Работа биполярного транзистора в схеме ключа: Режимы работы биполярного транзистора | Основы электроакустики

Содержание

Режимы работы биполярного транзистора | Основы электроакустики

Биполярный транзистор – полупроводниковый элемент с двумя p-n переходами и тремя выводами, который служит для усиления или переключения сигналов. Они бывают p-n-p и n-p-n типа. На рис.7.1, а и б показаны их условные обозначения.

 Рис.7.1. Биполярные  транзисторы  и  их  диодные  эквивалентные   схемы:  а) p-n-p, б) n-p-n транзистор

Транзистор состоит из двух противоположно включенных диодов, которые обладают одним общим p- или n- слоем. Электрод, связанный с ним, называется базой Б. Два других электрода называются эмиттером Э и коллектором К. Диодная эквивалентная схема, приведенная рядом с условным обозначением, поясняет структуру включения переходов транзистора. Хотя эта схема не характеризует полностью функции транзистора, она дает возможность представить действующие в нем обратные и прямые напряжения. Обычно переход эмиттер – база смещен в прямом направлении (открыт), а переход база – коллектор – в обратном (заперт). Поэтому источники напряжения должны быть включены, как показано на рис.7.2.

Рис.7.2. Полярность включения: а) n-p-n, б) p-n-p транзистора 

Транзисторы n-p-n типа подчиняются следующим правилам (для транзисторов p-n-p типа правила сохраняются, но следует учесть, что полярности напряжений должны быть изменены на противоположные):

1. Коллектор имеет более положительный потенциал, чем эмиттер.

2. Цепи база-эмиттер и база-коллектор работают как диоды (рис.7.1). Обычно переход база-эмиттер открыт, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении, т.е. приложенное напряжение препятствует протеканию тока через него. Из этого правила следует, что напряжение между базой и эмиттером нельзя увеличивать неограниченно, так как потенциал базы будет превышать потенциал эмиттера более чем на 0,6 – 0,8 В (прямое напряжение диода), при этом возникает очень большой ток. Следовательно, в работающем транзисторе напряжение на базе и эмиттере связаны следующим соотношением: UБ ≈ UЭ+0,6В; (UБ = UЭ + UБЭ).    

3. Каждый транзистор характеризуется максимальными значениями IК, IБ, UКЭ. В случае превышения этих параметров необходимо использовать еще один транзистор. Следует помнить и о предельных значениях других параметров, например рассеиваемой мощности РК, температуры, UБЭ и др.

4. Если правила 1-3 соблюдены, то ток коллектора прямо пропорционален току базы. Соотношение токов коллектора и эмиттера приблизительно равно 

IК = αIЭ,    где α=0,95…0,99 – коэффициент передачи тока эмиттера. Разность между эмиттерным и коллекторным токами в соответствии с первым законом Кирхгофа (и как видно из рис. 7.2, а) представляет собой базовый ток IБ = IЭ – IК.    Ток коллектора зависит от тока базы в соответствии с выражением: IК = βIБ,   где β=α/(1-α) – коэффициент передачи тока базы, β >>1.

Правило 4 определяет основное свойство транзистора: небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

Режимы работы транзистора. Каждый переход биполярного транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают следующие четыре режима работы транзистора.

Усилительный или активный режим – на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Именно этот режим работы транзистора соответствует максимальному значению коэффициента передачи тока эмиттера. Ток коллектора пропорционален току базы, обеспечиваются минимальные искажения усиливаемого сигнала.

Инверсный режим – к коллекторному переходу подведено прямое напряжение, а к эмиттерному – обратное. Инверсный режим приводит к значительному уменьшению коэффициента передачи тока базы транзистора по сравнению с работой транзистора в активном режиме и поэтому на практике используется только в ключевых схемах.

Режим насыщения – оба перехода (эмиттерный и коллекторный) находятся под прямым напряжением. Выходной ток в этом случае не зависит от входного и определяется только параметрами нагрузки. Из-за малого напряжения между выводами коллектора и эмиттера режим насыщения используется для замыкания цепей передачи сигнала.

Режим отсечки – к обоим переходам подведены обратные напряжения. Так как выходной ток транзистора в режиме отсечки практически равен нулю, этот режим используется для размыкания цепей передачи сигналов.

Основным режимом работы биполярных транзисторов в аналоговых устройствах является активный режим. В цифровых схемах транзистор работает в ключевом режиме, т.е. он находится только в режиме отсечки или насыщения, минуя активный режим.

 

 

схемы включения. Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером

Одним из типов трехэлектродных полупроводниковых приборов являются биполярные транзисторы. Схемы включения зависят от того, какая у них проводимость (дырочная или электронная) и выполняемые функции.

Классификация

Транзисторы разделяют на группы:

  1. По материалам: чаще всего используются арсенид галлия и кремний.
  2. По частоте сигнала: низкая (до 3 МГц), средняя (до 30 МГц), высокая (до 300 МГц), сверхвысокая (выше 300 МГц).
  3. По максимальной мощности рассеивания: до 0,3 Вт, до 3 Вт, более 3 Вт.
  4. По типу устройства: три соединенных слоя полупроводника с поочередным изменением прямого и обратного способов примесной проводимости.

Как работают транзисторы?

Наружные и внутренний слои транзистора соединены с подводящими электродами, называемыми соответственно эмиттером, коллектором и базой.

Эмиттер и коллектор не отличаются друг от друга типами проводимости, но степень легирования примесями у последнего значительно ниже. За счет этого обеспечивается увеличение допустимого выходного напряжения.

База, являющаяся средним слоем, обладает большим сопротивлением, поскольку сделана из полупроводника со слабым легированием. Она имеет значительную площадь контакта с коллектором, что улучшает отвод тепла, выделяющегося из-за обратного смещения перехода, а также облегчает прохождение неосновных носителей – электронов. Несмотря на то что переходные слои основаны на одном принципе, транзистор является несимметричным устройством. При перемене мест крайних слоев с одинаковой проводимостью невозможно получить аналогичные параметры полупроводникового устройства.

Схемы включения биполярных транзисторов способны поддерживать его в двух состояниях: он может быть открытым или закрытым. В активном режиме, когда транзистор открыт, эмиттерное смещение перехода сделано в прямом направлении. Чтобы наглядно это рассмотреть, например, на полупроводниковом триоде типа n-p-n, на него следует подать напряжение от источников, как изображено на рисунке ниже.

Граница на втором коллекторном переходе при этом закрыта, и через нее ток протекать не должен. Но на практике происходит обратное из-за близкого расположения переходов друг к другу и их взаимного влияния. Поскольку к эмиттеру подключен «минус» батареи, открытый переход позволяет электронам поступать в зону базы, где происходит их частичная рекомбинация с дырками – основными носителями. Образуется базовый ток Iб. Чем он сильней, тем пропорционально больше ток на выходе. На этом принципе работают усилители на биполярных транзисторах.

Через базу происходит исключительно диффузионное перемещение электронов, поскольку там нет действия электрического поля. Благодаря незначительной толщине слоя (микроны) и большой величине градиента концентрации отрицательно заряженных частиц, почти все из них попадают в область коллектора, хотя сопротивление базы достаточно велико. Там их втягивает электрическое поле перехода, способствующее их активному переносу. Коллекторный и эмиттерный токи практически равны между собой, если пренебречь незначительной потерей зарядов, вызванных рекомбинацией в базе: I

э = Iб + Iк.

Параметры транзисторов

  1. Коэффициенты усиления по напряжению Uэк/Uбэ и току: β = Iк/Iб (фактические значения). Обычно коэффициент β не превышает значения 300, но может достигать величины 800 и выше.
  2. Входное сопротивление.
  3. Частотная характеристика – работоспособность транзистора до заданной частоты, при превышении которой переходные процессы в нем не успевают за изменениями подаваемого сигнала.

Биполярный транзистор: схемы включения, режимы работы

Режимы работы отличаются в зависимости от того, как собрана схема. Сигнал должен подаваться и сниматься в двух точках для каждого случая, а в наличии имеются только три вывода. Отсюда следует, что один электрод должен одновременно принадлежать входу и выходу. Так включаются любые биполярные транзисторы. Схемы включения: ОБ, ОЭ и ОК.

1. Схема с ОК

Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором: сигнал поступает на резистор RL, который входит также в коллекторную цепь. Такое подключение называют схемой с общим коллектором.

Этот вариант создает только усиление по току. Преимущество эмиттерного повторителя состоит в создании большого сопротивления входа (10-500 кОм), что позволяет удобно согласовывать каскады.

2. Схема с ОБ

Схема включения биполярного транзистора с общей базой: входящий сигнал поступает через С1, а после усиления снимается в выходной коллекторной цепи, где электрод базы является общим. В таком случае создается усиление по напряжению аналогично работе с ОЭ.

Недостатком является небольшое сопротивление входа (30-100 Ом), и схема с ОБ применяется как генератор колебаний.

3. Схема с ОЭ

Во многих вариантах, когда применяются биполярные транзисторы, схемы включения преимущественно делаются с общим эмиттером. Питающее напряжение подается через нагрузочный резистор R

L, а к эмиттеру подключается отрицательный полюс внешнего питания.

Переменный сигнал со входа поступает на электроды эмиттера и базы (Vin), а в коллекторной цепи он становится уже больше по величине (VCE). Основные элементы схемы: транзистор, резистор RL и цепь выхода усилителя с внешним питанием. Вспомогательные: конденсатор С1, препятствующий прохождению постоянного тока в цепь подаваемого входного сигнала, и резистор R1, через который транзистор открывается.

В коллекторной цепи напряжения на выходе транзистора и на резисторе RL вместе равны величине ЭДС: VCC = ICRL + VCE.

Таким образом, небольшим сигналом Vin на входе задается закон изменения постоянного напряжения питания в переменное на выходе управляемого транзисторного преобразователя. Схема обеспечивает возрастание входного тока в 20-100 раз, а напряжения - в 10-200 раз. Соответственно, мощность также повышается.

Недостаток схемы: небольшое сопротивление входа (500-1000 Ом). По этой причине появляются проблемы в формировании каскадов усиления. Выходное сопротивление составляет 2-20 кОм.

Приведенные схемы демонстрируют, как работает биполярный транзистор. Если не принять дополнительных мер, на их работоспособность будут сильно влиять внешние воздействия, например перегрев и частота сигнала. Также заземление эмиттера создает нелинейные искажения на выходе. Чтобы повысить надежность работы, в схеме подключают обратные связи, фильтры и т. п. При этом коэффициент усиления снижается, но устройство становится более работоспособным.

Режимы работы

На функции транзистора влияет значение подключаемого напряжения. Все режимы работы можно показать, если применяется представленная ранее схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.

1. Режим отсечки

Данный режим создается, когда значение напряжения VБЭ снижается до 0,7 В. При этом эмиттерный переход закрывается, и коллекторный ток отсутствует, поскольку нет свободных электронов в базе. Таким образом, транзистор заперт.

2. Активный режим

Если на базу подать напряжение, достаточное, чтобы открыть транзистор, появляется небольшой входной ток и повышенный на выходе, в зависимости от величины коэффициента усиления. Тогда транзистор будет работать как усилитель.

3. Режим насыщения

Режим отличается от активного тем, что транзистор полностью открывается, и ток коллектора достигает максимально возможного значения. Его увеличения можно достигнуть только за счет изменения прикладываемой ЭДС или нагрузки в цепи выхода. При изменении базового тока коллекторный не меняется. Режим насыщения характеризуется тем, что транзистор предельно открыт, и здесь он служит переключателем во включенном состоянии. Схемы включения биполярных транзисторов при объединении режимов отсечки и насыщения позволяют создавать с их помощью электронные ключи.

Все режимы работы зависят от характера выходных характеристик, изображенных на графике.

Их можно наглядно продемонстрировать, если будет собрана схема включения биполярного транзистора с ОЭ.

Если отложить на осях ординат и абсцисс отрезки, соответствующие максимально возможному коллекторному току и величине напряжения питания VCC, а затем соединить их концы между собой, получится линия нагрузки (красного цвета). Она описывается выражением: IC = (VCC - VCE)/RC. Из рисунка следует, что рабочая точка, определяющая ток коллектора IC и напряжение VCE, будет смещаться по нагрузочной линии снизу вверх при увеличении тока базы IВ.

Зона между осью VCE и первой характеристикой выхода (заштрихована), где IВ = 0, характеризует режим отсечки. При этом обратный ток IC ничтожно мал, а транзистор закрыт.

Самая верхняя характеристика в точке А пересекается с прямой нагрузки, после которой при дальнейшем увеличении IВ коллекторный ток уже не изменяется. Зоной насыщения на графике является заштрихованная область между осью IC и самой крутой характеристикой.

Как ведет себя транзистор в разных режимах?

Транзистор работает с переменными или постоянными сигналами, поступающими во входную цепь.

Биполярный транзистор: схемы включения, усилитель

Большей частью транзистор служит в качестве усилителя. Переменный сигнал на входе приводит к изменению его выходного тока. Здесь можно применить схемы с ОК или с ОЭ. В выходной цепи для сигнала требуется нагрузка. Обычно используют резистор, установленный в выходной коллекторной цепи. Если его правильно выбрать, величина выходного напряжения будет значительно выше, чем входного.

Работу усилителя хорошо видно на временных диаграммах.

Когда преобразуются импульсные сигналы, режим остается тем же, что и для синусоидальных. Качество преобразования их гармонических составляющих определяется частотными характеристиками транзисторов.

Работа в режиме переключения

Транзисторные ключи предназначены для бесконтактной коммутации соединений в электрических цепях. Принцип заключается в ступенчатом изменении сопротивления транзистора. Биполярный тип вполне подходит под требования ключевого устройства.

Заключение

Полупроводниковые элементы используются в схемах преобразования электрических сигналов. Универсальные возможности и большая классификация позволяют широко применять биполярные транзисторы. Схемы включения определяют их функции и режимы работы. Многое также зависит от характеристик.

Основные схемы включения биполярных транзисторов усиливают, генерируют и преобразуют входные сигналы, а также переключают электрические цепи.

9.4 Транзисторные ключи на биполярных транзисторах

Транзисторный ключ является основным элементом устройств информационной электроники и многих устройств силовой электроники.

На рис. 9.11 а представлена схема простейшего ключа на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, на рис 9.11 б – диаграмма входного напряжения, а на рис. 9.11 в – выходного напряжения.

В начале рассмотрим работу транзисторного ключа в установившемся режиме. До момента времени t1 эммитерный переход транзистора заперт отрицательным входным напряжением, транзистор находится в режиме отсечки.

Рис.9.11. Схема простейшего ключа на биполярном транзисторе и диаграммы его работы

В этом режиме IК=-Iб=IK0 (IK0 – обратный ток коллектора), IЭ0. Пренебрегая малым обратным током коллектора IК0, получаем iк = iб  0 . При этом URб  URк  0; Uбэ  U2; Uкэ  ЕК. (рис. 9.11 в).

В промежутке t1  t2 величину сопротивления Rб и входного напряжения U1 выбирают так, чтобы транзистор находился в области насыщения, либо близкой к ней.

В этом режиме транзистор открыт и выполняются соотношения:

Таким образом, низкому входному (управляющему) потенциалу соответствует высокий потенциал на выходе ключа и наоборот. Такой режим работы называется инверсным. Часто ключевые схемы работают друг на друга и тогда входное (управляющее) напряжение будет иметь форму выходного сигнала, а это значит, что с учетом возможных входных помех, параметры схемы должны быть рассчитаны таким образом, чтобы входное напряжение не превышало некоторую пороговую величину. Например, для кремниевых транзисторов надежное запирание обеспечивается уровнем в 0,4 В. Надежное отпирание транзистора обеспечивается при условии выполнения соотношения . Кроме этого необходимо учитывать, что RК должно быть выбрано так, чтобы при открытом транзисторе коллекторный ток не превысил максимально допустимого для выбранного типа транзистора. То есть .

Надежное открывание транзистора сопровождается его переходом в область насыщения, при этом в цепи коллектора протекает ток IКнас., определяемый соотношением . Напряжение UКЭ в режиме насыщения различно у различных типов транзисторов и обычно лежит в пределах 0,08 ÷ 1 В. Минимальный ток базы необходимый для обеспечения режима насыщения определяется выражением:

.

Глубину насыщения оценивают через коэффициент насыщения qнас показывающий во сколько раз реальный ток базы больше того минимального значения тока базы, которое необходимо для обеспечения режима насыщения. То есть:

.

При выбранном qнас можно производить расчет элементов ключа в статическом режиме. При этом следует руководствоваться следующими соображениями. Режим насыщения должен обеспечиваться для различных экземпляров транзисторов выбранного типа при заданном диапазоне температур. Увеличение тока базы в режиме насыщения уменьшает величину UКЭ, уменьшая мощность выделяющуюся в выходной цепи транзистора, но при этом увеличивается мощность выделяемая во входной его цепи. Кроме этого увеличение тока базы уменьшает время перехода из закрытого состояния в открытое (в режим насыщения), но затягивает время выхода транзистора из режима насыщения. Исходя из этих соображений, в расчетах принимают qнас=1,5 ÷ 2.

Динамический режим работы ключа изображенного на рис 9.11 рассмотрим на временных диаграммах его работы. На рис 9.12 приведены временные диаграммы, поясняющие процесс включения транзисторного ключа.

Рис.9.11. Временные диаграммы включения транзисторного ключа

При подаче входного переключающего напряжения начинается перезарядка барьерных емкостей эммитерного СЭ и коллекторного СК переходов, поэтому, когда во время t1 входное напряжение изменяется скачком, транзистор остается запертым, поскольку напряжение на его входной емкости не может изменятся скачком. Через сопротивление базы начнет протекать ток, изменяя Uбэ хотя сам транзистор продолжает оставаться запертым. Время задержки приблизительно можно определить по формуле:

t3 = вх[1+( Uбо/ U1 )],

где вх = Rб(СЭК), Uбо – начальное смещение Uбэ – вызванное выпирающим входным напряжением - U2.

Значение t3 обычно не велико. Поэтому этим временем в расчетах часто пренебрегают.

Когда напряжение Uбэ достигает некоторого порогового значения Uбэ порог транзистор начнет отпираться формируя фронт выходного сигнала tф. При этом коллекторный ток экспоненциально нарастает до перехода транзистора в режим насыщения. В это время экспоненциально падает Uэк=Uвых до достижения величины Uкэ нас. .

Длительность отрицательного фронта может быть определена в соответствии с формулой:

,

где а – постоянная времени цепи базы,

- ток базы при переходе в режим насыщения.

Оценить порядок величины отрицательного фронта можно рассмотрев типовой пример. Так, если а=2 мкс; ст =50; =1 mА;=5 mА, то=0,2 мкс.

Общее время включения транзистора определяется суммой t3 + tф.

Начиная с момента t3 токи коллектора, эмиттера и базы практически не изменяются, однако заряд в базе продолжает нарастать с постоянной времени H и заканчивается через время tH = (2÷3)H.

Процесс выключения транзисторного ключа иллюстрируется рис. 9.12. и начинается с момента подачи входного отрицательного управляющего потенциала (-U2) (время t1) процесс запирания транзистора происходит в два этапа: рассасывание избыточного заряда (до времени t2) и формирование положительного фронта (до времени t3).

Заряд, накопившийся в базе открытого транзистора мгновенно рассосаться не может и в течение некоторого промежутка времени ток коллектора не изменяется. При достаточно большом запирающем напряжении время рассасывания можно определить по формуле

tp = HqнасIк.нас./(стIб),

где H – постоянная времени насыщения; Iб – скачёк базового тока в момент начала выключения ключа. В интервале рассасывания ток базы (без учета Uбэ) определяется соотношением:

.

Рис.9.12. Временные диаграммы выключения транзисторного ключа

На интервале формирования положительного фронта продолжается уменьшение концентрации неравновесных носителей, ток Iк значительно уменьшается, а напряжение Uкэ возрастает. По окончании время выключения (после времени t3) ток коллектора становится равным току базы, эммитерный переход смещается в обратном направлении, ток базы быстро уменьшается по модулю и становится практически равным нулю.

В рассматриваемой схеме время рассасывания tрасс существенно больше всех остальных времен, поэтому временем спада и установления можно пренебречь. При этом следует иметь ввиду, что чем больше по модулю переключающий ток базы, тем меньше время рассасывания, и чем больше коэффициент насыщения, тем больше время рассасывания.

Количественный анализ переходных процессов удобнее всего осуществлять с помощью пакетов программ для машинного анализа электронных схем (например Micro – Cap V и др.)

Одним из способов повышения быстродействия является предотвращение насыщения транзистора с целью уменьшения времени рассасывания путем специальных схемотехнических решений. На рис. 9.13 приведен вариант реализации ненасыщенного транзисторного ключа с нелинейной отрицательной обратной связью по напряжению на высокочастотном диоде.

Рис.9.13. Вариант реализации ненасыщенного ключа

Напряжение смещения Uсм в такой схеме выбирается в диапазоне0,4÷ 0,6В. Работает схема следующим образом. Пока транзистор достаточно далек от области насыщения, диод VD закрыт напряжением ЕК. На границе активного режима и режима насыщения напряжения UКБ оказывается близким к нулю и диод открывается за счет UСМ. После этого часть тока источника входного сигнала ответвляется в цепь диода, ток базы уменьшается и транзистор не входит в режим насыщения.

На рис. 9.14 показан вариант схемы ненасыщенного ключа в котором нелинейная отрицательная обратная связь реализуется через диод Шотки у которого напряжение отпирания около 0,25 В. При использовании диода Шотки дополнительного источника смещения не требуется.

Рис.9.14. Ненасыщенный ключ на диоде Шотки

1.2 Ключевой режим работы биполярных транзисторов

Транзисторная импульсная и цифровая техника базируется на работе транзистора в качестве ключа. Замыкание и размыкание цепи нагрузки — главное назначение транзистора, работающего в ключевом режиме. По аналогии с механическим ключом (реле, контактором), качество транзисторного ключа определяется в первую очередь падением напряжения (остаточным напряжением) на транзисторе в замкнутом (открытом) состоянии, а также остаточным током транзистора в выключенном (закрытом) состоянии.

Важность рассмотрения свойств транзисторного ключа для уяснения последующего материала вытекает из того, что путем изменения состояний транзистора в последовательной цепи с резистором и источником питания осуществляются, по сути дела, формирование сигналов импульсной формы, а также различные преобразования импульсных сигналов в схемах и узлах импульсной техники. Транзистор применяют также в качестве бесконтактного ключа в цепях постоянного и переменного токов для регулирования мощности, подводимой к нагрузке.

Основой всех узлов и схем импульсной и цифровой техники является так называемая ключевая схема — каскад на транзисторе, работающем в ключевом режиме. Построение ключевой схемы подобно усилительному каскаду. Транзистор в ключевой схеме может включаться с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. Наибольшее распространение получила схема ОЭ. Этот вид включения биполярного транзистора и используется далее при рассмотрении ключевого режима его работы.

Рисунок 1.3 - Ключевая схема на транзисторе (а), графическое определение режимов открытого и закрытого состояний транзистора (б)

Ключевая схема на транзисторе типа р-п-рпоказана на рисунке 1.3,а. Транзистор Т выполняет функцию ключа в последовательной цепи с резисторомRKи источником питания.

Для удобства рассмотрения процессов в схеме в режимах открытого и закрытого состояний транзистора воспользуемся графоаналитическим методом, основанным на построении линии нагрузки а - бпо постоянному току (рисунок 1.3,б). Линия нагрузки описывается соотношениемUкэ= -(Ек-IкRк) и проводится так же, как для усилительного каскада. Точки пересечения линии нагрузки с вольт-амперными характеристиками транзистора определяют напряжения на элементах и ток в последовательной цепи.

Режим запирания (режим отсечки) транзистора осуществляется подачей на его вход напряжения положительной полярности (Uвх> 0), указанной на рисунке 1.3,абез скобок. Под действием входного напряжения эмиттерный переход транзистора запирается (Uбэ> 0) и его токIэ= 0. Вместе с тем через резисторRбпротекает обратный (тепловой) ток коллекторного переходаIк0. Режиму закрытого состояния транзистора соответствует точкаМз(рисунок 1.3,б).

Протекание через нагрузку теплового тока Iк0связано с тем, что транзистор в закрытом состоянии не обеспечивает полного отключения нагрузочного резистораRкот источника питания. Малое значениеIк0является одним из критериев выбора транзистора для ключевого режима работы.

Величину запирающего входного напряжения Uвх.зanвыбирают из расчета того, чтобы при протекающем через резисторRбтепловом токе было обеспечено выполнение условия

.

(1.1)

Напряжение Uдля германиевых транзисторов составляет 0,5 — 2 В.

Режим открытого состояния транзистора достигается изменением полярности входного напряжения (Uвх< 0) и заданием соответствующего тока базы. Открытое состояние транзистора характеризует точкаМона линии нагрузки.

Определим необходимые условия для создания открытого состояния транзистора. С этой целью предположим, что при Uвх< 0 ток базыIбувеличивается постепенно.

Увеличению тока базы будет соответствовать увеличение тока коллектора и перемещение рабочей точки из положения Мзвверх по линии нагрузки. НапряжениеUкэтранзистора при этом постепенно уменьшается.

До некоторого граничного значения тока базы (Iб.гр) сохраняется известная пропорциональная зависимость междуIкиIб:

,

(1.2)

где βст— статический (усредненный) коэффициент передачи тока транзистора в схеме ОЭ (а не дифференциальный коэффициентβ, действительный для малого входного сигнала). Точка Мопри токе базыIб.грхарактеризует «полное» открытие транзистора. Через транзистор и резисторRкпротекает ток

,

(1.3)

где Uкэ.откр — падение напряжения (остаточное напряжение) на транзисторе в открытом состоянии.

Остаточное напряжение Uкэ.откр, являющееся существенным параметром транзистора в импульсном режиме работы, должно быть минимальным. В зависимости от типа прибора напряжениеUкэ.открлежит в пределах 0,05—1 В. Ввиду относительно малого остаточного напряжения по сравнению сЕкрасчет токаIкоткрытого транзистора проводится по формуле

(1.4)

С учетом формулы (1.2) находят граничное значение тока базы Iб.гроткрытого транзистора, при котором наблюдается пропорциональная зависимость тока коллектора от тока базы:

.

(1.5)

Таким образом, точка Мона рисунке 1. 3,бпредставляет собой точку пересечения линии нагрузки с начальным участком коллекторной характеристики транзистора приIб=Iб.гр.

При дальнейшем увеличении тока базы (Iб>Iб.гр) остаточное напряжениеUкэ.откр остается почти неизменным, так как все коллекторные характеристики транзистора приIб>Iб.грпрактически проходят через точкуМона рисунке 1.3,б. Режим работы открытого транзистора приIб>Iб.грназывают насыщенным, а отношениеs=Iб/Iб.гр- коэффициентом насыщения транзистора.

Режим насыщения широко используют для обеспечения открытого состояния транзистора. Его открытое состояние при этом становится более устойчивым к воздействию помех во входной цепи, а положение точки Моне зависит от изменения коэффициента передачи токаβсттранзистора, в частности, с понижением температуры. В режиме насыщения ток базы транзистора

(1.6)

где коэффициент sдля надежного насыщения транзистора в требуемом температурном диапазоне может составлять 1,5—3. Найденный ток базы обеспечивается параметрами входной цепи ключевой схемы:

.

(1.7)

Рассмотрим процессы, протекающие в ключевой схеме при наличии на ее входе управляющего импульса напряжения (рисунок 1.4,а). Это необходимо для выяснения свойств схемы при передаче импульсных сигналов. Примем входной импульс напряжения идеальной прямоугольной формы (длительности переднего и заднего фронтов импульса равны нулю).

а- входной импульс напряжения;б- ток базы;в- ток коллектора;

г- напряжение на коллекторе

Рисунок 1. 4 - Диаграммы напряжений и токов ключевой схемы

На интервале t0t1, когда входной импульс напряжения отсутствует, транзистор заперт напряжениемUвх.запположительной полярности. ТокиIб,Iк. определяются тепловым током транзистораIк0(рисунок 1.4,б,в). Напряжение на транзистореUкэ= - (Ек-Iк0Rк) (рисунок 1.4,г).

С момента времени t1(рисунок 1.4,а) процессы в схеме обусловливаются отпиранием транзистора входным импульсом напряжения отрицательной полярностиUвх.отп. Это сопровождается изменением токаiки напряженияuкэтранзистора (рисунок 1.4,в, г). Как видно из диаграмм, характер измененияiкиuкэпри отпирании транзистора отличается от вызвавшего их скачкообразного изменения входного напряжения. Отличие обусловлено инерционностью транзистора и проявляется в постепенных нарастании токаiки уменьшении напряженияuкэ. В первом приближении можно принять, что измененияiк(t) иuкэ(t) происходят по экспоненте. Тогда инерционность транзистора может быть учтена эквивалентной постоянной времениτв=τβ+τкв предположенииτк=к(э)Rк, гдек(э)—интегральная (для большого сигнала) емкость коллекторного перехода транзистора в схеме ОЭ.

Если принять, что ток базы в интервале отпирания имеет прямоугольную форму с амплитудой Iб.отп Uвх.отп/Rб>Iб.гр(рисунок 1.4,б), то вызванный им токiк(t) будет изменяться по закону

.

(1.8)

Коллекторный ток возрастает по экспоненциальному закону, стремясь к βстIб.отп>Eк/Rк(см. рисунок 1.4,в). Однако, достигнув предельного значенияIкEк/Rк, токiкв дальнейшем не изменяется и формирование фронта импульсаiкзаканчивается.

Положив в формуле (1.8) iк=Iк, находим длительность фронта нарастания коллекторного тока транзистора:

.

(1.9)

С учетом того, что имеем

.

(1.10)

Из соотношения (1. 10), следует, что длительность фронта импульса сокращается с увеличением коэффициента насыщения транзистора. Это объясняется тем, что большему коэффициенту sсоответствует больший отпирающий базовый ток, вследствие чего ток коллектора достигает установившегося значения за меньший интервал времени. Так, например, приτв= 5 мкс иs= 3 получаемtф= 2,03 мкс.

При s= 1 (транзистор при отпирании работает в активном режиме) соотношение (1.10) не может быть использовано для определенияtф. В этом случае уместно говорить об активной длительности фронта, определяемой относительно уровней 0,1 и 0,9 установившегося значения коллекторного тока (1.8):tф=τвln0,9/0,1 = 2,2 τв.

Характер изменения. uкэ(t) при отпирании транзистора (рисунок 1.4,г) подчиняется зависимостиuкэ(t) = -Ек +iк(t)Rк. В момент времениt3действие входного отпирающего импульса напряжения заканчивается. К базе транзистора прикладывается запирающее напряжениеUвх.зап (рисунок 1.4,а).

С приложением запирающего напряжения ток коллектора и напряжение uкэв течение некоторого интервала времени остаются неизменными, а транзистор по-прежнему открыт. Создается задержка в запирании транзистора. Это объясняется тем, что до момента времениt3транзистор находился в режиме насыщения и при поступлении запирающего сигнала ток коллектора еще поддерживается уходящими .из базы в коллектор избыточными носителями заряда (дырками). Только после ухода (рассасывания) избыточных носителей и перехода транзистора в активный режим ток коллектора начинает уменьшаться, а напряжение на коллекторе — возрастать (рисунок 1.4,в,г). Помимо ухода избыточных носителей заряда по цепи коллектора их рассасывание осуществляется и по цепи базы за счет протекания обратного токаIб. обр, вызванного запирающим напряжением. Обратный (инверсный) ток базы при этом ограничивается сопротивлениемRбвходной цепи:Iб.обрUвх.зап/Rб.

Время, в течение которого происходит рассасывание избыточного заряда в базе, называется временем рассасывания tр(рисунок 1.4,в). Это время пропорционально коэффициенту насыщенияs. Следующий затем интервал спадания токаiкопределяет время заднего фронта (среза) tсколлекторного тока.

При определении tpиtcнеобходимо решать уравнение, описывающее изменение заряда в базе. Ввиду пропорциональности заряда в базе току коллектора (базы) процесс, протекающий в транзисторе после момента времениt3, выражается через токи транзистора в следующем виде:

(1. 11)

где τβ— эквивалентная постоянная времени, примерно равная времени жизни неосновных носителей заряда в базе в режиме насыщения, но меньше постоянной времениτβ, действительной для активного режима (τβτβ/2).

Выражение (1.11) является уравнением экспоненциальной кривой, показанной в интервале t3t4пунктиром (рисунок 1.4,в).

Положив в выражении (4.11) iк=IкEк/Rк=βстIб.гр, находим

.

(1.12)

При и

.

(1.13)

После выхода транзистора из насыщения ток iк(t)уменьшается от значенияIк, также стремясь к —βстIб.гр(рисунок 1.4,в), т. е.

.

(1.14)

Положив в формуле (1.14) iк= 0, получаем

.

(1.15)

Длительности tф,tp,tcхарактеризуют быстродействие транзисторного ключа. Как следует из выражений (1.9), (1.12), (1.15), они зависят от частотных свойств используемого транзистора и параметров импульса базового тока. Порядок их величин составляет от долей единицы до единиц микросекунды.

В настоящее время широко используется (особенно в интегральных микросхемах) ключевой режим работы кремниевых транзисторов типа п-р-п.

По построению и характеру работы ключевая схема на транзисторе типа п-р-паналогична схеме рисунка 1.3,а. Отличие заключается в противоположных полярностях напряжения питанияЕки отпирающего напряженияUвх.отп, а также в противоположных направлениях токов базы, эмиттера, коллектора.

Кремниевые транзисторы, в частности типа п-р-п, имеют довольно малый тепловой токIк0. Влияние токаIк0в выходной и входной цепях закрытого транзистора пренебрежимо мало. По этой причине запирание этих транзисторов осуществимо приUвх.зап=Uбэ= 0. Эта особенность кремниевых транзисторов дает важное практическое преимущество — возможность исключить дополнительные источники запирающего напряжения в базовых цепях, необходимые для германиевых транзисторов.

Pnp транзистор в режиме ключа

Работа транзистора в режиме ключа является базовой во всей электронике, особенно в цифровой.

С чего все начиналось

Раньше, когда еще не было сверхмощных компьютеров и сверхскоростного интернета, сообщения передавали с помощью азбуки Морзе. В азбуке Морзе использовались три знака: точка, тире и… пауза. Чтобы передавать сообщения на далекие расстояния использовался так называемый телеграфный КЛЮЧ.

Нажали на черную большую пипочку – ток побежал, отжали – получился обрыв цепи и ток перестал течь. ВСЕ! То есть меняя скорость и продолжительность нажатия на пипочку, мы можем закодировать любое сообщение. Нажали на пипку – сигнал есть, отжали пипку – сигнала нет.

Транзисторный ключ

Ключ, собранный на транзисторе, называется транзисторным ключом. Транзисторный ключ выполняет только две операции: вКЛЮЧено и выКЛЮЧено, промежуточный режим между “включено” и “выключено” мы будем рассматривать в следующих главах. Электромагнитное реле выполняет ту же самую функцию, но его скорость переключения очень медленная с точки зрения современной электроники, да и коммутирующие контакты быстро изнашиваются.

Что из себя представляет транзисторный ключ? Давайте рассмотрим его поближе:

Знакомая схемка не так ли? Здесь все элементарно и просто 😉 Подаем на базу напряжение необходимого номинала и у нас начинает течь ток через цепь от плюсовой клеммы +Bat2—>лампочка—>коллектор—>эмиттер—>к минусовой клемме Bat2. Напряжение на Bat2 должно быть равно рабочему напряжению питания лампочки. Если все так, то лампочка испускает свет. Вместо лампочки может быть какая-либо другая нагрузка. Резистор “R” здесь требуется для того, чтобы ограничить значение управляющего тока на базе транзистора. Про него более подробно я писал еще в этой статье.

Условия для работы транзисторного ключа

Итак, давайте вспомним, какие требования должны быть, чтобы полностью “открыть” транзистор? Читаем статью принцип усиления биполярного транзистора и вспоминаем:

1) Для того, чтобы полностью открыть транзистор, напряжение база-эмиттер должно быть больше 0,6-0,7 Вольт.

2) Сила тока, текущая через базу должна быть такой, чтобы электрический ток мог течь через коллектор-эмиттер абсолютно беспрепятственно. В идеале, сопротивление через коллектор-эмиттер должно стать равным нулю, в реале же оно будет иметь доли Ома. Такой режим называется “режимом насыщения“.

Этот рисунок – воображение моего разума. Здесь я нарисовал тот самый режим насыщения.

Как мы видим, коллектор и эмиттер в режиме насыщения соединяются накоротко, поэтому лампочка горит на всю мощь.

Базовая схема транзисторного ключа

А что теперь надо сделать, чтобы лампочка вообще не горела? Отключить ее ручками? Зачем? Ведь у нас есть управляемый резистор: коллектор-эмиттер, сопротивление которого мы можем менять, прогоняя через базу определенную силу тока 😉 Итак, что нужно для того, чтобы лампочка вообще перестала гореть? Возможны два способа:

Первый способ. Полностью отключить питание от резистора базы, как на рисунке ниже

В реальности вывод базы является своего рода маленькой антенной, которая может принимать различные наводки и помехи из окружающего пространства. От этих наводок в базе может начать течь ток малого номинала. А как вы помните, для того, чтобы открыть транзистор много и не надо. И может даже случится так, что лампочка будет даже очень тихонько светится!

Как же выйти из этой ситуации? Да очень легко! Достаточно поставить резистор между базой и эмиттером, то есть сделать так, чтобы при отключении напряжения, на базе напряжение было равно нулю. А какой вывод транзистора у нас находится под нулем? Эмиттер! То есть научным языком, мы должны сделать так, чтобы потенциал на базе был равен потенциалу на эмиттере 😉

И что, теперь каждый раз при отключении заземлять базу? В идеале – да. Но есть более хитрое решение 😉 Достаточно поставить резистор между базой и эмиттером. Его номинал в основном берут примерно в 10 раз выше, чем номинал базового резистора.

Так как в схеме появился еще один резистор, то базовый резистор назовем RБ , а резистор между базой и эмиттером не будем придумывать и назовем RБЭ. Схема примет вот такой вид:

Как же ведет себя резистор RБЭ в схеме? Если ключ S замкнут, то этот резистор не оказывает никакого влияния на работу схемы, так как через него протекает и без того малая сила тока, которая управляет базой. Ну а если ключ S разомкнут, то, как я уже сказал, потенциал на базе будет равняться потенциалу эмиттера, то есть нулю.

Второй способ. Добиться того, чтобы UБЭ

Что в первом, что во втором случае транзистор у нас не пропускает ток через коллектор-эмиттер. В этом случае говорят, что транзистор находится в режиме “отсечки“.

Расчет транзисторного ключа

Как же рассчитать примерно значение резистора базы? Есть нехитрые формулы. Для того, чтобы их разобрать, рассмотрим вот такую схемку:

Для начала можно найти ток базы:

IБ – это базовый ток, в Амперах

kНАС– коэффициент насыщения. В основном берут в диапазоне от 2-5. Он уже зависит от того, насколько глубоко вы хотите вогнать ваш транзистор в насыщение. Чем больше коэффициент, тем больше режим насыщения.

IK– коллекторный ток, в Амперах

Ну а дальше дело за малым

Это самый простой расчет без всяких заморочек.

Расчет транзисторного ключа на практике

Ну что же, давайте рассчитаем наш базовый резистор для этой схемы в режиме насыщения. На базу будем подавать распространенное питание в 5 В.

Возьмем транзистор средней мощности КТ819Б и лампочку-нагрузку для нашего транзисторного ключа. Лампочка на 6 В.

Транзистор КТ819Б структуры NPN

А вот и его цоколевка

Почти стандартная распиновка слева-направо: Эмиттер-Коллектор-База.

Лампочка при питании 6 В светит примерно вот так:

А вот такую силу тока потребляет наша подопечная, если ее соединить напрямую к блоку питания.

0,23 Ампера. Именно такую силу тока должна кушать наша лампочка в режиме насыщения, когда транзистор полностью открыт. То есть это у нас будет коллекторный ток Ik . Так как сопротивление нити накала лампочки меняется при подключении ее к источнику питания, то лучше всего сразу же измерить ее силу тока, как мы и сделали.

Теперь дело за малым. Надо замерить коэффициент бета. Для этого случая на моем рабочем столе есть прибор транзисторметр. Итак, у меня получилось значение 148

Итак, находим ток базы по формуле

Чем больше силы тока мы подаем на базу, тем больше мы вводим транзистор в режим глубокого насыщения. Здесь уже вы сами должны выбрать значение коэффициента насыщения. Как я уже писал выше, чем больше коэффициент, тем сильнее уходит транзистор в режим насыщения. Режим глубокого насыщения чреват тем, что он задерживает выключение транзистора, но хорош тогда, когда надо долго держать нагрузку включенной, так как в этом случае транзистор греется меньше всего. Если вы не забыли, мощность, рассеиваемая на транзисторе будет равна P=UКЭ х IН

P – это мощность в Ваттах

UКЭ – напряжение между коллектором и эмиттером, В

IН – сила тока, протекающая через нагрузку и коллектор-эмиттер, А

Из формулы: чем меньше UКЭ , тем меньше будет греться транзистор

Поэтому, берем среднее значение коэффициента насыщения равное 3. Получаем:

Теперь считаем базовый резистор по формуле:

Берем ближайший из ряда, то есть 1 кОм.

Давайте посмотрим, будет ли работать наш транзисторный ключ? Итак, RБ берем рассчитанное значение в 1 кОм.

Собираем схему и смотрим, как она работает

В данном случае синие провода – это питание с Bat2 (MEILI), а другие два провода – это питание с блока питания Bat1 (YaXun)

Как вы помните, лампочка у нас потребляла силу тока в 0,23 Ампер при прямом включении ее к блоку питания. Сейчас же она кажет почти то же самое значение с небольшой погрешностью. Но можно все равно сказать, что при открытом транзисторном ключе сопротивление коллектора-эмиттера очень мало. То есть все напряжение поступает на лампу.

Так как амперметр на YaXun стрелочный и не может измерять очень маленькие значение тока, то воспользуемся мультиметром и посмотрим, сколько же потребляет наш транзистор в режиме полного открытия. Для этого ставим мультиметр в разрыв цепи. Более подробно, как измерять силу тока и напряжение мультиметром, вы можете прочитать в этой статье.

Мы получили 4,5 мА. Очень близко к расчетному 4,7 мА. Не забываем подтянуть базу к земле резистором большим номиналом RБЭ, иначе база может поймать помеху и открыть невзначай транзистор, что приведет к ложному срабатыванию. В нашем случае мы берем резистор от 10 кОм и более.

Ну все, такой транзисторный ключ будет уже защищен от ложных срабатываний и его можно использовать в своих электронных безделушках.

Применение транзисторного ключа в связке с МК

Транзисторный ключ очень часто можно увидеть в схемах, где МК или другой логический элемент коммутирует мощную нагрузку. Как вы помните, максимальную силу тока, которую может выдать МК на одну ножку, равняется 20 миллиампер. Поэтому чаще всего можно увидеть вот такое схемотехническое решение на биполярном транзисторе в режиме ключа:

В резистор RБЭ нет необходимости, потому как выходы МК “подтягивается” к нулю еще при программировании.

Заключение

В настоящее время биполярные транзисторы уже морально устаревают. На смену им приходят мощные полевые транзисторы и твердотельные реле, так как они практически не потребляют ток. Также часто в режиме ключа используют диоды, тиристоры, терморезисторы и даже электронные лампы. Электронные ключи широко применяются в различных автоматических устройствах, в логических схемах и системах управления. Чем же хорош ключ на биполярном транзисторе? Я думаю, скорее всего своей дешевизной, широким распространением и долговечностью самих биполярных транзисторов.

Для упрощения рассказа можно представить транзистор в виде переменного резистора. Вывод базы это есть как раз та самая ручка, которую можно покрутить. При этом изменяется сопротивление участка коллектор – эмиттер. Крутить базу, конечно, не надо, может оторваться. А вот подать на нее некоторое напряжение относительно эмиттера, конечно, можно.

Если напряжение не подавать вовсе, а просто взять и замкнуть выводы базы и эмиттера пусть даже и не накоротко, а через резистор в несколько КОм. Получается, что напряжение база – эмиттер (Uбэ) равно нулю. Следовательно, нет и тока базы. Транзистор закрыт, коллекторный ток пренебрежительно мал, как раз тот самый начальный ток. Примерно такой же, как у диода в обратном направлении! В этом случае говорят, что транзистор находится в состоянии ОТСЕЧКИ, что на обычном языке значит, закрыт или заперт.

Противоположное состояние называется НАСЫЩЕНИЕ. Это когда транзистор открыт полностью, так, что дальше открываться уже некуда. При такой степени открытия сопротивление участка коллектор эмиттер настолько мало, что включать транзистор без нагрузки в коллекторной цепи просто нельзя, сгорит моментально. При этом остаточное напряжение на коллекторе может составить всего 0,3…0,5В.

Чтобы довести транзистор до такого состояния, надо обеспечить достаточно большой ток базы, подав на нее относительно эмиттера большое напряжение Uбэ,- порядка 0,6…0,7В. Да, для перехода база-эмиттер такое напряжение без ограничительного резистора очень велико. Ведь входная характеристика транзистора, показанная на рисунке 1, очень похожа на прямую ветвь характеристики диода.

Рисунок 1. Входная характеристика транзистора

Эти два состояния – насыщение и отсечка, используются в том случае, когда транзистор работает в ключевом режиме наподобие обычного контакта реле. Основной смысл такого режима в том, что малый ток базы управляет большим током коллектора, который в несколько десятков раз больше тока базы. Большой ток коллектора получается за счет внешнего источника энергии, но все равно усиление по току, что называется, налицо. Простой пример: маленькая микросхема включает большую лампочку!

Чтобы определить величину такого усиления транзистора в ключевом режиме используется «коэффициент усиления по току в режиме большого сигнала». В справочниках от обозначается греческой буквой β «бетта». Практически для всех современных транзисторов при работе в ключевом режиме этот коэффициент никак не меньше 10…20 Определяется β как соотношение максимально возможного тока коллектора к минимально возможному току базы. Величина безразмерная, просто «во сколько раз».

Даже если ток базы будет больше, чем требуется, беды особой нет: транзистор все равно не сможет открыться больше. На то он и режим насыщения. Кроме обычных транзисторов для работы в ключевом режиме используются «дарлингтоновские» или составные транзисторы. Их «супер — бетта» может достигать 1000 и более раз.

Как рассчитать режим работы ключевого каскада

Чтобы не быть совсем голословным, попробуем рассчитать режим работы ключевого каскада, схема которого показана на рисунке 2.

Задача такого каскада очень простая: включить и выключить лампочку. Конечно, нагрузка может быть любой, — обмотка реле, электромотор, просто резистор, да мало ли что. Лампочка взята просто для наглядности эксперимента, для его упрощения. Наша задача чуть посложнее. Требуется рассчитать величину резистора Rб в цепи базы, чтобы лампочка горела в полный накал.

Такие лампочки применяются для подсветки приборной доски в отечественных авто, поэтому найти ее несложно. Транзистор КТ815 с током коллектора 1,5А для такого опыта вполне подойдет.

Самое интересное во всей этой истории, что напряжения в расчетах участия не принимают, лишь бы соблюдалось условие β ≥ Iк/Iб. Поэтому лампочка может быть на рабочее напряжение 200В, а базовая цепь управляться от микросхем с напряжением питания 5В. Если транзистор рассчитан на работу с таким напряжением на коллекторе, то лампочка будет мигать без проблем.

Но в нашем примере микросхем никаких не предвидится, базовая цепь управляется просто контактом, на который просто подается напряжение 5В. Лампочка на напряжение 12В, ток потребления 100мА. Предполагается, что наш транзистор имеет β ровно 10. Падение напряжения на переходе база – эмиттер Uбэ = 0,6В. См. входную характеристику на рисунке 1.

При таких данных ток в базе должен быть Iб = Iк / β = 100 / 10 = 10(мА).

Напряжение на базовом резисторе Rб составит (за вычетом напряжения на переходе база — эмиттер) 5В – Uбэ = 5В – 0,6В = 4,4В.

Вспоминаем закон Ома: R = U / I = 4,4В / 0,01А = 440Ом. Согласно системе СИ подставляем напряжение в вольтах, ток в амперах, результат получаем в Омах. Из стандартного ряда выбираем резистор сопротивлением 430Ом. На этом расчет можно считать законченным.

Но, кто внимательно посмотрит на схему, может спросить: «А почему ничего не было сказано о резисторе между базой и эмиттером Rбэ? Про него просто забыли, или он не так и нужен?»

Назначение этого резистора — надежно закрыть транзистор в тот момент, когда кнопка разомкнута. Дело в том, что если база будет «висеть в воздухе», воздействие всяческих помех на нее просто гарантировано, особенно, если провод до кнопки достаточно длинный. Чем не антенна? Почти, как у детекторного приемника.

Чтобы надежно закрыть транзистор, ввести его в режим отсечки необходимо, чтобы потенциалы эмиттера и базы были равны. Проще всего было бы в нашей «учебной схеме» использовать переключающий контакт. Надо включить лампочку перекинули контакт на +5В, а когда потребовалось выключить — просто замкнули вход всего каскада на «землю».

Но не всегда и не везде можно позволить такую роскошь, как лишний контакт. Поэтому проще выровнять потенциалы базы и эмиттера при помощи резистора Rбэ. Номинал этого резистора рассчитывать не надо. Обычно его принимают равным десяти Rб. Согласно практическим данным его величина должна быть 5…10КОм.

Рассмотренная схема является разновидностью схемы с общим эмиттером. Тут можно отметить две особенности. Во-первых, это использование в качестве управляющего напряжения 5В. Именно такое напряжение используется, когда ключевой каскад подключается к цифровым микросхемам или, что теперь более вероятно, к микроконтроллерам.

Во-вторых, сигнал на коллекторе инвертирован по отношению к сигналу на базе. Если на базе присутствует напряжение, контакт замкнут на +5В, то на коллекторе оно падает практически до нуля. Ну, не до нуля, конечно, а до напряжения указанного в справочнике. При этом лампочка визуально не инвертируется,- сигнал на базе есть, есть и свет.

Инвертирование входного сигнала происходит не только в ключевом режиме работы транзистора, но и в режиме усиления. Но об этом будет рассказано в следующей части статьи.

Для упрощения рассказа можно представить транзистор в виде переменного резистора. Вывод базы это есть как раз та самая ручка, которую можно покрутить. При этом изменяется сопротивление участка коллектор – эмиттер. Крутить базу, конечно, не надо, может оторваться. А вот подать на нее некоторое напряжение относительно эмиттера, конечно, можно.

Если напряжение не подавать вовсе, а просто взять и замкнуть выводы базы и эмиттера пусть даже и не накоротко, а через резистор в несколько КОм. Получается, что напряжение база – эмиттер (Uбэ) равно нулю. Следовательно, нет и тока базы. Транзистор закрыт, коллекторный ток пренебрежительно мал, как раз тот самый начальный ток. Примерно такой же, как у диода в обратном направлении! В этом случае говорят, что транзистор находится в состоянии ОТСЕЧКИ, что на обычном языке значит, закрыт или заперт.

Противоположное состояние называется НАСЫЩЕНИЕ. Это когда транзистор открыт полностью, так, что дальше открываться уже некуда. При такой степени открытия сопротивление участка коллектор эмиттер настолько мало, что включать транзистор без нагрузки в коллекторной цепи просто нельзя, сгорит моментально. При этом остаточное напряжение на коллекторе может составить всего 0,3…0,5В.

Чтобы довести транзистор до такого состояния, надо обеспечить достаточно большой ток базы, подав на нее относительно эмиттера большое напряжение Uбэ,- порядка 0,6…0,7В. Да, для перехода база-эмиттер такое напряжение без ограничительного резистора очень велико. Ведь входная характеристика транзистора, показанная на рисунке 1, очень похожа на прямую ветвь характеристики диода.

Рисунок 1. Входная характеристика транзистора

Эти два состояния – насыщение и отсечка, используются в том случае, когда транзистор работает в ключевом режиме наподобие обычного контакта реле. Основной смысл такого режима в том, что малый ток базы управляет большим током коллектора, который в несколько десятков раз больше тока базы. Большой ток коллектора получается за счет внешнего источника энергии, но все равно усиление по току, что называется, налицо. Простой пример: маленькая микросхема включает большую лампочку!

Чтобы определить величину такого усиления транзистора в ключевом режиме используется «коэффициент усиления по току в режиме большого сигнала». В справочниках от обозначается греческой буквой β «бетта». Практически для всех современных транзисторов при работе в ключевом режиме этот коэффициент никак не меньше 10…20 Определяется β как соотношение максимально возможного тока коллектора к минимально возможному току базы. Величина безразмерная, просто «во сколько раз».

Даже если ток базы будет больше, чем требуется, беды особой нет: транзистор все равно не сможет открыться больше. На то он и режим насыщения. Кроме обычных транзисторов для работы в ключевом режиме используются «дарлингтоновские» или составные транзисторы. Их «супер — бетта» может достигать 1000 и более раз.

Как рассчитать режим работы ключевого каскада

Чтобы не быть совсем голословным, попробуем рассчитать режим работы ключевого каскада, схема которого показана на рисунке 2.

Задача такого каскада очень простая: включить и выключить лампочку. Конечно, нагрузка может быть любой, — обмотка реле, электромотор, просто резистор, да мало ли что. Лампочка взята просто для наглядности эксперимента, для его упрощения. Наша задача чуть посложнее. Требуется рассчитать величину резистора Rб в цепи базы, чтобы лампочка горела в полный накал.

Такие лампочки применяются для подсветки приборной доски в отечественных авто, поэтому найти ее несложно. Транзистор КТ815 с током коллектора 1,5А для такого опыта вполне подойдет.

Самое интересное во всей этой истории, что напряжения в расчетах участия не принимают, лишь бы соблюдалось условие β ≥ Iк/Iб. Поэтому лампочка может быть на рабочее напряжение 200В, а базовая цепь управляться от микросхем с напряжением питания 5В. Если транзистор рассчитан на работу с таким напряжением на коллекторе, то лампочка будет мигать без проблем.

Но в нашем примере микросхем никаких не предвидится, базовая цепь управляется просто контактом, на который просто подается напряжение 5В. Лампочка на напряжение 12В, ток потребления 100мА. Предполагается, что наш транзистор имеет β ровно 10. Падение напряжения на переходе база – эмиттер Uбэ = 0,6В. См. входную характеристику на рисунке 1.

При таких данных ток в базе должен быть Iб = Iк / β = 100 / 10 = 10(мА).

Напряжение на базовом резисторе Rб составит (за вычетом напряжения на переходе база — эмиттер) 5В – Uбэ = 5В – 0,6В = 4,4В.

Вспоминаем закон Ома: R = U / I = 4,4В / 0,01А = 440Ом. Согласно системе СИ подставляем напряжение в вольтах, ток в амперах, результат получаем в Омах. Из стандартного ряда выбираем резистор сопротивлением 430Ом. На этом расчет можно считать законченным.

Но, кто внимательно посмотрит на схему, может спросить: «А почему ничего не было сказано о резисторе между базой и эмиттером Rбэ? Про него просто забыли, или он не так и нужен?»

Назначение этого резистора — надежно закрыть транзистор в тот момент, когда кнопка разомкнута. Дело в том, что если база будет «висеть в воздухе», воздействие всяческих помех на нее просто гарантировано, особенно, если провод до кнопки достаточно длинный. Чем не антенна? Почти, как у детекторного приемника.

Чтобы надежно закрыть транзистор, ввести его в режим отсечки необходимо, чтобы потенциалы эмиттера и базы были равны. Проще всего было бы в нашей «учебной схеме» использовать переключающий контакт. Надо включить лампочку перекинули контакт на +5В, а когда потребовалось выключить — просто замкнули вход всего каскада на «землю».

Но не всегда и не везде можно позволить такую роскошь, как лишний контакт. Поэтому проще выровнять потенциалы базы и эмиттера при помощи резистора Rбэ. Номинал этого резистора рассчитывать не надо. Обычно его принимают равным десяти Rб. Согласно практическим данным его величина должна быть 5…10КОм.

Рассмотренная схема является разновидностью схемы с общим эмиттером. Тут можно отметить две особенности. Во-первых, это использование в качестве управляющего напряжения 5В. Именно такое напряжение используется, когда ключевой каскад подключается к цифровым микросхемам или, что теперь более вероятно, к микроконтроллерам.

Во-вторых, сигнал на коллекторе инвертирован по отношению к сигналу на базе. Если на базе присутствует напряжение, контакт замкнут на +5В, то на коллекторе оно падает практически до нуля. Ну, не до нуля, конечно, а до напряжения указанного в справочнике. При этом лампочка визуально не инвертируется,- сигнал на базе есть, есть и свет.

Инвертирование входного сигнала происходит не только в ключевом режиме работы транзистора, но и в режиме усиления. Но об этом будет рассказано в следующей части статьи.

Рекомендуем к прочтению

Схемы Подключения Биполярных Транзисторов - tokzamer.ru

В импортных усилителях очень часто применяется мощная комплементарная пара 2SA и 2SC Мы рассмотрим их позднее при подробном изучении схемы усилительного каскада с общим эмиттером.


Конденсатор Ср является разделительным. Если его правильно выбрать, величина выходного напряжения будет значительно выше, чем входного.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона представлена на рис.
Биполярные транзисторы

По рабочей частоте транзисторы делятся на низкочастотные, — рабочая частота не свыше 3 МГц, среднечастотные — 3…30 МГц, высокочастотные — свыше 30 МГц.

Рисунок 3.

Автор статьи предлагал регулировать частоту вращения коллекторного двигателя изменением длительности импульсов в обмотке управления ОУ.

Но параметры германиевых транзисторов были нестабильны, их самым большим недостатком следует считать низкую рабочую температуру, — не более

Несмотря на то что переходные слои основаны на одном принципе, транзистор является несимметричным устройством.

СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА. ЭМИТТЕРНЫЙ ПОВТОРИТЕЛЬ [РадиолюбительTV 42]

Характеристики транзистора, включенного по схеме об

Через базу происходит исключительно диффузионное перемещение электронов, поскольку там нет действия электрического поля. У транзистора же есть только три вывода, поэтому для реализации четырехполюсника приходится один из выводов подключать как ко входу, так и к выходу усилителя.

Положительный тип заряда, или дырки, образуются на месте высвобожденного электрона. Напряжение источника питания и нагрузка должны оставаться неизменными при обоих измерениях.

Заключение Полупроводниковые элементы используются в схемах преобразования электрических сигналов. Несмотря на то что переходные слои основаны на одном принципе, транзистор является несимметричным устройством.

Активный режим транзистора — это нормальный режим работы транзистора.

При этом параметры транзистора тут вообще никакой роли не играют. Во — первых усиление каскада зависит от конкретного экземпляра транзистора: заменил транзистор при ремонте, — подбирай заново смещение, выводи на рабочую точку.

Если ток базы падает, то ток коллектора также будет снижаться — человек подкорректирует его посредством реостата.

Работу усилителя хорошо видно на временных диаграммах. Рисунок 2.
Как работает транзистор? Режим ТТЛ логика / Усиление. Анимационный обучающий 2d ролик. / Урок 1

Смотрите также: Энергоаудит предприятия для чего и когда проводится

Схема с общей базой

При этом входное сопротивление очень мало, а выходное — велико.

Напомним, что реактивное сопротивление конденсатора Хс, Ом, можно вычислить по формуле: Для постоянного тока реактивное сопротивление конденсаторов стремится к бесконечности. В выходной цепи для сигнала требуется нагрузка. Кроме биполярных существуют униполярные полевые транзисторы, у которых используется лишь один тип носителей — электроны или дырки.

Активный режим транзистора — это нормальный режим работы транзистора. Самая верхняя характеристика в точке А пересекается с прямой нагрузки, после которой при дальнейшем увеличении IВ коллекторный ток уже не изменяется.

Это усиление осуществляется за счет энергии источника питания. Напряжение 0,6В это напряжение на переходе Б—Э, и при расчетах о нем не следует забывать!

Схемы включения биполярных транзисторов при объединении режимов отсечки и насыщения позволяют создавать с их помощью электронные ключи. Достоинства каскада по схеме с общим эмиттером: 1. Для того, чтобы лучше понять, как работает эмиттерная стабилизация, надо рассмотреть схему включения транзистора с общим коллектором ОК.

Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором


Работа транзистора в ключевом режиме Прежде, чем изучать работу транзистора в режиме усиления сигнала, стоит вспомнить, что транзисторы часто используются в ключевом режиме. Эмиттерные повторители схемы с общим коллектором применяют для согласования высокого выходного сопротивления источника сигнала с низким входным сопротивлением нагрузки. Быстродействие БТ зависит от толщины базового слоя БС. Теперь проследим саму работу данной схемы: источник питания 1.

Отсюда и большой разброс коэффициента усиления у транзисторов взятых даже из одной коробки читай одной партии. И модельный ряд постоянно увеличивается, позволяя решать практически все задачи, поставленные разработчиками. Рисунок 7. Следовательно, для усилителей постоянного тока нижняя граничная частота усиления равна нулю переходные конденсаторы не требуются, а для разделения каскадов необходимо предусматривать специальные меры. На рисунке изображена схема работы транзистора в ключевом режиме.

В эмиттерном повторителе используется схема включения транзистора с общим коллектором ОК. Мощность это произведение тока на напряжение, но так как напряжение не меняется то мощность увеличивается только за счет тока! База является управляющим электродом.
Биполярные транзисторы. Принцип действия.

Характеристики транзистора, включённого по схеме оэ:

Основные элементы схемы: транзистор, резистор RL и цепь выхода усилителя с внешним питанием.

Благодаря незначительной толщине слоя микроны и большой величине градиента концентрации отрицательно заряженных частиц, почти все из них попадают в область коллектора, хотя сопротивление базы достаточно велико. Где транзисторы купить? Транзисторы по праву считаются одним из великих открытий человечества.

При работе в активном режиме на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном — обратное. Его также обозначают как Исходы из выше сказанного транзистор может работать в четырех режимах: Режим отсечки транзистора — в этом режиме переход база-эмиттер закрыт, такое может произойти когда напряжение база-эмиттер недостаточное. Во — первых усиление каскада зависит от конкретного экземпляра транзистора: заменил транзистор при ремонте, — подбирай заново смещение, выводи на рабочую точку.

Ответ может быть да а может и нет. Поскольку ток коллектора в десятки раз больше тока базы, этим объясняется тот факт, что коэффициент усиления по току составляет десятки единиц. Схема с общим коллектором ОК Практические варианты схем включения транзисторов структуры п-р-п и р-п-р приведены на рис. В литературе такое название почему-то почти не встречается, а вот в кругу радиоинженеров и радиолюбителей используется повсеместно, всем сразу понятно, о чем идет речь.

Читайте также: Снип по прокладке кабеля в земле

Схемы включения биполярного транзистора

Ваш email:. Для того чтобы без расчетов первоначально оценить величины RC-элементов, входящих в состав схем рис. Поэтому плотность компоновки элементов в МОП- интегральных схемах значительно выше. Коллектор имеет более положительный потенциал , чем эмиттер Как я уже говорил цепи база — коллектор и база -эмиттер работают как диоды Каждый транзистор характеризуется предельными значениями, такими как ток коллектора, ток базы и напряжение коллектор-эмиттер.

Такое состояние называют рабочей точкой транзистора, в этом случае коэффициент усиления каскада максимален. Граница на втором коллекторном переходе при этом закрыта, и через нее ток протекать не должен. Такой режим работы транзистора рассматривался уже давно. Повышение частоты приводит к снижению реактивной ёмкости коллекторного перехода, что приводит к его существенному шунтированию и ухудшению усилительных свойств каскада. Выводы транзистора звонятся как два диода, соединенные в общей точке в области базы транзистора.

Устройство и принцип действия

В биполярном транзисторе используются два типа носителей заряда — электроны и дырки, отчего такие транзисторы и называются биполярными. Нагрузкой каскада является эмиттерный резистор R2, входной сигнал подается через конденсатор C1, а выходной снимается через конденсатор C2. Сопротивление нагрузки можно изменять в широких пределах, правда, при этом особо усердствовать не надо. Коэффициент усиления транзистора зависит от толщины базы, поэтому изменить его нельзя.

Иногда она применяется для ослабления влияния нагрузки на характеристики высокочастотных генераторов и синтезаторов частоты. Все эти схемы показаны на рисунке 2. Поэтому при построении схем усилителей постоянного тока используют схемы с непосредственными связями между каскадами.
Ключевой режим работы транзистора Схема с общим эмиттером

Теория биполярного переходного транзистора

»Электроника

Теория работы биполярного переходного транзистора, BJT, включает в себя множество элементов. Мы стремились его упростить, но даем правильное резюме.


Transistor Tutorial:
Основы транзисторов Усиление: Hfe, hfe и бета Характеристики транзистора Коды нумерации транзисторов и диодов Выбор транзисторов на замену


Есть несколько различных элементов, которые определяют теорию и понимание того, как работает биполярный транзистор, BJT.

Понимая принцип работы биполярного переходного транзистора, можно лучше использовать его в схемотехнике, понимая его режим работы, ограничения и преимущества.

Хотя некоторые математические аспекты могут быть сложными, нет необходимости охватить все это, чтобы получить хорошее представление о том, как работает и работает биполярный транзистор.

Принцип работы транзистора

Биполярный транзистор может работать в одном из четырех различных режимов в зависимости от уровней смещения на двух диодах транзистора.

Из четырех режимов наиболее важным является активный или нормальный режим, при котором эмиттерный базовый переход смещен в прямом направлении, а коллекторный базовый переход - в обратном направлении. Именно в этом режиме работы транзистор способен обеспечивать усиление по току.

Режимы работы биполярного транзистора
Режим работы Базовый переход эмиттера Коллектор цокольный переход
Активный / нормальный Вперед Реверс
Отсечка Реверс Реверс
Насыщенность Вперед Вперед
Обратный Реверс Вперед

Теория транзисторов и диаграмма энергетических зон

Диаграмма энергетических зон раскрывает важный аспект теории работы транзисторов.

Диаграмма энергетического диапазона транзистора для нормального рабочего режима

На диаграмме показаны некоторые основные составляющие тока. Прямой ток эмиттерного базового перехода состоит из диффузионного тока электронов и дырок I nE и I p , а также рекомбинационных токов в области обеднения I rD и в базе I rB .

Области транзистора - в активном режиме работы

Можно рассчитать компоненты тока, если предположить, что уровни легирования однородны.

InE = q A Dn ni 2NA xB exp (q Vbe kT)

Ip = q A Dp ni 2NDE xE exp (q Vbe kT)

Где:
N DE = концентрация донора в эмиттере
x B = нейтральная база
x E = нейтральный эмиттер
I nE = стандартный ток диффузии pn-перехода
I p = диффузионный ток стандартного перехода

Важные параметры теории транзисторов

Некоторые из важных уравнений теории транзисторов приведены ниже:

Эффективность впрыска эмиттера:

γ = InEIE

Базовый транспортный коэффициент:

α = InCInE

Другие электронные компоненты:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор FET Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты».. .

Режимы работы БЮТ

BJT операция режимы

Транзистор может работать в трех режимах:

  • Режим отключения
  • Насыщенность режим
  • Активный режим

дюйм чтобы транзистор работал в одной из этих областей, у нас есть для подачи постоянного напряжения на npn или pnp транзистор.На основе полярность приложенного постоянного напряжения, транзистор работает в любом из этих регионов.

Применение постоянное напряжение на транзисторе есть не что иное, как смещение транзистор.

Режим отсечки

В режим отсечки, оба перехода транзистора (эмиттер к базе и коллектор к базе) обратные предвзято.Другими словами, если предположить, что два p-n соединения как два p-n переходные диоды, оба диода имеют обратное смещение в режим отсечки. Мы знаем, что в условиях обратного смещения ток протекает через устройство. Следовательно, ток не течет через транзистор. Следовательно, транзистор выключен. состояние и действует как открытый переключатель.

режим отсечки транзистора используется в режиме переключения для выключения приложения.

Насыщенность режим

В режим насыщения, оба перехода транзистора (эмиттер к базе и коллектор к базе) вперед предвзято. Другими словами, если мы предположим два p-n перехода как два диода с p-n переходом, оба диода смещены в прямом направлении в режиме насыщения. Мы знаем, что в условиях прямого смещения ток протекает через устройство.Следовательно, электрический ток протекает через транзистор.

В насыщение режим, бесплатно потоки электронов (носителей заряда) от эмиттера к базе а также от коллектора к базе. В результате огромное течение потечет к базе транзистора.

Следовательно, то транзистор в режиме насыщения будет во включенном состоянии и будет работать как замкнутый переключатель.

насыщение режим транзистора используется в режиме переключения для включить приложение.

От приведенное выше обсуждение, мы можем сказать, что, управляя транзистор в области насыщения и отсечки, мы можем использовать транзистор как переключатель ВКЛ / ВЫКЛ.

Активный режим

В активный режим, один переход (эмиттер к базе) вперед смещен и другой переход (коллектор к базе) обратный предвзято.Другими словами, если мы примем два p-n перехода как два p-n-переходные диоды, один диод будет смещен в прямом направлении и другой диод будет иметь обратное смещение.

активный режим работы используется для усиления текущий.

От Из приведенного выше обсуждения можно сказать, что транзистор работает как переключатель ВКЛ / ВЫКЛ в режимах насыщения и отсечки, тогда как он работает как усилитель тока в активном режиме.


Биполярный транзистор NPN с использованием усовершенствованных уравнений Эберса-Молла

Биполярный транзистор NPN с использованием расширенных уравнений Эберса-Молла

Описание

Блок биполярных транзисторов NPN использует вариант Уравнения Эберса-Молла для представления биполярного транзистора NPN.Уравнения Эберса-Молла основаны на двух экспоненциальных диодах и двух источниках тока с регулируемым током. NPN Блок биполярных транзисторов обеспечивает следующие усовершенствования этой модели:

  • Раннее влияние напряжения

  • Дополнительные сопротивления базы, коллектора и эмиттера.

  • Дополнительные фиксированные емкости база-эмиттер и база-коллектор.

Коллекторный и базовый токи:

Где:

  • I B и I C базовый и коллекторный токи, определяемые как положительные в устройстве.

  • IS - ток насыщения.

  • В BE - напряжение база-эмиттер и V BC база-коллектор вольтаж.

  • β F идеальный максимальный форвард коэффициент усиления по току BF

  • β R - идеальный максимальный реверс коэффициент усиления по току BR

  • В A - прямое раннее напряжение VAF

  • q - элементарный заряд электрона (1.602176e – 19 Кулоны).

  • k - постоянная Больцмана (1,3806503e – 23 Дж / K).

  • T m1 транзистор температура, как определено в Температура измерения значение параметра.

Вы можете указать поведение транзистора, используя параметры таблицы данных, которые использует блок для расчета параметров этих уравнений, или вы можете указать уравнение параметры напрямую.

Если q V BC / ( к т м1 )> 40 или q V BE / ( к т м1 )> 40 соответствующие экспоненциальные члены в уравнениях заменяются с ( q V BC / ( к т м1 ) - 39) e 40 и ( q V BE / ( к т м1 ) - 39) e 40 соответственно.Это помогает предотвратить числовые проблемы, связанные с крутой градиент экспоненциальной функции e x при больших значениях x . Аналогично, если q V BC / ( к т м1 ) < –39 или q V BE / ( к т м1 ) < –39, то соответствующие экспоненциальные члены в уравнениях заменяются с ( q V BC / ( к т м1 ) + 40) e –39 и ( q V BE / ( к т м1 ) + 40) e –39 соответственно.

Дополнительно вы можете указать фиксированные емкости между базой-эмиттером и переходы база-коллектор. У вас также есть возможность указать базу, сборщик и сопротивления подключения эмиттера.

Моделирование температурной зависимости

По умолчанию зависимость от температуры не моделируется, и устройство моделируется при температуре, для которой вы указываете параметры блока. Вы может дополнительно включать моделирование зависимости статического поведения транзистора от температура во время моделирования.Температурная зависимость емкостей перехода не моделируется, это гораздо меньший эффект.

При включении температурной зависимости определяющие уравнения транзистора остаются тот же самый. Значение температуры измерения, T m1 , заменено симуляцией температура, Т с . Ток насыщения, IS , а прямое и обратное усиление ( β F и β R ) становятся функцией температура в соответствии со следующими уравнениями:

где:

  • T м1 - температура при параметры транзистора указаны, как определено Температура измерения значение параметра.

  • T s - это моделирование температура.

  • IS Tm1 - насыщенность ток при температуре измерения.

  • IS Ts - насыщенность ток при температуре моделирования. Это ток насыщения значение, используемое в уравнениях биполярного транзистора, когда температура моделируется зависимость.

  • β Fm1 и β Rm1 - форвард и обратное усиление при температуре измерения.

  • β Fs и β Rs нападающий и обратное усиление при температуре моделирования. Это ценности используется в уравнениях биполярного транзистора, когда температурная зависимость смоделирован.

  • EG - запрещенная зона для полупроводникового типа. измеряется в Джоулях. Значение для кремния обычно принимается равным 1,11. эВ, где 1 эВ составляет 1,602e-19 Джоулей.

  • XTI - показатель степени текущей температуры насыщения.

  • XTB - температура прямого и обратного усиления коэффициент.

  • k - постоянная Больцмана (1.3806503e – 23 Дж / К).

Соответствующие значения для XTI и EG зависят от тип транзистора и используемый полупроводниковый материал. На практике значения из XTI , EG и XTB необходимо настройка для моделирования точного поведения конкретного транзистора. Некоторые производители укажите эти настроенные значения в списке соединений SPICE, и вы сможете прочитать соответствующие значения.В противном случае вы можете определить значения для XTI , EG и XTB с использованием определенного в таблице данных данные при более высокой температуре T м2 . В Блок предоставляет для этого возможность параметризации таблицы.

Вы также можете настроить значения XTI , EG и XTB самостоятельно, чтобы сопоставить лабораторные данные для вашего конкретного устройства. Вы можете использовать Simulink ® Программное обеспечение Design Optimization ™, помогающее настроить значения.

Тепловой порт

Блок имеет дополнительный тепловой порт, по умолчанию скрытый. Чтобы выставить термопорт, щелкните правой кнопкой мыши блок в вашей модели, а затем в контекстном меню выберите >> . Это действие отображает тепловой порт H на значке блока и открывает Thermal Параметры порта .

Используйте термопорт для моделирования воздействия выделяемого тепла и температуры устройства. За дополнительные сведения об использовании тепловых портов и о тепловом порте параметры см. «Моделирование тепловых эффектов в полупроводниках».

Допущения и ограничения

  • Блок не учитывает температурно-зависимые эффекты на стыке емкости.

  • Может потребоваться использовать ненулевые значения омического сопротивления и емкости перехода. для предотвращения проблем с численным моделированием, но моделирование может выполняться быстрее с эти значения установлены на ноль.

Порты

интегральная схема | Типы, использование и функции

Интегральная схема (ИС) , также называемая микроэлектронной схемой , микросхемой или микросхемой , сборка электронных компонентов, выполненная как единый блок, в котором миниатюрные активные устройства (например,ж., транзисторы и диоды) и пассивные устройства (например, конденсаторы и резисторы) и их межсоединения построены на тонкой подложке из полупроводникового материала (обычно кремния). Таким образом, полученная схема представляет собой небольшую монолитную «микросхему», размер которой может составлять всего несколько квадратных сантиметров или всего несколько квадратных миллиметров. Отдельные компоненты схемы обычно имеют микроскопические размеры.

интегральная схема

Типичная интегральная схема, изображенная на ногте.

Charles Falco / Photo Researchers

Интегральные схемы возникли в результате изобретения транзистора в 1947 году Уильямом Б.Шокли и его команда из Bell Laboratories американской телефонной и телеграфной компании. Команда Шокли (включая Джона Бардина и Уолтера Х. Браттейна) обнаружила, что при определенных обстоятельствах электроны будут формировать барьер на поверхности определенных кристаллов, и они научились управлять потоком электричества через кристалл, манипулируя этим барьером. Управление потоком электронов через кристалл позволило команде создать устройство, которое могло бы выполнять определенные электрические операции, такие как усиление сигнала, которые ранее выполнялись с помощью электронных ламп.Они назвали это устройство транзистором, от комбинации слов transfer и resistor . Изучение методов создания электронных устройств с использованием твердых материалов стало известно как твердотельная электроника. Твердотельные устройства оказались намного прочнее, с ними проще работать, они надежнее, меньше по размеру и дешевле, чем электронные лампы. Используя те же принципы и материалы, инженеры вскоре научились создавать другие электрические компоненты, такие как резисторы и конденсаторы.Теперь, когда электрические устройства можно было сделать такими маленькими, самой большой частью цепи была неудобная проводка между устройствами.

транзистор

Первый транзистор, изобретенный американскими физиками Джоном Бардином, Уолтером Х. Браттейном и Уильямом Б. Шокли.

© Windell Oskay, www.evilmadscientist.com (CC BY 2.0)

В 1958 году Джек Килби из Texas Instruments, Inc. и Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor Corporation независимо друг от друга придумали способ дальнейшего уменьшения размера схемы.Они прокладывали очень тонкие дорожки из металла (обычно алюминия или меди) непосредственно на том же куске материала, что и их устройства. Эти маленькие дорожки действовали как провода. С помощью этой техники вся схема может быть «интегрирована» на едином куске твердого материала и таким образом создана интегральная схема (ИС). ИС могут содержать сотни тысяч отдельных транзисторов на едином куске материала размером с горошину. Работать с таким количеством электронных ламп было бы нереально неудобно и дорого. Изобретение интегральной схемы сделало возможными технологии информационного века.В настоящее время ИС широко используются во всех сферах жизни, от автомобилей до тостеров и аттракционов.

Базовые типы ИС

Аналоговые или линейные схемы обычно используют только несколько компонентов и, таким образом, являются одними из самых простых типов ИС. Как правило, аналоговые схемы подключаются к устройствам, которые собирают сигналы из окружающей среды или отправляют сигналы обратно в окружающую среду. Например, микрофон преобразует колеблющиеся вокальные звуки в электрический сигнал переменного напряжения. Затем аналоговая схема модифицирует сигнал некоторым полезным способом - например, усиливает его или фильтрует нежелательный шум.Такой сигнал затем может быть возвращен в громкоговоритель, который будет воспроизводить тона, первоначально уловленные микрофоном. Другое типичное использование аналоговой схемы - управление каким-либо устройством в ответ на постоянные изменения в окружающей среде. Например, датчик температуры посылает изменяющийся сигнал на термостат, который можно запрограммировать на включение и выключение кондиционера, обогревателя или духовки, как только сигнал достигнет определенного значения.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.Подпишитесь сейчас

Цифровая схема, с другой стороны, рассчитана на то, чтобы принимать только напряжения определенных заданных значений. Схема, которая использует только два состояния, называется двоичной схемой. При проектировании схемы с двоичными величинами «включено» и «выключено», представляющими 1 и 0 (то есть истина и ложь), используется логика булевой алгебры. (Арифметика также выполняется в двоичной системе счисления с использованием булевой алгебры.) Эти базовые элементы объединены в конструкции ИС для цифровых компьютеров и связанных устройств для выполнения желаемых функций.

логическая схема

Различные комбинации логических схем.

Encyclopædia Britannica, Inc.

bipolar transistor switch - англо-французский словарь

en Устройство двунаправленного биполярного транзисторного переключателя

патент-wipo от Le professeur Ronald Watts en traite dans son ouvrage # Сравнение s

en [0035] Высокоскоростной перекрестный переключатель построен на предпочтительно кремниевой подложке и использует переключающие элементы на биполярных транзисторах.

Patents-WIPO FR Проведенные производственные операции по внедрению или добавлению новых мобильных продуктов на марше для производства продуктов питания на четырехугольниках для выполнения работ по переходу на план . переключатель для использования в телекоммуникационном оборудовании на стороне клиента, подключенном к телефонной линии, полярность питания которой может быть как положительной, так и отрицательной, для переключения сигналов переменного тока низкого уровня.

патент-wipo от Dommage qu 'on ait été interrompus

en Предпочтительно, схемы защиты включают триггер положительного порогового напряжения, используемый для срабатывания переключателя, причем триггер включает в себя цепочку диодов, последовательно соединенных с резистором, а переключатель включает биполярный транзисторный переключатель, включенный последовательно с одним обратным диодом.

патентов-wipo от телевизионных камер для фейбл niveau lumineux spécialement conçues or modifiées для

и биполярный транзистор с ограничением по напряжению для приложений переключения питания

патентов-wipo от Le réduire 'lecomitére de comitére' objectifs afin de rendre la stratégie plus compréhensible et mieux ciblée

en Изобретение относится к способу раннего обнаружения системных отказов полупроводниковых переключающих элементов (2), в особенности полупроводниковых переключающих элементов IGBT (изолированный биполярный транзистор), которые контактируют места соединения (1) с помощью электрических линий (13).

патентов-wipo fr Mon destin s 'Vicit?

en Двухконтактный привод биполярного переходного транзистора (bjt) для переключения режима работы светодиодной лампы

Patents-Wipo FR DIRECTIVE DU CONSEIL du # juin # modifiant la directive # / CEE Руководство по ограничению и оценке параметров атмосферы

и Полупроводниковые переключатели, биполярные и полевые полупроводниковые переключатели, диоды, тиристоры, транзисторы

TMClass от ° à l'alinéa #à # ° «sont remplacés par les termes» à # °

en Биполярный транзистор имеет высокую скорость переключения и низкое напряжение в открытом состоянии благодаря оптимизации структуры транзистора.

патент-wipo от Nom de l'administration ...

ru Схема накачки заряда (202) содержит первое биполярное транзисторное устройство (288) и второе биполярное переключающее устройство (286), расположенные в конфигурации дифференциальной пары .

Patents-WIPO fr Au Cours du Second Semestre de #, la communauté scientifique sera поощрении à участника в un atelier consacré à l'expérience internationale relative aux gaz rares dans le cadre duquel les idéestifé la communauté lesciens le cadre duquel les idéestifé la communauté lesciens sumblées et débattues

en Компенсация периода времени обратного восстановления биполярного переходного транзистора (bjt) в режиме переключения светодиодной лампы

патент-wipo fr Vous ne l 'avez pas empêchée de crier en l 'étranglant jusqu' à ce qu 'elle meurt?

en В предпочтительном варианте осуществления средства переключения содержат биполярные транзисторы, снабженные схемами защиты от насыщения (AS1, AS2).

Patents-wipo fr Les services de santé ont également étéexclus du champ de la directive, alors qu'il y a peine un mois, la Commission a présenté un plan ambitieux en rapport avec la mobilité des пациентов.

и Например, для предотвращения утечки тока могут использоваться биполярные транзисторы PNP (482, 510) и дополнительные переключатели MOSFET.

патент-wipo от Lui ... lui et Eirene, ils étaient

en Изобретение относится к преобразователю постоянного тока в постоянный, содержащему блок преобразователя постоянного тока в постоянный (DCW), первый полевой транзистор (FET1) для преобразователь напряжения, биполярный транзистор (BP1) в качестве вспомогательного средства для запуска и второй полевой транзистор (FET2) для отключения биполярного транзистора (BP1).

патент-wipo fr

Реализация на уровне транзисторов комбинационных логических схем КМОП

Реализация на уровне транзисторов комбинационных логических схем КМОП Технологический интерфейс / пружина 97


Джефф Бисли
[email protected]
Департамент инженерных технологий
Государственный университет Нью-Мексико

и
Уильям Хадсон
[email protected]
Кафедра электротехники и вычислительной техники
Университет штата Канзас

Аннотация: В данной статье представлена методика создания комбинационных схем КМОП с использованием дискретных МОП-транзисторы.В Представленный материал подходит для использования во вводном курсе схем. НМО и ПМО транзисторы аппроксимируются идеальными переключателями. Включено в этот документ являются примерами нескольких логических схем КМОП, реализованных на уровне транзисторов, а также Методика проектирования КМОП схем комбинационной логики. Примеры также предоставленные, которые показывают, как можно моделировать логические схемы на уровне SPICE, включая типовые параметры модели изготовления. В конце статьи обсуждается использование CD4007 Пакет транзисторов CMOS для реализации логических схем CMOS.

I. Введение

Дополнительные металлооксидные полупроводники (CMOS) логические устройства являются наиболее распространенными устройствами, используемыми сегодня в большом количестве схемы подсчета транзисторов встречаются во всем, от сложных микропроцессорных интегральных схем до схемы обработки сигналов и связи. Структура CMOS популярна из-за ее присущие более низкие требования к мощности, высокая рабочая тактовая частота и простота реализации на транзисторный уровень. Студенты вводных курсов по электронным схемам могут получить представление о работа этих КМОП-устройств с помощью нескольких упражнений по построению простых КМОП-устройств. схемы комбинационной логики, такие как логические элементы И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-ИЛИ и ИНВЕРТОРЫ.Эти схемы создаются с использованием как p, так и n-канальных металл-оксидных полупроводниковых полевых транзисторов (MOSFET) соединены в дополнительных конфигурациях.

Дополнительные p-канальные и n-канальные транзисторные схемы используются для подключения выхода логического устройства к В DD или В SS шины питания для заданного логического состояния входа. В упрощенном виде МОП-транзистор транзисторы можно рассматривать как простые переключатели.Этого достаточно для введения в простые КМОП-схемы, в которых скорости переключения, задержки распространения, возможности возбуждения, а также нарастание и спад времена мало волнуют.

II. МОП-транзистор

Схематично MOSFET транзисторы обычно идентифицируются с использованием трех возможных схематических символов. Эти символы показаны на рис. 1 как для n-канала (nmos), так и для p-канальные (pmos) устройства.

Рис.1 Условные обозначения для полевого МОП-транзистора

Условные обозначения полевого МОП-транзистора, показанные на рис.1 (а) покажите соединения стока (D), затвора (G), истока (S) и большого объема (B) для транзистора. Масса, также называемый объемной подложкой или подложкой, показан на этом схематическом обозначении без соединения, но должны быть правильно подключены до подачи питания.

MOSFET Правило № 1 - Большая часть соединения для полевых МОП-транзисторов обычно подключаются к шине питания. Объемные соединения P-канала обычно привязаны к рейке V DD и n-канальные объемные соединения обычно привязаны к рейке V SS .

МОП-транзистор схематические символы, показанные на рис. 1 (b), показывают символы для p- и n-канального MOSFET транзисторы при закороченном соединении источник-основная часть ( V SB = 0,0 V ). Эти символы чаще всего используются при документировании аналоговых схем CMOS.

Условные обозначения схемы MOSFET, показанные на На рис. 1 (c) показаны схематические символы для p- и n-канальных MOSFET-транзисторов. В этом случае то соединение объем-субстрат не указано.Также обратите внимание, что ворота для p- и n-каналов устройства различаются. Устройство с p-каналом обозначено «пузырем» на входе затвора. В n-канальном устройстве нет «пузыря». Наличие или отсутствие "пузырь" на входе затвора используется для обозначения того, какой логический уровень используется для включения транзистор. Наличие «пузыря» на р-канальном устройстве указывает, что это устройство должно иметь низкий логический уровень, приложенный к входу затвора, чтобы включить транзистор, а отсутствие «пузыря» на n-канальном устройстве указывает на то, что это Для включения устройства на входе должен быть высокий логический уровень.Эти схематические символы чаще всего используются при документировании логических схем CMOS. Наливной субстрат соединения почти всегда подключаются к шинам электропитания с использованием правила №1 MOSFET.

MOSFET-транзистор имеет три основных области (режимы) работы: область отсечки , насыщенность и область ненасыщенности . в ненасыщенная (или триодная) область, падение напряжения на выводах сток-исток приближается ноль вольт, когда величина падения напряжения на клеммах затвор-исток приближается В DD - V SS .Например, в системе на 5 вольт сток-исток напряжение приближается к нулю вольт как величина затвор-исток падение напряжения приближается к 5 вольт. В области отсечки ток сток-исток I DS , приближается к нулю ампер (т.е. сток-исток сопротивление приближается к бесконечности - обрыв цепи). Следовательно, клеммы стока и истока MOSFET-транзистор можно рассматривать как идеальный переключатель, чередующийся между выключением (отсечкой) и включением. (ненасыщенные) режимы работы.Однако есть ограничение на использование полевого МОП-транзистора. транзисторы как идеальные переключатели:

MOSFET Правило № 2 - Для правильного работа в качестве идеального переключателя, p-канальный MOSFET-транзистор или сеть должна быть подключена к шина самого положительного напряжения, в то время как n-канальный MOSFET-транзистор или сеть должны быть подключен к самой отрицательной шине напряжения.

III. В И / ИЛИ и структура инвертора

Создание «И» и «ИЛИ» структуры, использующие MOSFET-транзисторы, легко достигаются путем размещения nmos и pmos транзисторы включены последовательно (И) или параллельно (ИЛИ), как показано на рис.2 и 3. Показано на рис. 2 (а) и (б) - два последовательно соединенных МОП-транзистора. Особый путь тока в обоих структуры определяют операцию «И». На рис. 3 (а) и (б) показаны два МОП-транзистор транзисторы соединены параллельно. Параллельные пути тока представляют собой «ИЛИ» структура.

Рис. 2 (а) Структура НМО «И» (б) pmos "И" структура

Рис. 3 (а) НМО «ИЛИ» структура (b) pmos "OR" структура

На рисунке 4 показана структура НМО «И». с источником M1, подключенным к земле (Правило № 2 MOSFET).Переключатель nmos включается, когда на вход затвора подается высокий логический уровень. Логическое выражение для схемы показанное на рис.4 означает, что выход F низкий, если A и B высокие. Это называется аналогичной структурой. Если входы затвора A и B имеют высокий логический уровень, то выходной узел структуры «И» будет подключен к земле (низкий логический уровень). Если на любом из входов A или B низкий логический уровень, то пути на землю не будет, поскольку оба полевых МОП-транзистора транзисторы не будут включены. В КМОП-технологии используется дополнительная транзисторная структура. требуется для подключения выходного узла к противоположной шине питания.Получено выражение и конфигурация транзистора для дополнительной структуры применяя теорему ДеМоргана. Метод создания полной структуры транзистора CMOS описывается в части IV.

Рис. 4 Реализация структуры транзистора нмос выражение F = (A B) -L

Для создания CMOS-инвертора требуется только один PMOS и один НМО транзистор. Транзистор nmos обеспечивает соединение переключателя с землей, когда вход имеет высокий логический уровень, в то время как устройство pmos обеспечивает соединение с V DD шина питания, когда на входе схемы инвертора низкий логический уровень.Это соответствует правилу № 2 полевого МОП-транзистора. Конфигурация транзистора для КМОП-инвертора показан на рис.5.

Рис. 5 Вид транзистора КМОП инвертора

    IV. Методика проектирования для создания комбинационных логических схем КМОП

Следующий процесс проектирования [1] предоставляет метод для получения оптимальной структуры комбинационного транзистора CMOS с учетом функциональное (булево) выражение. Метод основан на использовании концепций смешанной логики.В входные переменные должны иметь назначенный уровень утверждения (например, Assert Low или Assert High).

В конструкции КМОП, два транзистора структуры (один pmos и один nmos) необходимы для реализации функционального выражения. В логических системах аналогичное выражение определяет, что требуется для генерации требуемого выходного уровня утверждения. Дополнительное выражение, полученное применением теоремы ДеМоргана к функциональному выражению, определяет дополнительная структура. Эти два выражения, аналогичное и дополнительное, суть затем использовался для создания транзисторной сети для схемы CMOS.Процедура проектирования описывается следующим образом в пять шагов.

1. Определите "наиболее распространенный" ввод уровень путем проверки уровней входных утверждений. Для этого требуется, чтобы входное утверждение уровни должны быть определены. Входная переменная, содержащая конфликт, рассматривается как имеющая противоположный уровень утверждения. "Самый распространенный" входной уровень будет либо «Низкий» или "Высоко". Это определяется путем подсчета количества заявленных высоких или низких значений. входные данные после корректировки на конфликтующие входные данные.

2. «Самый распространенный» входной уровень используется для определения типа транзисторы, использованные для реализации аналогичной структуры

Транзисторы PMOS
Наиболее частый входной уровень Аналогичная структура
LOW используются для создания аналогичная структура
HIGH NMOS-транзисторы используются для создания аналогичная структура

3.Если нет «самого распространенного» входной уровень, затем выберите входной уровень, чтобы быть противоположным уровень требуемого уровня утверждения вывода.

4. (a) Создайте аналогичный транзистор. структура непосредственно из функционального логического выражения. Для создания структуры используйте тип транзистора, указанный в части 2.

4. (b) Дополнительная структура создается применяя теорему ДеМоргана к аналогичному выражению. Тип транзистора противоположен используемому в части 4 (а).

5. Соберите аналогичный и дополнительный структуры для создания полной эквивалентной схемы CMOS. В некоторых случаях к выходу схемы необходимо добавить инвертор. для корректировки уровня утверждения вывода.

Пример 1:

Дано. Оба входа A и B настроены на утверждение High, в то время как выход определяется, чтобы утверждать низкий. Это выражение читает , выходной сигнал устанавливается как низкий, когда оба входа A и B заявлены. [Шаг 1] Определите наиболее распространенный ввод уровень.Входы A и B подтверждают высокий уровень, и ни один из входов не имеет конфликта, поэтому "наиболее общий "входной уровень высокий. [Шаг 2] NMOS-транзисторы должны использоваться для создания аналогичная структура. Обратите внимание, что это структура типа «И». НМО транзисторы подключены к земле последовательно, как показано на рис. 6 (а). [Шаг 4] Применение Теорема ДеМоргана о функциональном выражении дает. В этом случае PMOS-транзисторы используются для создания дополнительной структуры. ПМО дополнительная схема представляет собой структуру «ИЛИ» с PMOS-транзисторами, обеспечивающими подключение переключателя к V DD .рельс. Показана дополнительная структура на рис. 6 (б). [Шаг 5] Завершенная схема КМОП показана на рис. 7. Выходное утверждение уровень (низкий) правильный.

Рис.6 Аналогичные (а) и (б) дополнительные структуры для примера 1

Рис.7 Полная схема транзистора для реализации выражения .

Пример 2:

Дано:. Входы A и B определены для утверждения высокий и выход определяется утверждать высокое. Это выражение читает , выходной сигнал принимает высокий уровень, когда оба входа Утверждены A и B. [Шаг 1] Определите наиболее распространенный входной уровень. Входы A и B оба подтверждают высокий уровень, и ни один из входных данных не имеет конфликта, поэтому "наиболее общий "входной уровень высокий. [Шаг 2] NMOS-транзисторы должны использоваться для создания аналогичная структура. Обратите внимание, что это структура типа «И». НМО транзисторы соединены последовательно с землей, как показано на рис. 8 (а). [Шаг 4] Применение Теорема ДеМоргана о функциональном выражении дает. В этом случае PMOS-транзисторы используются для создания дополнительной структуры.ПМО дополнительная схема представляет собой структуру «ИЛИ» с PMOS-транзисторами, обеспечивающими подключение переключателя к V DD . рельс. Показана дополнительная структура на рис. 8 (б). [Шаг 5] Уровень утверждения выхода должен быть скорректирован путем добавления инвертора к вывод. Готовая КМОП-схема показана на рис.9.

Рис.8 Аналогичные (а) и (б) дополнительные структуры для примера 2

Рис.9 Полная схема транзистора для реализации выражения

Процедуры и результаты создания транзистора Эквивалентные схемы в Примере 1 и Примере 2 такие же, за исключением того, что схема в Примере 2 требовалось размещение инвертора на выходе для корректировки уровня утверждения соответствовать дизайнерским спецификациям.Логика Схема, созданная в Примере 1, обычно называется логическим элементом И-НЕ с положительной логикой. Логическая схема созданный в примере 2, обычно называется логическим логическим элементом И. Эта процедура может быть легко применяется для создания вентилей NOR, OR, XOR, XNOR

Пример 3:

Дано: . Входы A и C определены для подтверждения высокого уровня, а вход B определен утверждать низко. Выход определен как высокий. Это выражение гласит: the выходной сигнал принимает высокий уровень, когда входы A "ИЛИ" B подтверждены И C не утверждал. [Шаг 1] Определите наиболее распространенный входной уровень. Входы A и C оба утверждать высокое. Вход C является конфликтным, поэтому с целью определения наиболее распространенных входной уровень, C рассматривается как низкий входной уровень. Вход B определяется как низкий и не содержит конфликта, поэтому «самый распространенный» входной уровень - НИЗКИЙ. [Шаг 2] PMOS-транзисторы должны использоваться для создайте аналогичную структуру. Обратите внимание, что аналогичная структура содержит как Структура «И» и «ИЛИ». PMOS-транзисторы подключены к V DD рейка, как показано на рис.10 (а). Вход A определяется как высокий и устройство pmos требует заявленного низкого входного сигнала, поэтому уровень утверждения A изменяется до минимума, чтобы избежать конфликта. Это соответствует методам смешанной логики [2] [Шаг 4] Применение теоремы ДеМоргана к функциональному выражению дает. В этом случае для создания дополнительных структура. Дополнительная схема nmos содержит как «И», так и Структура «ИЛИ» с транзисторами нмос, обеспечивающая подключение переключателя к наземный рельс.Дополнительная структура показана на рис. 10 (б). [Шаг 5] Вывод Уровень утверждения будет высоким, когда будут соблюдены требуемые уровни утверждения ввода. Инвертор на вывод не требуется. Готовая КМОП-схема показана на рис.11.

Рис.10 (а) Аналог и (б) Дополнительная структура

Рис.11 Полная схема транзистора для реализации выражения

V. SPICE-моделирование КМОП-логики цепь

Логические схемы КМОП, описанные в части IV, могут быть смоделировано с помощью SPICE.Точная переходная характеристика (время нарастания / спада, задержку распространения и т. д.) схемы можно смоделировать путем включения соответствующих параметры модели изготовления. Параметры изготовления MOSIS [3] использовались в моделирование. Важно отметить, что моделирование SPICE является аналоговым моделированием. Можно наблюдать за поведением транзисторных цепей на протяжении всего перехода. Пока это дает точную картину аналогового поведения схемы, это не очень быстро или практично для схем с большим количеством транзисторов.

Будут обсуждаться две модели SPICE в этой секции. Для получения справки по любой из команд SPICE обратитесь к SPICE: Руководство к моделированию и анализу схем с использованием PSPICE Tuinenga [4]. В первая симуляция SPICE будет для инвертора CMOS. Вторая симуляция SPICE будет продемонстрировать работу схемы "И-НЕ", созданной в примере 1 в части IV. Кусочно-линейная аппроксимация используется для моделирования рампы на входе в преобразователь CMOS с использованием опции SPICE PWL.Этот позволяет легко наблюдать точки переключения устройства (рис. 12) и позволяет наблюдать поведения переходного тока, как показано на рис.13.

A SPICE Моделирование КМОП-инвертора.

 

* КМОП-преобразователь с длиной канала 2 микрона * * Д Г С Б MP1 5 1 3 3 CMOSP W = 28.0U L = 2.0U AS = 252P AD = 252P MN1 5 1 0 0 CMOSN W = 10.0U L = 2.0U AS = 90P AD = 90P VIN 1 0 PWL (0 0 100n 5.0 200n 0) VDD 3 0 постоянного тока 5,0 * * Ниже приведены параметры изготовления. * из сервиса MOSIS..MODEL CMOSN NMOS LEVEL = 2 LD = 0,121440U TOX = 410,000E-10 + NSUB = 2.355991E + 16 VTO = 0.7 KP = 8.165352E-05 ГАММА = 1.05002 + PHI = 0,6 UO = 969,492 UEXP = 0,308914 UCRIT = 40000 + ДЕЛЬТА = 0,262772 VMAX = 71977,5 XJ = 0,300000U LAMBDA = 3,937849E-02 + NFS = 1.000000E + 12 NEFF = 1.001 NSS = 0 TPG = 1.000000 + RSH = 33,2

CGDO = 1,022762E-10 CGSO = 1,022762E-10 + CGBO = 5.053170E-11 CJ = 1.368000E-04 + MJ = 0,492500 CJSW = 5,222000E-10 MJSW = 0,235800 PB = 0,4

* Weff = Wdrawn - Delta_W * Предлагаемое значение Delta_W составляет 0,06 мкм. * .MODEL CMOSP PMOS LEVEL = 2 LD = 0.180003U ТОКС = 410,000E-10 + NSUB = 1.000000E + 16 VTO = -0.821429 KP = 2.83164E-05 ГАММА = 0,684084 + PHI = 0,6 UO = 336,208 UEXP = 0,351755 UCRIT = 30000 + ДЕЛЬТА = 1,000000E-06 VMAX = 94306,1 XJ = 0,300000U + ЛЯМБДА = 4.861781E-02 + NFS = 2,248211E + 12 NEFF = 1,001 NSS = 1,000000E + 12 TPG = -1,000000 + RSH = 119,500003 CGDO = 1,515977E-10 CGSO = 1,515977E-10 + CGBO = 2,273927E-10 CJ = 2,517000E-04 МДж = 0,528100 + CJSW = 3.378000E-10 + MJSW = 0,246600 ПБ = 0,480000 * Weff = Wdrawn - Delta_W * Предлагаемое значение Delta_W составляет 0,27 мкм. * .ПЛОТ ТРАН V (3) V (2) V (1) .TRAN .1n 250n .PROBE .КОНЕЦ

Рис.12. Моделирование SPICE коммутации CMOS инвертора.

Рис. 13. Моделирование SPICE Переходные текущие характеристики преобразователя CMOS.

Моделирование SPICE CMOS NAND Gate:

* Шлюз CMOS NAND с использованием канала длиной 2 микрона
*
* Д Г С Б
MP1 4 1 3 3 CMOSP W = 28.0U L = 2.0U AS = 252P AD = 252P
MP2 4 2 3 3 CMOSP W = 28.0U L = 2.0U AS = 252P AD = 252P
MN1 4 1 5 0 CMOSN W = 10.0U L = 2,0U AS = 90P AD = 90P
MN2 5 2 0 0 CMOSN W = 10.0U L = 2.0U AS = 90P AD = 90P
VINA 2 0 PULSE (0 5 100 нс 5 нс 100 нс 200 нс)
ВИНБ 1 0 ИМПУЛЬС (0 5 205 нс 5 нс 5 нс 200 н 400 нс)
.TRAN .1n .5u
VDD 3 0 постоянного тока 5,0
*
*
.MODEL CMOSN NMOS LEVEL = 2 LD = 0,121440U TOX = 410,000E-10
+ NSUB = 2.355991E + 16 VTO = 0.7 KP = 8.165352E-05 ГАММА = 1.05002
+ PHI = 0,6 UO = 969,492 UEXP = 0,308914 UCRIT = 40000
+ ДЕЛЬТА = 0,262772 VMAX = 71977,5 XJ = 0,300000U LAMBDA = 3,937849E-02
+ NFS = 1.000000E + 12 NEFF = 1.001 NSS = 0 TPG = 1.000000
+ RSH = 33,2

CGDO = 1,022762E-10 CGSO = 1.022762E-10 + CGBO = 5.053170E-11 CJ = 1.368000E-04 + MJ = 0,492500 CJSW = 5,222000E-10 MJSW = 0,235800 PB = 0,4

* Weff = Wdrawn - Delta_W * Предлагаемое значение Delta_W составляет 0,06 мкм. * .MODEL CMOSP PMOS LEVEL = 2 LD = 0,180003U TOX = 410,000E-10 + NSUB = 1.000000E + 16 VTO = -0.821429 KP = 2.83164E-05 ГАММА = 0,684084 + PHI = 0,6 UO = 336,208 UEXP = 0,351755 UCRIT = 30000 + ДЕЛЬТА = 1,000000E-06 VMAX = 94306,1 XJ = 0,300000U + ЛЯМБДА = 4.861781E-02 + NFS = 2,248211E + 12 NEFF = 1,001 NSS = 1,000000E + 12 TPG = -1,000000 + RSH = 119,500003 CGDO = 1,515977E-10 CGSO = 1.515977E-10 + CGBO = 2,273927E-10 CJ = 2,517000E-04 МДж = 0,528100 + CJSW = 3.378000E-10 + MJSW = 0,246600 ПБ = 0,480000 * Weff = Wdrawn - Delta_W * Предлагаемое значение Delta_W составляет 0,27 мкм. * .ПЛОТ ТРАН V (3) V (2) V (1) .PROBE .КОНЕЦ

Рис.14 Моделирование SPICE CMOS AND Gate.

VI. Построение логической схемы КМОП с использованием корпуса транзисторной матрицы CD4007.

После разработки и проверки логической схемы с SPICE, аппаратная схема CMOS может быть создана с использованием массива транзисторов CMOS CD4007 пакет.CD4007 содержит шесть транзисторов, три PMOS и три нмOS транзистора, в том числе инверторная пара. Доступ к транзисторам осуществляется через 14-контактные клеммы DIP. Схема подключения и схематическое изображение упаковки представлено на рис. 15. Надлежащие соединения объема и подложки уже сделано в упаковке устройства.

Рис.15 Транзисторная матрица CD4007

Логический элемент И-НЕ (см. Рис. 7) может быть создан с помощью Пакет транзисторных массивов CD4007 путем выполнения соединений как показано на рис.16. Необходимые соединения показаны красным. Обратите внимание на то, что для pmos есть общие соединения ворот. и устройства nmos на входе A, контакт 6, и входе B, контакт 3. Это удобный вариант для создания CMOS Combinational. Логические схемы. Выход общий для контактов 1,5,13.

Рис.16 Реализация логического элемента CMOS NAND Использование CD4007.

VII. Заключение

В этой статье представлена ​​техника создания Логические схемы КМОП на дискретных полевых МОП-транзисторах.Техника оформления обеспечивает систематический метод проектирования и создания любых комбинационных КМОП-матриц разумного размера. схемное устройство. Этот метод предполагает, что устройства MOSFET работают как идеальные переключатели только с режим "включения" и "выключения". Для простых схем пропуск переходное поведение при переключении допустимо, если информация о рабочей скорости задержка распространения и возможность возбуждения не требуются.

Список литературы

[1] У. Хадсон, Дж.Бизли и Э. Стилман, "Разработка комбинированной схемы КМОП Метод, использующий концепции смешанной логики », IEEE Transactions on Образование , г. Vol. 38, No. 3, август 1995 г., стр. 266-273.

[2] У. Хадсон и Дж. Бизли, "Смешанный логический подход к цифровому проектированию и анализу" Технологический интерфейс , Vol. 1 № 1, осень 1996 г., http://et.nmsu.edu/~etti/fall96

[3] MOSIS, Служба внедрения металлооксидных полупроводников, USC. Институт информатики, http: // www.mosis.org/

[4] П. Туиненга, "SPICE: Руководство по моделированию и анализу схем.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *