Транзистор в ключевой схеме, как и в усилительных схемах, может быть включен с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). Схема включения ОЭ в ключевых схемах поучила наибольшее распространение в силу следующих особенностей:
¾ схема с ОЭ обладает наибольшим усилением по мощности. Поэтому для управления ключом требуется минимальная мощность;
¾ остаточное напряжение на открытом и насыщенном транзисторе составляет доли вольта, не зависит от параметров транзистора, напряжения питания, температуры. Режим насыщения удобно использовать как низкий логический уровень;
¾ схема ОЭ обладает худшими частотными свойствами и недостаточным быстродействием. Используются различные схемотехнические приемы для улучшения характеристик.
В цифровой электронике транзисторы n-p-n типа используются значительно чаще, чем транзисторы p-n-p. Цифровые ИС выпускаются исключительно на транзисторах n-p-n. Связано это с тем, что в кремнии подвижность носителей n-типа (электронов) в 5-6 раз выше, чем у носителей p-типа (дырок). Транзисторы n-p-n типа с электронной проводимостью более быстродействующие, чем транзисторы p-n-p с дырочной проводимостью. Однако в некоторых случаях схемы ключей на дискретных элементах получаются проще и эффективнее при использовании комбинации транзисторов с разной проводимостью
На рис. 2.2. показан простейший ключ на биполярном транзисторе и его входная и выходная характеристика Как видно из входной характеристики (рис 2.2б) ключ заперт «заперт» при Uвх<+0.7 В, что обусловлено «пяткой» вольтамперной характеристики биполярного транзистора.
Рис 2.2. Схема ключа на биполярном транзисторе
При этом ток базы и коллектора пренебрежимо малы, напряжение на выходе Uвых=+Еп. Ключ остается запертым, даже если на входе действует напряжение логического нуля, составляющего +0.4 В.
Если на вход подать напряжение логической 1, т.е. Uвх=Е1>0.7 В, переход база-эмиттер оказывается прямо смещен. Напряжение на прямо смещенном переходе фиксируется на уровне Uбэ»0.7 В. Входной ток Iвх определяется сопротивлением Rб ; Iвх=(Е1-Uбэ)/Rб. С увеличением входного тока пропорционально увеличивается коллекторный ток Iк =bIб, уменьшается напряжение на выходе Uвых=Еп - Iк×Rк. При достаточно большом входном токе транзистор входит в режим насыщения. При этом ток коллектора насыщения максимален и равен Iкн»Еп/Rк. Напряжение на коллекторе в режиме насыщения минимально, практически не зависит от транзистора (зависит от материала полупроводника) и равно Uкэн=(0.1-0.3) В. Ток базы насыщения Iбн =Iкн/b = Еп/bRк. Таким образом, условием насыщения транзистора является Iвх=Е1/RБ³ Iбн =Iкн/b = Еп/bRк. В тех случаях, когда Е1=Еп, условие насыщения транзистора принимает вид Rб£bRк.
Технологический разброс параметров транзисторов даже в пределах одного кристалла достигает сотни %, в ИС отсутствует возможность индивидуального подбора базового резистора, поэтому приходится транзистор использовать в режиме глубокого насыщения, когда Iвх выбирается порядка Iвх=(3¸5)Iбн. Такой режим принято характеризовать степенью насыщения S=Iвх/Iбн. Однако, чем больше S, тем хуже быстродействие ключа. Причина объясняется ниже. Коэффициент насыщения выбирается как компромисс между надежностью насыщения и быстродействием S=3¸5.
Зависимость выходного напряжения от входного, называемая переключательной (передаточной) характеристикой, кривая Кл1 на рис 2.3а для простого ключа, располагается несимметрично относительно порогового напряжения Uпорог между стандартных логических уровней управления (область лог. 0 и лог. 1), что приводит к неудовлетворительной помехозащищенности ключа со стороны низкого уровня. Помеха с амплитудой свыше (0.7-0.4)В=0.3 В может вызвать ложное срабатывание ключа.
Рис 2.3. Согласование входа ключа с ТТЛ сигналом
Для согласования порогового напряжения ключа Uпорог кл с пороговым напряжением логического элемента Uпорог ЛЭ необходимо сместить переключательную характеристику так, чтобы пороговое напряжение логического сигнала совпадало с пороговым напряжением ключа (кривая Кл2). Подобное согласование реализуется либо с помощью дополнительного источника смещения -Есм, (рис 2.3б) или с использованием резистивного делителя на входе (рис 2.3в).
В схеме с дополнительным источником смещения (рис 2.3б) резистор Rб выбирается из условия насыщения Iбн=(3¸5)Iб, откуда Rб»(0.2-0.3)bRк. Чтобы сместить переключательную характеристику на уровень порогового напряжения ТТЛ (Кл2) на базу транзистора с резистивного делителя R1 и Rб должно подаваться дополнительное напряжение DU, равное разнице между DU =Uпорог ЛЭ - Uпорог Кл при входном сигнале Uвх=Е0»0.
DU =(Uпорог ЛЭ - Uпорог Кл)= Есм×R1/(R1+Rб).
Отсюда R1= Rб (Есм/DU -1).
В схеме (Рис 2.3в) входной делитель Rб, R1 ослабляет входной сигнал, обеспечивая согласование уровня порогового напряжения ТТЛ с пороговым напряжение ключа. Резистор Rб по-прежнему выбирается из условия насыщения Rб»(0.2-0.3)bRк. А резистор R1=Rб(Е1/Uбэ -1)