ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 12.04.2025
Просмотров: 216
Скачиваний: 0
Uвых =Uои1 ≈0 =Uвых0 . |
(9) |
Таким образом, в любом из рассмотренных статических состояний токи стоков транзисторов равны нулю. Следовательно, и ток источника питания, и потребляемая мощность этой схемы в статическом режиме равны нулю.
Основной характеристикой, позволяющей проследить функционирование ключевого элемента является его передаточная
характеристика Uвых = f(Uвх). Эта зависимость для случая |
напряжения |
||||
питания Eп ≥Uо1 + |
Uо2 |
показана на рис. 8. Там же |
представлена |
||
зависимость тока потребления от входного напряжения Iпит(Uвх) .
Передаточную характеристику можно разбить на пять участков, соответствующих различным режимам работы транзисторов.
При малом входном сигнале (Uвх
VT2 – работает в крутой области характеристик. Напряжение на выходе
максимально |
и |
равно Uвых = Eп =Uвых1 |
|
(участок 1-2). |
|||
При |
увеличении |
входного |
|
напряжения |
до |
значения |
Uвх =U пор0 |
транзистор VT1 отпирается, и его рабочая точка попадает в пологую область характеристик, а VT2 продолжает работать в крутой области. Выходное напряжение начинает уменьшаться (участок 2-3). Ток источника постепенно увеличивается и определяется пропускной способностью
транзистора VT1 .
Рис. 8
По мере роста Uвх рабочая точка
транзистора VT2 переходит в пологую область. Дифференциальное сопротивление нагрузочного транзистора резко возрастает и, следовательно, резко увеличивается коэффициент усиления схемы Ku . Выходное напряжение быстро уменьшается (участок 3-4), а ток потребления достигает максимального значения Icм.
В конце концов, изменяется режим работы транзистора VT1 . Его рабочая точка перемещается на крутой участок характеристик, и спад выходного напряжения уменьшается (участок 4-5), а ток Iпит начинает уменьшаться, так как транзистор VT2 подзакрывается.
И, наконец, при Uвх =Uпор1 = Eп − Uои2 транзистор VT2 попадает в режим отсечки, и напряжение на выходе фиксируется на уровне Uвых0 ≈0 (участок 5-6).
Как видно (рис. 8), передаточная характеристика комплементарного ключа близка к релейной, так как коэффициент передачи Ku на участке 3-4 очень большой. Входное напряжение, соответствующее этому участку, можно назвать напряжением переключения Uпер комплементарного ключа. В
практических случаях транзисторы VT1 и VT2 имеют примерно одинаковые параметры. Поэтому Uпер ≈ Eп / 2 .
Широкий диапазон выходного напряжения и низкий уровень мощности, потребляемой от источника питания в статическом режиме, являются основными достоинствами комплементарного ключа.
Переходные процессы. Инерционность МДП-транзисторных ключей обусловлена главным образом перезарядом емкости нагрузки [1]. На рис. 9 показана эквивалентная схема ключа с резистивной нагрузкой, работающего в последовательной цепочке на аналогичные схемы. Конденсатор Сн отражает все паразитные емкости реальной схемы:
Cн =Ссп + KCзс +Спар +Свх. |
Здесь Ссп |
– |
емкость |
сток-подложка, |
|
Cзс– емкость затвор-сток, K – коэффициент, связанный с эффектом Миллера |
|||||
[1], |
увеличивающий емкость нагрузки |
в |
несколько |
(5…20) раз, |
|
Спар– |
паразитная емкость |
монтажных соединений, Свх – |
эквивалентная |
||
входная емкость последующей схемы-нагрузки. Суммарная емкость нагрузки в логических интегральных схемах равна Cн =1...5пФ.
Рис.9
Пусть в исходном состоянии Uвх = Еп, транзистор открыт и на нем
падает небольшое остаточное напряжение. При снятии входного сигнала (Uвх =0 ) ток в транзисторе мгновенно уменьшается до нуля, и емкость Cн
заряжается от источника питания Еп через резистор Rc с постоянной времени τc = RcCн (рис. 9,а). Рабочая точка транзистора перемещается по
пути А-1-2-В. Время заряда, т.е. длительность фронта выходного напряжения, определенная по уровням 0,1…0,9, составляет
t01 |
= 2,2R C |
н |
= 2,2(E |
C |
н |
/ I |
сн |
). |
(10) |
ф |
c |
п |
Отпирание ключа и формирование среза импульса напряжения протекает несколько сложнее. В этом случае рабочая точка транзистора перемещается по пути В-3-4-5-А. После подачи отпирающего сигнала Uвх = Еп ток Ic практически мгновенно достигает значения
Ic* = β(Eп −Uo )2 |
(11) |
(см. рис. 9,б). Этим током начинает разряжаться емкость Cн. По мере разряда емкости напряжение на стоке Uc уменьшается. До тех пор, пока оно остается больше напряжения насыщения Ucн, равного Еп −Uo , транзистор работает на пологом участке характеристики и ток сохраняет значение Ic* (рис. 9,в). Затем ток Ic начинает уменьшаться, стремясь в пределе к значению Icн. Это
замедляет скорость разряда. |
Для расчета времени |
спада можно |
воспользоваться следующим приближенным значением [1]: |
||
tф10 =1,5(EпCн / Ic* ) . |
(12) |
|
Можно показать, что срез положительного импульса tф10 значительно короче его фронта tф01 . В общем случае такой вывод вытекает из структуры выражений (10) и (12), которые различаются только значениями токов. Из рис. 9 ясно, что Ic* >> Iсн . Отсюда неизбежно следует, что tф10 <
Таким образом, быстродействие данного типа ключей определяется длительностью фронта tф01 . Для
уменьшения времени tф01 необходимо уменьшать сопротивление Rc , а это
приводит к росту остаточного напряжения на ключе (см. (2)). Следовательно, возможности повышения быстродействия ограничены. Общий вид переходных процессов в рассмотренной схеме показан на рис. 10.
Рис. 10
В ключе с динамической нагрузкой (рис. 5) формирование среза происходит так же, как и в ключе с резисторной нагрузкой, а время tф10
определяется формулой (12). Ток Ic* , входящий в выражение (12), является начальным током активного транзистора VT1 и равен
Ic* = βo1(Eп −Uo1)2 . |
(13) |
Формирование фронта происходит в период заряда емкости Cн через
нелинейную динамическую нагрузку. Учитывая параболический характер ВАХ (6), можно заранее ожидать, что заряд емкости будет происходить
медленнее, чем при резисторной нагрузке, а время tф01 будет больше. Поэтому в ключах с динамической нагрузкой, как и в резисторных ключах, быстродействие определяется длительностью tф01 .
Вкомплементарном ключе (рис. 7) переходные процессы
характеризуются тем, что заряд и разряд нагрузочной емкости Cн происходят примерно в одинаковых условиях. Это объясняется симметрией схемы по отношению к запирающему и отпирающему сигналу.
Заряд емкости происходит через открытый транзистор VT2 при запертом VT1. Разряд – через открытый транзистор VT1 при запертом VT2 . В том и другом случае транзистор, открывшийся после очередного переключения, сначала работает на пологом участке со сравнительно большим током Ic* .
Затем, по мере заряда или разряда емкости, напряжение сток-исток падает ниже значения Ucн, и ток начинает уменьшаться. Следовательно, механизм
обоих процессов (заряда и разряда) тот же, который был рассмотрен при анализе разряда в ключе с резисторной нагрузкой (рис. 9).
Соответственно длительности фронта и среза определяются однотипными выражениями, аналогичными (12):
t10 |
=1,5(E |
C |
/ I * |
) = |
1,5EпCн |
. |
(14,а) |
||||||
)2 |
|||||||||||||
ф |
п |
н |
c1 |
β (E |
п |
−U |
o1 |
||||||
1 |
|||||||||||||
tф01 =1,5(EпCн / Ic*2 ) = |
1,5EпCн |
. |
(14,б) |
||||
β2 |
(Eп − |
Uo2 |
)2 |
||||
В формулах (14) индексы 1 и 2 подчеркивают различие параметров n- и р-канального транзистора. Однако это различие несущественно. Поэтому длительности фронта и среза оказываются одинаковыми.
Контрольные вопросы и задачи для самостоятельной работы
1.Доказать, что сопротивление канала открытого МДП-транзистора в последовательной цепочке инверторов (рис. 2) определяется соотношением (3).
2.Определить сопротивление Rс в схеме инвертора с резистивной нагрузкой
(рис. 2), если Еп = 20В, U0 = 5В, β = 0.7мА/В2, а U0вых < 0,5В.
3.В схеме МДП-ключа с резистивной нагрузкой (рис. 2) определить выходное напряжение при а) Uвх = 3В; б) Uвх = 10В; в) Uвх = 20В. Параметры схемы и транзистора: Еп=20В, Rс=1кОм, U0=5В, β=0.7мА/В2.
4.В схеме МДП-ключа с резистивной нагрузкой (рис. 2) определить выходное напряжение U0вых и U1вых , если U0вх =0В и U1вх=9В. Параметры схемы: Епит=9В, Rс=20кОм. Параметры транзистора: U0=3В, β=650мкА/В2.
5.Покажите, что транзистор VT2 в схеме с динамической нагрузкой (рис. 5) всегда работает на пологом участке выходных вольт-амперных характеристик.
6.Докажите, что выходное напряжение логического нуля для схемы с динамической нагрузкой (рис. 5) определяется соотношением (7).
7.Докажите, что для комплементарного ключа (рис. 7) напряжение переключения Uпер ≈ Eп / 2 . Считать, что транзисторы VT1 и VT2 имеют одинаковые параметры (β1=β2 и Uo1 = Uo2 ). Воспользоваться условием:
Uпер =Uвх =Uвых.