Месяц назад вы узнали, как транзистор усиливает напряжение. Тему усиления переменных сигналов мы будем изучать более подробно в будущем, а сегодня я дам вам некоторую информацию о работе транзистора в качестве переключателя, а также других оригинальных приложений.

Можете ли вы представить что транзисторы, используются только для усиления напряжения, например, аудио-сигнала. Это не так. Транзисторы используются в различных схемах и часто используются в качестве переключателей.

Здесь дело обстоит очень просто: самый простой выключатель изображен на рисунке 34. Когда входное напряжение равно нулю, транзистор не проводит ток - заблокирован, и на выход (на коллекторе) максимальное напряжение. После подачи положительного входного напряжения (как показано на рисунке 31, выше 0,6 V) транзистор открывается, и напряжение коллектора транзистора падает почти до нуля. В таких схемах транзистор работает как логический инвертор. При высоком напряжении на входе, на выходе низкое напряжение и наоборот. Очень часто мы используем транзистор в такой роли в схеме, содержащей логические микросхемы.

Как вы, наверное, знаете микросхемы CMOS в состоянии покоя имеют очень небольшой ток потребления. К сожалению, ключ на рисунке 34 потребляет ток, когда открыт. Чтобы снизить потребление тока можно увеличить сопротивлением нагрузки R1. При напряжении 10 В и R1 сопротивлении, равным 10 МОм энергопотребление будет только 1 мкА. Стоп! Здесь ловушка.

При использовании цифровых схем обращайте внимание не только на энергопотребление, но и на быстродействие. И увеличение сопротивления в коллекторной цепи, может катастрофически уменьшить его быстродействие, или даже сделать эту схему не работоспособной. Не забывайте, что к выходу такого инвертора подключаются другие схемы. Такие схемы имеют свою емкость (да же емкость монтажа между дорожками) и сопротивление, на рисунке 35 они обозначены Rl и Сl. Даже если входное сопротивление очень велико (например, входное сопротивление CMOS-схем), все равно при закрытии транзистора ток используются для зарядки этой емкости. Как долго она будет заряжаться? По оценкам, времени T = R1×C, т. е. Т= 10M * 50 пФ = 500 мкс = 0,5 мс.

Половина миллисекунды это вечность для логических схем. В этом случае, наш ключ может работать с сигналами не более 1 .. 2 кГц!


Чтобы разрешить работу на более высоких частотах обязательно необходимо уменьшить сопротивление R1, но это приведет к увеличению потребления энергии – замкнутый круг. Заметим, однако, что эта неблагоприятная ситуация возникает только при выключении транзистора, когда емкость Cl заряжается через резистор R1. При открытии транзистора изменение напряжения происходит быстрее. Потому что через транзистор может течь гораздо больший ток (но здесь эту скорость ограничивает резистор R2 в базовой цепи транзистора). Рисунок 36 показывает изменения входного и выходного напряжения транзистора на рисунке 35. Я думаю, что понятно, как меняется скорость изменения напряжения при изменении значения резисторов.

Кстати, я хотел бы обратить внимание на связь между напряжением базы и напряжением на коллекторе. Как вы узнали, напряжение на базе проводящего транзистора 0,5 ... 0,7 В. Сейчас будет ясней. Напряжение на коллекторе (при насыщении) может быть порядка нескольких десятков или нескольких милливольт, или ... коллекторное напряжение может быть ниже, чем напряжение на базе.

Это не вопрос, а супервопрос, но теперь я могу вам рассказать, что вхождение транзистора в глубокое насыщение (когда напряжение на коллекторе несколько милливольт), то это замедляет процесс перехода из режима насыщения в режим отсечки. Это важно в логических схемах, где речь идет о получении быстрых переключений порядка наносекунд (1 нс = 0,000000001 с). Представьте себе, что вы придумали способ уменьшения времени выхода из состояния насыщения. Этот метод обычно используется в сериях биполярных цифровых логических схем (74S семьи, 74LS, 74ALS, 74FAST). Этот способ, как показано на рисунке 37а заключается во включении диода Шоттки между базой и коллектором транзистора. Если вы не знаете, - диод Шоттки это такой специальный диод, у которого падение напряжение 350..400 мВ, что значительно ниже, чем у обычного кремниевого диода (500…700 мВ). В состоянии отсечки напряжение на коллекторе равно напряжению питания, диод в этот момент закрыт и не влияет на работу схемы. Когда появляется базовый ток, напряжение на коллекторе стремиться к нулю. Открывается диод Шоттки и через него начинает течь часть тока базы. В результате ток базы уменьшается, что не дает транзистору войти в состояние глубокого насыщения. Не позволяет ему диод Шоттки который берет часть базового тока на себя. Транзистор с таким дополнительным диодом (обязательно Шоттки), называют транзистором Шоттки и обозначают, как на рисунке 37 б. (применяется в микросхемах серий 74S, 74LS). Конечно, обычный диод тут не поможет.

Почему мы так тщательно это рассмотрели? На практике, в своих схемах, вы никогда не будете использовать диоды в соответствии с рисунком 37а. А схемы, такие как на рисунке 38 будете применять часто, где открытый (до состояния насыщения) транзистор T1, конечно, закроет открытый ранее (благодаря резистору R2) транзистор T2. Кстати, определим напряжение на коллекторе T1. В состоянии отсечки транзистора Т1 напряжение на его коллекторе будет равно ... около 0,6 ... 0,7 Вольт – напряжению базы T2, который будет открыт (до насыщения).

Имейте в виду, что в такой схеме, напряжение на коллекторе T1 колеблется в диапазоне от нуля до 0,6 ... 0,7 В, а не от нуля до полного напряжения. Это вроде простая вещь, но многие новички забывают, когда добавляют еще цепи, управляемые от T1.

Как я могу получить напряжение на коллекторе (который будет использоваться другими схемами) которое бы варьировалась в диапазоне от нуля до напряжение питания (почти)? Обычно, просто добавьте резистор, как показано на рисунке 38b. Обратите внимание, что резисторы R1, R4 и база-эмиттер отсеченного T2 составляют делитель напряжения. Каким должно быть отношение сопротивлений R1 до R4, что бы стало возможным получить высокое напряжение на коллекторе? Конечно, R4 должен быть максимально большим сопротивлением, но не слишком большим, чтобы ток, протекающий через него мог ввести транзистор T2 в насыщение.


Теперь упражнение. Рассчитайте напряжения в точках А и Б на рисунке 39, входное напряжение изменяется от 0 до 10В, предполагая что напряжение база-эмиттер транзисторов 0.6В. Ответ можно найти в конце статьи. Ну мой совет, не стоит недооценивать упражнения: выполните расчеты, а затем проверить ответ. Запомните как дважды два, что напряжение на коллекторе в состоянии отсечки зависит от цепей подключённых к коллектору и не может быть равно напряжению питания.

Двигаемся дальше. При проектировании не типичных схем, вы можете применять способ приведенный на рисунке 40. Если в качестве D1 применить диод Шоттки – ни каких проблем: в состоянии отсечки T1, напряжение на его коллекторе равно питающему, диод закрыт, ток через него не течет и транзистор Т2 благодаря резистору R3 находиться в насыщенном состоянии. Когда транзистор T1 открыт, через него будет течь ток, который тек через базу транзистора Т2. На его базе напряжение равное сумме напряжения насыщения Т1 (не более 100 мВ) и падению напряжения на диоде Шоттки (до 400 мВ), что не превышает 0,5В. Тогда Т2 безусловно будет закрыт.

И если вы применили простой диод как показано на рисунке 40b? Здесь все не так просто! Напряжение падение на диоде и напряжение база-эмиттер T2 близки. При этом сложно рассчитать способен ли обычный диод закрыть транзистор Т2. Как вы уже знаете, ток базы и коллектора значительно изменяется от небольших изменений в базе напряжения. Всего несколько милливольт, чтобы коренным образом изменить ситуацию. Мы обсуждали это месяц назад.

Можете ли вы предсказать состояние транзистора Т2? Нет. Во-первых, не знаю точное значение напряжения: насыщение транзистора Т1, напряжение диода D1 и напряжения Uбэ транзистора Т2. Даже если вы измерили их и узнали, что при открытии Т1 закрывается Т2, но будет ли это работать правильно при изменении температуры? Особенно, когда транзистор Т2 нагревается от протекающего через него тока? Помните, что температура существенно влияет на напряжение диода и B-E перехода.

Именно из-за плохой стабильности параметров схемы не рекомендуется применять вариант, на рисунке 40b, даже если она функционирует должным образом. У вас нет гарантии, что при изменении температуры, или после замены компонентов будет продолжать работать безупречно.

Опять вернулись к практике такого важного вопроса: стабильность параметров. Хотя природа транзистор не является "объезженной лошадью", но немного изобретательности, и можно эту стабильность значительно улучшить. Это широкая тема, сегодня мы не будем вдаваться в подробности, В конце я покажу вам только один интересный пример, который может устранить зависимость от температуры.

На Рисунке 41 вы найдете простейшую схему токового зеркала. На первый взгляд, она выглядит, по меньшей мере, странно. Но это не афера - такие системы используются на практике чаще, чем вы думаете. Я уверен, что вы полюбите эту схему и будут применять ее в своем конструировании.


Как это работает? Вы сами решаете, какой установить ток I1. Так сказать в допустимых пределах. Что происходит дальше?

Предполагаю, что транзисторы идентичны с коэффициентом усиления 500. Видите токи на рисунке 41 обозначенные (IC1, IB1, IB2, I2). Попробуйте вычислить их значения перед чтением остальной части статьи.

Ни и что? Запутались? Кажется что весь ток будет течь через цепь база-эмиттер Т1. Вас пугает, что коллектор Т2 подключен к плюсу питания? Спокойствие!

В базовой цепи эмиттера T1 течет небольшой ток, значением примерно 1/500 тока I1 (ровно 1/500 тока коллектора T1). В точке есть некоторое напряжение Uбэ в пределах 0,5 ... 0,7 В. Точное значение нас не интересует, так как оно будет меняться с изменением температуры. Важно другое: транзисторы одинаковы, и напряжение на их базах одно и то же. Если они идентичны, ... конечно, коллекторные токи также будут идентичны. Таким образом, I2 равна текущей IC1. Или I2 равна тока I1?

Не совсем так, строго говоря мы говорим о "двух базовых токах", что составляет около 1/250 тока IC1. Что есть примерно 99,6% от тока I1 (теоретически 99,601594%). На практике, 0,4% мы можем опустить его и дальше и рассматривать, что ток I1 равен ток I2.

Это и есть токовое зеркало - пусть есть некоторое значение тока I1, и в другой ветви ток I2 с тем же значением. Не обходимое для этого условие является не столько использование идентичных транзисторов, а, скорее, чтобы обеспечить хороший тепловой контакт, что оба транзистора имели одинаковую температуру. Самый простой способ сделать их в одном корпусе, но вы можете просто поставить два транзистора близко друг к другу и затянуть термоусадочной трубкой.

В микросхемах интегральных усилителях часто встречается схема, показанная на рисунке 42. На практике встречаются (и используется) схема на рисунке 41. Практическое занятие соберите схему на рисунке 41b и измерьте ток, с использованием различных транзисторов и нагревая их феном. Попробуйте использовать различные типы транзисторов, в том числе мощные транзисторы и сочетание транзисторов высокой мощности с маломощными транзисторами. Убедите себя, что если транзисторы в них будут иметь одинаковую температуру, то соотношение из токов (только отношение, токов а не их значений) не изменяться в широких пределах изменения ток.

Эта схема токового зеркала, пожалуй, самое важное в нашем исследовании тайн транзистора, но я хотел показать, в частности, как транзисторы довольно капризны и невозможно точно определить напряжение Uбэ, (потому что это зависит от тока базу и от температуры), с небольшой изобретательностью токовое зеркало может избавиться от этих зависимостей, а так же может использоваться в других интересных схемах.

В следующем месяце мы коснемся основных параметров транзистора и только после этого обсудим некоторые практические схемы на транзисторах, для усиления переменных сигналов.