Ключи на полевых транзисторах. Особенности работы и отличие ключей на биполярных транзисторах. Способы повышения быстродействия . Общие сведения об электронных ключах
Ключ – элемент, который под воздействием управляющего сигнала производит различные коммутации (источников питания, активных элементов и т.д.). Электронный ключ является основой для построения более сложных цифровых устройств. При включении активного элемента с общим эмиттером (истоком) ключ выполняет логическую операцию НЕ, т.е. инвертирует входной сигнал.
Ключ имеет два состояния: замкнутое и разомкнутое
.
Рис. 4
Для реализации ключей используют диоды, биполярные и полевые транзисторы.
Время переключения
ключей на биполярных транзисторах
определяется барьерными емкостями
p-n-переходов и действиями скопления и
рассасывания неосновных носителей
заряда в базе.
Для повышения быстродействия
и входного сопротивления используют
ключи на полевых транзисторах.
Схемы электронных ключей на полевых транзисторах
Схемы ключей на полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом и с индуцированным каналом с общим истоком и общим стоком показаны на рисунке:
Рис. 5
Для любого ключа на полевом транзисторе Rн > 10-100 кОм.
Управляющий сигнал Uвх на затворе порядка 10-15 В. Сопротивление полевого транзистора в закрытом состоянии велико, порядка 108-109 Ом.
Сопротивление
полевого транзистора в открытом состоянии
может составлять 7-30 Ом. Сопротивление
полевого транзистора по цепи управления
может составлять 108-109 Ом.
1 поколение – с линейной нагрузкой .
2 поколение – с нелинейной нагрузкой. В качестве нагрузки (вместо ) ставили второй полевой транзистор одинакового типа проводимости.
Рис. 6 Транзисторный ключ на полевом транзисторе с линейной нагрузкой.
Принцип действия электронных ключей
Электронные ключи основаны на работе биполярных транзисторов
В статическом
режиме ключ находится в состоянии
«включено» (ключ замкнут), либо в состоянии
«выключено» (ключ разомкнут).
Основу ключа составляет транзистор в дискретном или интегральном исполнении.
В зависимости от состояния ключ шунтирует внешнюю нагрузку большим или малым выходным сопротивлением. В этом и заключается коммутация цепи, производимая транзисторным ключом.
Основными параметрами ключа являются :
• быстродействие, определяемое максимально возможным числом переключений в секунду ; для интегральных ключевых схем оно составляет миллионы коммутаций ;
• длительность фронтов выходных сигналов ;
• внутренние сопротивления в открытом и закрытом состоянии ;
• потребляемая мощность ;
• помехоустойчивость, равная уровню помехи на входе, вызывающей ложное переключение ;
• стабильность пороговых уровней, при которых происходит переключение ;
• надежность
работы в реальных условиях старения
радиодеталей, изменения источников
питания и т.
д.
Электронный ключ на полевом транзисторе — Реферат
Рефераты → Коммуникации и связь → Эл →
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
По дисциплине «Общая Электротехника и электроника»
На тему: «Электронный транзисторный ключ на полевом транзисторе»
Содержание1. Общие сведения об электронных ключах
2. Схемы электронных ключей на полевых транзисторах
3. Принцип действия электронных ключей
4. Применение электронных ключей
4. Литература
1.
Общие сведения об электронных ключах
Ключ – элемент, который под воздействием управляющего сигнала производит различные коммутации (источников питания, активных элементов и т.д.). Электронный ключ является основой для построения более сложных цифровых устройств. При включении активного элемента с общим эмиттером (истоком) ключ выполняет логическую операцию НЕ, т.е. инвертирует входной сигнал.
Ключ имеет два состояния: замкнутое и разомкнутое
.
Рис. 4
Для реализации ключей используют диоды, биполярные и полевые транзисторы.
Время переключения ключей на биполярных транзисторах определяется барьерными емкостями p-n-переходов и действиями скопления и рассасывания неосновных носителей заряда в базе. Для повышения быстродействия и входного сопротивления используют ключи на полевых транзисторах.
2. Схемы электронных ключей на полевых транзисторах
Транзисторный ключ является основным элементом устройств цифровой электроники. Основные особенности транзисторного ключа является обязательным условием понимания принципов работы цифровых устройств.
Схемы ключей на полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом и с индуцированным каналом с общим истоком и общим стоком показаны на рисунке:
Рис. 5
Для любого ключа на полевом транзисторе Rн > 10-100 кОм.
Управляющий сигнал Uвх на затворе порядка 10-15 В. Сопротивление полевого транзистора в закрытом состоянии велико, порядка 108-109 Ом.
Сопротивление полевого транзистора в открытом состоянии может составлять 7-30 Ом. Сопротивление полевого транзистора по цепи управления может составлять 108-109 Ом. (схемы «а» и «б») и 1012-1014 Ом (схемы «в» и «г»).
1 поколение – с линейной нагрузкой.
2 поколение – с нелинейной нагрузкой.
В качестве нагрузки (вместо ) ставили второй полевой транзистор одинакового типа проводимости.
Рис. 6 Транзисторный ключ на полевом транзисторе с линейной нагрузкой.
3.
Принцип действия электронных ключей
Электронные ключи основаны на работе биполярных транзисторов. Когда на базе транзистора «0» относительно эмиттера, транзистор «закрыт», ток через него не идёт, на коллекторе всё напряжение питания (сигнал высокого уровня — «1»). Когда на базе транзистора «1», он «открыт», возникает ток коллектор — эмиттер и падение напряжения на сопротивлении коллектора, напряжение на колл
В статическом режиме ключ находится в состоянии «включено» (ключ замкнут), либо в состоянии «выключено» (ключ разомкнут). Переключение ключа из одного состояния в другое происходит под воздействием входных управляющих сигналов : импульсов или уровней напряжения. Простейшие ключевые схемы имеют один управляющий вход и один выход.
Основу ключа составляет транзистор в дискретном или интегральном исполнении.
В зависимости от состояния ключ шунтирует внешнюю нагрузку большим или малым выходным сопротивлением. В этом и заключается коммутация цепи, производимая транзисторным ключом.
Основными параметрами ключа являются :
• быстродействие, определяемое максимально возможным числом переключений в секунду ; для интегральных ключевых схем оно составляет миллионы коммутаций ;
• длительность фронтов выходных сигналов ;
• внутренние сопротивления в открытом и закрытом состоянии ;
• потребляемая мощность ;
• помехоустойчивость, равная уровню помехи на входе, вызывающей ложное переключение ;
• стабильность пороговых уровней, при которых происходит переключение ;
• надежность работы в реальных условиях старения радиодеталей, изменения источников питания и т.
д.
4. Применение электронных ключей
Электронный ключ служит для переключения непрерывно изменяющихся электрических сигналов. Если ключ находится в состоянии «включено», его выходное напряжение должно по возможности точно равняться входному; если же ключ находится в состоянии «выключено», выходное напряжение должно быть как можно ближе к нулю или, во всяком случае, должно как можно меньше зависеть от входного.
Электронные ключи основаны на работе биполярных транзисторов. Когда на базе транзистора «0» относительно эмиттера, транзистор «закрыт», ток через него не идёт, на коллекторе всё напряжение питания (сигнал высокого уровня — «1»). Когда на базе транзистора «1», он «открыт», возникает ток коллектор — эмиттер и падение напряжения на сопротивлении коллектора, напряжение на коллекторе, а с ним и напряжение на выходе, уменьшается до низкого уровня «0».
Также возможно использование полевых транзисторов. Принцип их работы схож с принципом работы электронных ключей на биполярных транзисторах.
Цифровые ключи на полевых транзисторах потребляют меньший ток управления, обеспечивают гальваническую развязку входных и выходных цепей, однако быстродействие их ниже по сравнению с биполярными.
Литература
1. Горбачев Н.Г. Промышленная электроника М. 2001
2. Кудрявцев И.А. Фалкин В.Д. Электронные ключи учебное пособие Самара 2002
3. Семенов Б.Ю. Силовая электроника для любителей и профессионалов — М.: СОЛОН-Р, 2001. — 327с.
4. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника — М.: Горячая линия — Телеком, 2000. — 768 с.
5. www.wikipedia.org
6. Учебно-методический комплекс, раздел «Электроника» 117-118 с.
УстройствоMOS FET в качестве переключателя, для ADALM1000 [Analog Devices Wiki]
Эта версия (03 ноября 2021 г., 20:33) была одобрена Дугом Мерсером. Доступна ранее одобренная версия (25 июня 2020 г., 20:27).Содержание
Действие: МОП-транзистор на полевых транзисторах в качестве переключателя, для ADALM1000
Цель:
Примечания:
Фон:
Материалы:
Схема проезда:
Настройка оборудования:
Процедура:
Вопросы:
Параллельные переключатели:
Переключатели в серии:
Цель:
Устройство MOS FET (NMOS) можно использовать во многих схемах, таких как усилитель, генератор, фильтр, выпрямитель или просто в качестве переключателя.
Если полевой транзистор смещен в область насыщения, он будет работать как усилитель или другая линейная схема, если смещен попеременно в линейной (триодной) области и области отсечки, то он используется как переключатель, позволяющий течь току. или не течь в других частях схемы. В этом лабораторном задании описывается устройство NMOS, работающее в качестве коммутатора.
Примечания:
Как и во всех лабораториях ALM, мы используем следующую терминологию при описании подключений к разъему M1000 и настройке оборудования. Заштрихованные зеленым прямоугольники обозначают подключения к разъему аналогового ввода-вывода M1000. Выводы канала аналогового ввода/вывода обозначаются как CA и CB. При настройке на форсирование напряжения/измерения тока добавляется V , как в CA- V , или при настройке на форсировку тока/измерение напряжения добавляется -I, как в CA-I. Когда канал сконфигурирован в режиме высокого импеданса только для измерения напряжения, -H добавляется как CA-H.
Следы осциллографа аналогичным образом обозначаются по каналу и напряжению/току. Например, CA- V , CB- V для сигналов напряжения и CA-I, CB-I для сигналов тока.
Фон:
Схемы переключения существенно отличаются от линейных схем. Их также легче понять. Прежде чем исследовать более сложные схемы, мы начнем с дискретных полупроводниковых переключающих схем: тех, которые построены на основе NMOS-устройств.
Переключатель состоит из NMOS-транзистора, который попеременно управляется между триодом и областью отсечки. Простая версия переключателя показана на рисунке 1. Когда вход равен — В в , напряжение затвор-исток меньше порогового напряжения ( В TH ) или отключено, поэтому ток не течет по входу. утечка. Это показано красной линией нагрузки, показанной на рисунке. Когда NMOS находится в состоянии отсечки, схема (в идеале) имеет следующие значения:
Это состояние похоже на разомкнутый переключатель.
Когда вход равен + В в , транзистор загоняется в область триода и выполняются следующие условия:
Это состояние похоже на замкнутый переключатель, соединяющий нижнюю часть R D с землей.
Рисунок 1 Переключатель NMOS FET и его линия нагрузки.
Характеристики переключателя NMOS в режиме расширения предполагают, что:
— В в достаточно низкий уровень, чтобы перевести транзистор в отсечку.
+ В в должно быть больше, чем В TH , чтобы перевести транзистор в триод.
Транзистор — идеальный компонент.
Эти условия могут быть обеспечены путем проектирования схемы таким образом, чтобы:
— В в < В ТН
+ В в > В TH ( В DD хороший максимум)
Условие 1 гарантирует, что схема попадает в область отсечки по входу.
Условия 2 гарантируют, что транзистор будет работать в области триода.
Реальный коммутатор NMOS отличается от идеального коммутатора в нескольких аспектах. На практике даже в режиме отсечки через транзистор протекает небольшой ток утечки. Кроме того, в триоде всегда есть некоторое падение напряжения на внутреннем сопротивлении транзистора, R НА . Как правило, это будет между 0,1 и 0,2 В в триоде в зависимости от тока стока и размера устройства. Эти отклонения от идеальных, как правило, незначительны для устройства подходящего размера, поэтому мы можем предположить почти идеальные условия при анализе или разработке схемы переключателя NMOS.
Материалы:
Аппаратный модуль ADALM1000
Макетная плата без пайки
1 — Резистор 100 Ом (R D )
1 — Светодиод 5 мм (любого цвета)
1 — NMOS-транзистор с малым сигналом (матрица ZVN2110A или CD4007 CMOS)
Схема проезда:
Одним из распространенных применений переключателя NMOS (или любого другого) является управление светодиодом.
Драйвер светодиода показан на рисунке 2. Драйвер, показанный на этом рисунке, используется для соединения слаботочной части схемы с относительно сильноточным устройством (светодиодом). Когда выход слаботочной цепи низкий (0 В ), транзистор находится в состоянии отсечки и светодиод не горит. Когда на выходе слаботочной цепи появляется высокий уровень (+3 В ), транзистор переключается в триод и загорается светодиод. Драйвер используется потому, что слаботочная часть схемы может не иметь тока для питания 20 мА (типичное) требуется, чтобы светодиод загорелся на полную яркость.
Соберите схему переключателя светодиодов, показанную на рис. 2, на макетной плате без пайки. R D служит для ограничения тока, протекающего в светодиоде от источника питания +5 В . Переключатель управляется выходным напряжением канала A с разъема ввода/вывода. Канал Scope B будет отображать напряжение на переключающем транзисторе M 1 ( V DS ) или напряжение на светодиоде, как указано зелеными стрелками.
Рис. 2. Переключатель светодиодов NMOS
Настройка оборудования:
Генератор CA должен быть настроен на прямоугольную волну с частотой 100 Гц с максимальным напряжением 3 вольта и минимальным напряжением 0 вольт. Осциллограф канала B подключается для измерения напряжения на транзисторе или на верхней части светодиода. Ток, протекающий через транзистор, можно рассчитать как разность напряжений между + 5 В питания и CB- В , деленную на номинал резистора (100 Ом). Кривая тока канала А измеряет ток в клемме затвора М 1 .
Процедура:
Сохраните кривую напряжения на транзисторе Drain-Source (канал B, пунктирная зеленая линия) и на светодиоде (канал B, сплошная зеленая линия) и включите их в отчет о своей лабораторной работе.
Вопросы:
Какой ток протекает через резистор R D , когда светодиод горит и когда светодиод не горит?
Какой ток протекает через клемму Gate M 1 ?
Попробуйте уменьшить максимальное значение на В В (CA- В , напряжение затвора М 1 ) до тех пор, пока светодиод не перестанет гореть.
Какое напряжение? Как это соотносится с V TH , указанными в техническом описании?
Рассчитайте R ON , когда M 1 находится в триоде. Как это значение соотносится со спецификацией , указанной в техническом описании?
Параллельные переключатели:
Два NMOS-транзистора могут быть соединены своими стоками и истоками параллельно, рис. 3, что обеспечивает возможность включения нагрузки от двух разных сигналов. Любой вход может включать нагрузку, но оба входа должны быть выключены, чтобы нагрузка была отключена. Это называется функцией «ИЛИ».
Рис. 3. Два коммутатора, включенных параллельно
Измените схему на макетной плате, чтобы она выглядела как на рис. 3. Добавьте второй NMOS-транзистор, M 2 , как показано на рисунке.
Теперь подключите затворы транзисторов к контактам PIO 0 и PIO 1 цифрового порта ввода-вывода соответственно. Откройте окно цифрового управления и установите для PIO 0 и PIO 1 все четыре комбинации логических 0 и 1. Обратите внимание, какие комбинации включают светодиод. Напряжение на светодиоде и резисторе стока можно контролировать с помощью входа осциллографа CHB, как и раньше.
Переключатели в серии:
Два NМОП-транзистора могут быть соединены последовательно со стоком нижнего транзистора, подключенным к истоку верхнего транзистора, рис.4, что обеспечивает возможность отключения нагрузки от двух разных сигналов. Любой вход может отключить нагрузку, но оба входа должны быть включены, чтобы нагрузка была включена. Это называется функцией «И».
Рис. 4. Два последовательных коммутатора
Измените схему на макетной плате, чтобы она выглядела как на рис. 4. Теперь второй NMOS-транзистор включен последовательно с истоком 9 транзисторов.0206 М 1 .
Снова вентили M 1 и M 2 подключены к контактам цифрового порта ввода/вывода PIO 0 и PIO 1 соответственно. Снова установите PIO 0 и PIO 1 на все четыре комбинации логических 0 и 1. Обратите внимание, какие комбинации включают светодиод. Напряжение на светодиоде и резисторе стока можно контролировать с помощью входа осциллографа CHB, как и раньше. Также следует измерить напряжение на соединении между истоком M 1 и стоком M 2 для каждого из четырех условий. Прокомментируйте напряжения, наблюдаемые на стоке M 2 в вашем лабораторном отчете, и почему.
Ресурсы:
Файлы LTSpice: nmos_as_switch_ltspice
Файлы Fritzing: nmos_as_switch_bb
Для дальнейшего чтения:
Транзистор
Светодиод
Светодиодная схема
Вернуться к разделу «Введение в лабораторную работу по электротехнике» Содержание
Вернуться к оглавлению лабораторной работы Circuits
Вернуться к оглавлению лабораторной работы ALM.
University/Courses/alm1k/alm-lab-4ms.txt · Последнее изменение: 03 ноября 2021 г., 20:33, автор: Doug Mercer P-channel MOSFET MOSFET — это транзистор, использующий эффект поля. MOSFET расшифровывается как Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor , у которого есть ворота. Для простоты можно представить эти ворота как водопроводный кран, вы поворачиваете кран против часовой стрелки, вода начинает течь из крана, вы поворачиваете его по часовой стрелке, вода перестает течь из крана. Точно так же напряжение затвора определяет проводимость устройства. В зависимости от этого напряжения затвора мы можем изменить проводимость и, таким образом, мы можем использовать его в качестве переключателя или усилителя, как мы используем транзистор в качестве переключателя или усилителя. С момента появления мощного полевого МОП-транзистора в 1980-х годов переключение питания стало быстрее и эффективнее. Почти во всех современных импульсных источниках питания в качестве переключающих элементов используются силовые полевые МОП-транзисторы той или иной формы. В одной из наших предыдущих статей мы обсуждали, что такое полевой МОП-транзистор: его конструкция, типы и работа, вы можете проверить это, если хотите узнать об основах полевого МОП-транзистора. Основные свойства полевого МОП-транзистора Подобно транзистору с биполярным переходом или BJT , МОП-транзистор представляет собой устройство с тремя выводами, тремя выводами являются ЗАТВОР, сток и ИСТОЧНИК, при этом затвор управляет проводимостью между выводами стока и истока. Технически говоря, полевой транзистор по своей природе является двунаправленным, но способ, которым мощные полевые МОП-транзисторы сконструированы на кремниевом уровне, добавляет паразитный встречно-параллельный диод между стоком и истоком, что заставляет МОП-транзистор работать, когда напряжение на нем меняется на противоположное. МОП-транзистор можно рассматривать как переменный резистор , управляемый напряжением , точно так же, как транзистор BJT можно считать источником тока с управлением по току . Однако, как и у BJT, это свойство не является линейным, то есть сопротивление не уменьшается линейно с приложенным напряжением затвора, как показано на рисунке ниже из таблицы данных популярного IRF3205, в то время как мы говорим о внутреннем сопротивлении, тепло играет большую роль. ключевую роль, когда речь идет о внутреннем сопротивлении. По большей части это не имеет значения, так как силовые полевые МОП-транзисторы предназначены для коммутационных приложений, хотя линейное использование возможно. При использовании MOSFET в качестве переключателя необходимо учитывать несколько важных моментов. Напряжение пробоя сток-исток и ток стока: Зависит от области применения — доступны силовые полевые МОП-транзисторы с номиналом пробоя от 20 В до 1200 В и током от миллиампер до килоампер. Пороговое напряжение затвора: Это похоже на напряжение база-эмиттер обычного биполярного транзистора, но с полевыми МОП-транзисторами это напряжение не так четко определено. Хотя полевой МОП-транзистор может включаться при относительно низком напряжении, он способен пропускать полный ток только при определенном напряжении затвор-исток. С этим следует быть осторожным, так как большинство полевых МОП-транзисторов рассчитаны на 10 В ГС . Доступны МОП-транзисторы логического уровня, которые определяют полный ток при 4,5 В. Входная емкость: Поскольку затвор электрически изолирован от токопроводящего пути от стока к истоку, он образует небольшой конденсатор, который необходимо заряжать и разряжать каждый раз при включении и выключении МОП-транзистора. Для мощных полевых МОП-транзисторов эта емкость может составлять от сотен пикофарад до десятков нанофарад. N-канальные МОП-транзисторы включаются, когда напряжение затвора на несколько вольт выше истока, номинальные значения для этих напряжений указаны в техническом описании, а напряжение сток-исток указано в положительных вольтах. На рисунке ниже показана простейшая конфигурация для N- и P-канальных МОП-транзисторов. Затворы MOSFET быстро заряжаются от напряжения питания, открывая их. Но что, если после включения MOSFET затвор останется в покое? После отключения питания от затвора полевой МОП-транзистор все еще остается включенным! Как и обычный конденсатор, затвор сохраняет свой заряд до тех пор, пока его не удалят или он не утечет из-за очень малого тока утечки затвора. Чтобы избавиться от этого заряда, затвор необходимо разрядить. Это можно сделать, подключив гейт обратно к терминалу источника. Но что, если ворота остаются плавающими из-за управляющей схемы? Если в затворе накапливается достаточное количество паразитных зарядов, чтобы поднять напряжение затвора выше порогового значения, то полевой МОП-транзистор непреднамеренно включается, что может привести к повреждению схемы ниже по потоку. Затвор полевого МОП-транзистора очень чувствителен, поскольку оксидный слой, изолирующий затвор от канала, очень тонкий. Большинство мощных полевых МОП-транзисторов имеют номинальное напряжение затвор-исток всего ±20 В! По этой причине диод Зенера на затворе является хорошей мерой предосторожности. Поскольку емкость затвора в сочетании с индуктивностью выводов может привести к звону при переключении, который можно уменьшить, добавив небольшой резистор (около 10 Ом) последовательно с затвором. Окончательная схема затвора MOSFET выглядит так, как показано на рисунке ниже. Затвор полевого МОП-транзистора обычно не потребляет никакого тока (за исключением небольшого тока утечки), но при использовании в переключающих устройствах, где он должен быстро включаться и выключаться, емкость затвора должна быстро заряжаться и разряжаться. . Для этого требуется некоторый ток, и в этих случаях необходим драйвер затвора, который может иметь форму дискретной схемы, ИС управления затвором или трансформатора управления затвором. Мы построили простой MOSFET в качестве схемы переключателя , чтобы показать, как можно переключать N-канальный MOSFET (слева) и P-канальный MOSFET (справа). Вы также можете посмотреть видео ниже, в котором показано, как включать и выключать MOSFET. МОП-транзистор представляет собой устройство с четырьмя выводами, причем четвертый вывод представляет собой подложку, представляющую собой фактическую проводящую кремниевую основу, на которой изготовлена остальная часть транзистора.
МОП-транзисторы предпочтительнее из-за их низких потерь проводимости, низких потерь на переключение, а поскольку затвор МОП-транзистора состоит из конденсаторов, он имеет нулевой постоянный ток затвора. Итак, в этой статье мы поговорим о различных способах включения и выключения MOSFET и в конце рассмотрим несколько практических примеров, показывающих, как это влияет на MOSFET.
, что нужно иметь в виду. На большинстве схемных обозначений мощных полевых МОП-транзисторов изображен паразитный диод. [1] 
шесть десятилетий..png)
Ток течет в сток и из истока. P-канальные МОП-транзисторы включаются, когда напряжение на затворе составляет несколько вольт ниже исток, а напряжение сток-исток отрицательное. Ток течет в исток и вытекает из стока.
По этой причине часто можно увидеть подтягивающий/подтягивающий резистор между затвором и истоком, который снимает заряд с затвора всякий раз, когда снимается напряжение затвора. Рекомендуется включать подтягивающий/подтягивающий резистор между затвором полевого МОП-транзистора независимо от типа драйвера. 10к это хорошая цена.
