Простейшие инверторы

Специфику цифровых схем удобно пояснить с помощью так называемых передаточных характеристик, описывающих зависимость выходного напряжения от входного. На рис. 3 показана типичная передаточная характеристика. По ней видно, что низким входным напряжениям соответствуют высокие выходные и, соответственно, высоким выходным напряжениям соответствуют низкие выходные напряжения. Такая характеристика называется инвертирующей, а каскады, ее реализующие, называют инверторами. Такие характеристики свойственны простейшим ключам, поэтому в дальнейшем будем говорить о них.

В транзисторном ключе два его устойчивых состояния (разомкнутое и замкнутое) соответствуют точкам А и В. В точке А ключ разомкнут и на нем падает большое напряжение, а в точке В ключ замкнут и падение напряжения на нем близко к нулю. Начнем изучение основ микроэлектроники с транзисторных ключей. На рис. 4 показана схема простейшего транзисторного ключа. Транзистор включен по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Управляемой является коллекторная цепь с источником питания E_к и нагрузкой в виде резистора R_к. В управляющей (базовой) цепи включен источник управляющего напряжения E_б и сопротивление R_б. Если напряжение E_б имеет отрицательную полярность, то эмиттерный переход смещен в обратном направлении, транзистор заперт, и остаточный ток в цепи нагрузки очень мал. Соответственно напряжение на ключе (транзисторе ) близко к E_к.

Если напряжение E_б имеет положительную полярность и достаточно велико, то транзистор открыт, в цепи нагрузки протекает ток, и остаточное напряжение на ключе может быть близким к нулю. Из сказанного следует, что рассматриваемый ключ является инвертором, так как увеличение входного напряжения от отрицательных значений к положительным сопровождается уменьшением выходного напряжения от E_к до малого остаточного напряжения. Остаточный ток и остаточное напряжение – главные статические параметры ключа. В запертом состоянии ключа токи всех трех электродов транзистора не превышают долей микроампера, поэтому падениями напряжений на сопротивлениях R_б и R_к можно пренебречь и считать Uб=E_б и U_к=E_к. Запертому состоянию ключа соответствует точка А на рис. 5. Когда напряжение E_б достигает значения напряжения отпирания, транзистор открывается. Начинает протекать базовый ток и пропорциональный ему коллекторный ток, а потенциал коллектора соответственно уменьшается. При дальнейшем росте напряжения E_б потенциал базы остается постоянным, но токи продолжают расти, а потенциал коллектора – падать. При определенном токе коллектора напряжение на коллекторном переходе становится равным нулю, а при дальнейшем увеличении тока коллектора становится прямым, и транзистор работает в режиме двойной инжекции. Однако пока напряжение на коллекторном переходе меньше напряжения отпирания (0,5-0,6В) инжекция из коллектора несущественна и ток коллектора продолжает расти пропорционально току базы. В точке В прямое напряжение на коллекторном переходе достигает напряжения отпирания (а потенциал коллектора падает до 0,1В), ток коллектора становится равным току насыщения. Такой режим называют режимом насыщения транзистора.

Отдельные ключи используются главным образом в аналоговых схемах. Для цифровых схем характерна совместная работа нескольких ключей - ключевая цепочка. В таких цепочках каждым ключом управляет предыдущий и сам он, в свою очередь, управляет последующим. Рассмотрим последовательную цепочку ключей (рис. 6). Если транзистор Т1 открыт и насыщен, то потенциал U_к1 и равный ему потенциал U_б2 близки к нулю, а значит транзистор Т2 заперт. Тогда в базу транзистора протекает ток от источника E_к через резистор R_к, и транзистор Т3 открыт. Таким образом, для последовательной цепочки характерно чередование открытых и закрытых ключей. Коллекторный и базовый токи почти одинаковы, т.к. протекают через одни и те же резисторы R_к. Напряжение на ключе, работающем в цепочке, меняется в более узких пределах, чем на отдельном ключе. Действительно, у изолированного ключа в запертом состоянии имеем: U_к=E_к, тогда как у ключа , работающего в цепочке U_к равно прямому падению напряжения на эмиттерном переходе (»0,7В). В последовательной цепочке каждый транзистор может управлять не одним , несколькими параллельно включенными ключами.Нагрузочной способностью называют количество параллельно включенных ключей, которыми способен управлять данный ключ.

Одной из главных проблем при повышении быстродействия ключей является уменьшение времени рассасывания избыточного заряда. Общепризнанным способом решения данной проблемы является использование в ключе нелинейной обратной связи. Этот способ состоит в том, что между коллектором и базой транзистора включается диод Шоттки, для которого характерно малое напряжение отпирания. Когда в процессе отпирания транзистора потенциал коллектора относительно базы проходит через нуль и делается отрицательным, диод отпирается и на нем устанавливается прямое напряжение (<0,5В), что недостаточно для открытия коллекторного перехода. А значит исключается режим двойной инжекции и накопление избыточного заряда.

Ключи на МДП-транзисторах имеют три разновидности: с резисторной нагрузкой, с динамической нагрузкой и комплементарные (КМДП) ключи. Процессы в первых двух аналогичны ключам в дискретном исполнении, рассмотренным ранее. Рассмотрим более детально комплементарные ключи. Схема такого ключа представлена на рис.7. Пусть в исходном состоянии управляющее напряжение E_з = 0. Значит транзистор Т₁ заперт, а транзистор Т₂ – от крыт. Ток в общей цепи определяется запертым транзистором Т₁ и составляет доли наноампер. Напряжение источника E_с через открытый транзистор Т₂ поступает на выход. Пусть теперь управляющее напряжение принимает положительное значение. Тогда открыт транзистор Т₁, а транзистор Т₂ заперт. Ток в общей цепи будет определяться закрытым транзистором Т₂. Напряжение на выходе будет близко к нулю т.к. выход через открытый транзистор Т₁ соединяется с корпусом. Таким образом, важнейшей особенностью комплементарных ключей является то, что они практически не потребляют мощности в обоих состояниях.

Таким образом, инвертор представляет собой транзисторный ключ, который инвертирует сигнал, подаваемый на его вход. Если на вход подается низкий уровень напряжения, то на выходе получаем высокое напряжение и наоборот.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В лекции изучены простейшие усилители и инверторы, которые являются основой для других, более сложных каскадов. На базе простейших усилителей строятся более сложные каскады для обработки аналоговых сигналов, в частности дифференциальные усилители, которые являются основой для построения операционных усилителей. На базе инверторов строятся более сложные логические схемы, триггеры и т.д., которые будут изучаться на других дисциплинах.

Задание на самостоятельную подготовку:

1. Изучить по учебнику [Л1] страницы 314-315, 339-341.

Старший преподаватель кафедры N9

доцент п/п Г.Подлеский

Рецензент:

Доцент п/п

Б.Степанов