его отличие от ТТЛ-ключа со сложным инвертором заключается в выполнении выходного усилителя мощности по однотактной схеме без собственного нагрузочного резистора. Его принципиальная схема приведена на рисунке. В данном элементе также отсутствует цепь нелинейной коррекции. Это связано с тем, что элемент ставиться на выходе логического устройства и к нему в меньшей степени предъявляется требование квантования сигнала. Обычно выходной транзистор VT3 схемы выполняется

с большими допустимыми значениями коллекторного тока и напряжения, чем обычный элемент. В отличие от стандартных ТТЛ-ключ с открытым коллектором допускает параллельное включение выходных выводов. При этом относительно выходных сигналов каждого элемента реализуется логическая операция И.

28. Чем определяется быстродействие ТТЛ-ключа при его включении?

Важнейшим показателем работы электронных ключей является их быстродействие, которое оценивается скоростью протекания переходных процессов при переключении. Мгновенное переключение ТТЛ-ключа невозможно из-за инерционных свойств транзисторов, а также паразитных реактивных элементов схемы и проводников. Следовательно для уменьшения задержки включения ключа необходимо использовать транзисторы с минимальной инерционностью и максимально уменьшить паразитные емкости. Такими свойствами обладают неинерционные транзисторы. Быстродействие ТТЛ-ключа определяется временем рассасывания заряда и чем быстрее оно происходит, тем быстрее происходит включение ключа.

29. Чем определяется скорость выключения ТТЛ-ключа?

Процесс выключения ключа можно разделить на время рассасывания неосновных носителей в базе и время спада коллекторного тока. При подаче обратного скачка напряжения коллекторный ток остается неизменным, т.к. заряд в базе не может рассосаться мгновенно и транзистор остается в режиме насыщения. Следовательно на скорость выключения ТТЛ-ключа главным образом влияет время рассасывания неосновных носителей в базе. Для ускорения выключению используют форсирующий конденсатор.

30. За счет чего ТТЛ-ключ со сложным инвертором способен работать на значительную емкостную нагрузку?

В ТТЛ-схеме со сложным инвертором постоянная времени заряда нагрузочной емкости существенно уменьшается. За счет этого ТТЛ-схема со сложным инвертором имеет большее быстродействие по сравнению с простым инвертором и может работать на значительную емкостную нагрузку.

При каком числе нагрузок (большем или меньшем) оконечный транзистор ТТЛ-ключа дольше выходит из насыщения?

С помощью каких характеристик описывается поведение ключей?

Характеристики ключей описываются с помощью следующих характеристик: 1. Амплитудная передаточная характеристика (АПХ) - характеризует изменение выходного напряжения элемента при плавном изменении напряжения на (п-1)-м его входе при условии, что нагрузка остается постоянной. 2. Выходная характеристика -отражает изменение входного напряжения ключа от тока, протекающего в цепи нагрузки, при неизменной комбинации входных логических переменных. 3. Входная характеристика - отражает зависимость входного тока одного из входов ключа от изменения его входного напряжения, при условии, что на все остальные входы поданы значения пассивного логического уровня, а нагрузка на выходе постоянна.

33. Что такое передаточная характеристика ключа и какие параметры ключа можно из нее извлечь?

На рисунке показана передаточная характеристика инвертирующего ключа (слева) и неинвертирующего (справа). Амплитудная передаточная характеристика (АПХ) - характеризует изменение выходного напряжения элемента при плавном изменении напряжения на (п-1)-м его входе при условии, что нагрузка остается постоянной. Как видно из рисунка по передаточной характеристике можно определить такие параметры ключа как: Uobx, Uobx пор, U1вх пор, U1вх, ?U+nop, ?U-nop, Uвых, U1вых

Пользуясь какими характеристиками ключа и как можно определить его нагрузочную способность?
Нагрузочная способность ТТЛ-ключа характеризует его способность получать сигнал от нескольких
источников информации и одновременно быть источником информации для ряда других элементов. Для
численной характеристики нагрузочной способности используют коэффициент разветвления по выходу Краз.
Этот параметр определяет число единичных нагрузок - аналогичных ключей, которые можно одновременно
подключить к выходу ключа. Краз - меньший из двух коэффициентов КОраз и К1раз. Нагрузочная способность
ТТЛ-ключа в состоянии "0" характеризуется параметром КОраз = ГОвых / ГОвх , где ГОвых - выходной ток
логического нуля , Ювх - входной ток логического нуля. Нагрузочная способность ТТЛ-ключа в состоянии "1"
характеризуется параметром К1раз = Пвых / Пвх , где Пвых - выходной ток логической единицы , Пвх -
входной ток логической единицы. Входные токи логических сигналов можно определить по входной
характеристике ключа, а выходные токи по выходной характеристике. Следовательно нагрузочную
способность ключа можно определить по входным и выходным характеристикам.

Каким образом экспериментально можно оценить быстродействие ключа?

Динамические свойства ключа, такие как быстродействие, оцениваются по переходной характеристике. Для этого на один вход системы подают импульсный сигнал, все другие входы системы объединяют и подают на них уровень напряжения, который отключает эти входы (для ТТЛ-ключа это высокий уровень). На выход системы присоединяется нагрузка, в соответствии с коэффициентом разветвления. К параметрам определяющим быстродействие ключа относятся: Ю,1зд, и,0зд, ЮДзд распр, П,0зд распр. Эти параметры можно определить из передаточной характеристики которая показана на рисунке. Однако подчас затруднительно поставить этот эксперимент. Тогда прибегают к упрощенной оценке быстродействия ключа, используя для этого среднее время задержки распространения сигнала; как интервал времени оно равно полусумме задержки распространения сигнала при включении ЮДзд распр и выключении ЮДзд распр. Для оценки 1зд.р.ср. собирают цепочку из нечетного числа исследуемых инвертирующих схем и заколповывают ее. В цепи начинают циркулировать перепады напряжения, периоды следования которых определяется общей задержкой цепи для положительного и отрицательного перепадов напряжения. 1зд.р.ср. = 0,5 Т / п, где Т -период колебаний в цепи, an- число элементов (ключей в кольце).


^ 36. Почему в настоящее время широкое распро