-
Cap 3. Elemente de circuit n regim de comutaie
Comutaia este regimul de trecere din starea de conducie n starea
de blocare.
Existenta a 2 stari permite asocierea cu variabilele binare
0 si 1
Utilizarea unei componente in regim de comutatie are in
vedere o tranzitie cat mai rapida intre stari
Un comutator este caracterizat de o impedan mare n starea blocat
i o impedan mic n starea de conducie (in caz contrar avem logica
negativa).
O componenta care este exploatata in regim de comutatie
trebuie sa permita aplicarea unor comenzi adecvate
pentru schimbarea starilor
-
Comutatorul ideal i comutatorul real
Figura 3.1. Comutatorul
ideal
R
E KU
I
Comutatorul ideal este caracterizat de
rezisten n starea de blocare Rb i rezisten n starea de conducie
Rc 0.
Dac comutatorul este blocat, atunci tensiunea la bornele sale
este egal cu E. Dac comutatorul este nchis, el se afl n stare de
conducie iar tensiunea la bornele sale este 0, curentul fiind egal
cu E/R.
Puterea disipat pe comutatorul ideal este nul.
-
Comutatorul ideal
Cele dou situaii (blocare i conducie) determin dou puncte n
planul I-U, A i B, care definesc dreapta de sarcina (figura
3.2).
Trecerea din A n B se numete comutaie direct, iar trecerea din B
n A comutaie invers. Se observ c ntre punctele A i B tensiunea i
curentul sunt simultan nenule ceea ce nseamn c exist putere disipat
n timpul comutaiei. Acest fenomen are loc numai dac timpul de
comutaie este diferit de zero.
Pentru intervale de timp mici se definete, n cazul comutatorului
ideal, puterea comutat sau puterea n sarcin:
Figura 3.2. Caracteristica curent-
tensiune pentru comutatorul ideal
Comutaieinvers
Comutaiedirect
A
E/R
E
B
V
I
PE
RL
2
;
-
Comutatorul real
Figura 3.3. Comutatorul real
R
V
+
-
ECP
rC
rb
kkr
Comutatorul real este caracterizat de o
rezisten finit nenul att n conducie ct i n blocare.
Schema sa echivalent este prezentat n figura 3.3 .
Considernd comutatorul caracterizat de rezistena sa n stare de
conducie rc i de cea n stare de blocare rb, se pot evidenia
situaiile de conductie, respectiv blocare, cu evaluarea
expresiilor curentului prin comutatorul
real si a tensiunii labornele sale.
-
Starea de conductie a
comutatorului real
Deoarece n starea de conducie rc
-
Starea de blocare a
comutatorului real
Starea de blocare este descris de ecuaia:
)6.3(IrV b
Pe dreapta de ecuaie (3.6) se gsete i punctul static de
funcionare B, de coordonate (VB0,IB0). Coordonatele
acestuia se determin n acelai mod ca i n cazul conduciei i sunt
exprimate prin relaiile de mai jos:
IE
R rB
b
0 V
r
r REB
b
b
0
-
Caracteristica de comutaie direct i invers pentru comutatorul
real (1)
Figura 3.4. Caracteristica de comutaie direct i invers pentru
comutatorul real
(1)
(2)
I
VVCO VBO
ICO
IBO
M
A
B
NComutaiedirect
Comutaieinvers
-
Caracteristica de comutaie direct i invers pentru comutatorul
real (2)
Dac se neglijeaz capacitatea parazit a comutatorului, Cp,
trecerea dintr-o stare n alta se face de-a lungul dreptei definite
de punctele A i B, prin salt cu timp de comutaie nul.
Dac nu se neglijeaz efectul capacitii Cp, atunci aceasta se
comport ca un element de memorare a tensiunii la bornele
comutatorului real, ceea ce determina ca
transferul punctului de funcionare ntre A i B s nu se fac n
lungul dreptei AB, ci prin punctele M, respectiv N.
ncrcarea i descrcarea capacitii presupune, implicit, un timp de
comutaie nenul
-
Comutatorul ca si cuadripol
Dac privim comutatorul real ca un cuadripol (figura 3.5) putem
aprecia c tensiunea de intrare este cea care comand deschiderea
comutatorului (atunci cnd are nivel ridicat) i nchiderea lui
(atunci cnd are nivel sczut). Se poate considera c:
Vout = f(Vin)
Pentru calculul duratelor de comutaie se va considera teoria
descris n capitolul 1. Pentru a determina ecuaia tensiunii de ieire
trebuie cunoscute valorile iniiale i finale ale tensiunii pe
comutator, adic U(0) respectiv U().
Figura 3.5. Cuadripolul
echivalent unui comutator real
fVin Vout
Figura 3.6. Caracteristica
de transfer a comutatorului
real
Vin
Vout
I
II
III
-
Comutatia directa
Vr
R rE V
r
R rEc
c
b
b
( ) ; (0)
c echiv cond p c pc
c
pR C r R Cr R
r RC
( || )
V t V V V et
( ) ( ) ( ) (0) V t
E
r Rr
R r r
r Re
c
cb c
b
t
c( ) [( )
]
V tE
r Rr
c
c
t
c( ) ( Re )
innd seama de schema echivalent a comutatorului real, se obine
succesiv:
Deoarece R
-
Comutatia inversa
Vr
r RE V
r
r REb
b
c
c
( ) , (0)
V tE
r Rr
R r r
r Re
b
bb c
b
t
b( ) [( )
]
b cchiv bl p
b
b
p pR Cr R
r RC RC
V t ER
r Re
b
t
b( ) ( )
1
Se pun n eviden valorile iniiale i finale ale tensiunii:
Dac R
-
Timpii de crestere/cadere
tTLH c 2 2, tTHL b 2 2,
n cazul n care se consider tensiunea de intrare ca fiind un
impuls dreptunghiular, dac se calculeaz timpii de cretere,
respectiv de cdere ntre 10% i 90% din Vmax, se obine rspunsul din
figura 3.7, unde:
Figura 3.7. Rspunsul comutatorului real la un impuls de comand
rectangular
0,9 Vmax
0,1 Vmax
Vmax
tTLH tTHL
V
t
-
Puterea disipata (1)
Avnd n vedere faptul c n timpul comutaiei tensiunea i curentul
sunt simultan nenule, se poate determina
puterea disipat de comutatorul real.
Cele patru componente care
alctuiesc puterea disipat sunt:
- puterea disipat n stare blocat
- puterea disipat n stare de conducie
- puterea disipat n timpul comutaiei directe
- puterea disipat n timpul comutaiei inverse.
Figura 3.8. Curentul, tensiunea i puterea disipat printr-un
comutator
real
I
Ic0
Ib0
P
Vc0
VVb0
t
t
t
T
Tc Tb
-
Puterea disipata (2)
Componentele enumerate se regsesc ca termeni componeni ai
expresiei care descrie puterea total disipat:
PV I T V I T V I t t
T
b b b c c c b c c b 0 0 0 0 0 0 ( )
Se observ c puterea disipat este o funcie de frecven (inversul
perioadei). n regim de comutaie puterea crete cu creterea
frecvenei.
P fT
( )1
-
Dioda in comutatie
Regimuri de functionare
-
Dioda ca si comutator
-
Dioda n regim de comutaie
Pentru a studia comportarea diodei n regim de comutaie se
consider circuitul elementar din figura 3.9 la a crui intrare se
aplic un semnal de tip treapt (se neglijeaza strpungerea
invers).
Figura 3.9. Circuit pentru studiul diodei n comutaie (a), semnal
de intrare pentru studiul comutaiei (b), caracteristica
curent-tensiune a diodei semiconductoare (c)
cba
t
Vin
V2
V1
IA
I0
VAVODVin Vout
R
-
Dioda in comutatie
n cazul comutrii directe se poate exprima valoarea curentului ID
prin expresia (3.23).
Pentru situaia n care dioda este polarizat invers:
IV V
R
V
RD
D
1 1
I IV
RA R
2
-
Fenomene fizice la comutatia
diodei
Dac se noteaz cu Na, Nd concentraiile impuritilor acceptoare din
regiunea p i donoare din regiune n, n ipoteza c toate impuritile
sunt ionizate, concentraiile de goluri i electroni n cele dou
regiuni ale jonciunii pn, pp i nn, n absena tensiunii de
polarizare, satisfac relaiile:
pp = Na ; pn = Nd iar pp np = pn nn = ni2 (3.25)
unde pi = ni reprezint concentraia electronilor sau golurilor n
semiconductorul intrinsec (nedopat).
-
Variatia concentratiei purtatorilor
n teoria semiconductorilor se arat c variaiile concentraiilor de
purttori n lungul unei axe perpendiculare pe planul jonciunii, sunt
descrise de ecuaiile:
p x p pqV
KT
x l
Lpentru x ln n
A n
p
n( ) exp exp ,
1
n x n nqV
KT
x l
Lpentru x lp p
A p
n
n( ) exp exp ,
1
unde prin Lp i Ln s-au notat lungimea de difuzie a golurilor,
respectiv electronilor n exces, iar lp i ln reprezint adncimea
regiunii de tranziie n regiunea p, respectiv n.
-
Distributia concentratiei de
purtatori in polarizare constanta
a. b.
Figura 3.10. Variaia concentraiei de purttori pentru o jonciune
pn polarizat direct (a), respectiv invers (b).
Concentraie
pn(0)
np(0) p(x)
xx = 0
regiune p regiune n
(Na)(Nd)
Concentraie
pnnp
n(x)
xx = 0
regiune p regiune n
(Na) (Nd)
pnpn
n(x)
n(p)
n(x)
np(0)
pn(0)
p(x)
n figura 3.10 sunt reprezentate aceste variaii pentru cazul unei
polarizri directe (a), respectiv inverse (b), n condiiile neglijrii
adncimii regiunilor de tranziie. Comutaia presupune modificarea
distribuiei de purttori de la situaia prezentat n figura 3.10.a la
situaia din figura 3.10.b sau invers, proces care presupune
scurgerea unui anumit timp. Aceste ntrzieri se regsesc de altfel i
n formele de und care reprezint rspunsul jonciunii la un semnal
treapt.
-
Comutatia diodei
Comutaia presupune modificarea distribuiei de purttori de la o
situaie la alta, proces care presupune scurgerea unui anumit timp.
Aceste ntrzieri se regsesc de altfel i n formele de und care
reprezint rspunsul jonciunii la un semnal treapt.
https://www.fairchildsemi.com
-
Variatia tensiunii si curentului
in cazul comutatiei diodei
a.
b.
Figura 3.11. Comutaia direct (a) i invers (b) n cazul diodei
semiconductoare
Vin(t)
IA(t)
VA(t)
ID
V1
V2
1,1VD
0,9VD VD
t0t
t
t
td tr
ton
Vin(t)
IA(t)
VA(t)
ID
V1
V2
V2
VD
t0 t
t
t
ts tttoff
0,1IR
IR
Rspunsul detaliat al diodei la un semnal
treapt pozitiv este reprezentat n figura 3.11.
Se remarc c la aplicarea unei trepte de
tensiune, curentul prin
diod crete cu o oarecare inerie, de la valoarea rezidual redus
specific polarizrii inverse IT, la valoarea curentului direct
prin dioda deschis ID.
-
Timpul de comutatie directa
Tensiunea la extremitile jonciunii devine pozitiv cu o ntrziere
td (timp de ntrziere -delay time) fa de momentul aplicrii saltului
de tensiune la intrare. Aceast inerie se datoreaz timpului necesar
transferului de purttori majoritari dintr-o regiune n alta n scopul
anihilrii barierei de potenial de la nivelul jonciunii. Urmeaz apoi
injecia de purttori minoritari care difuzeaz n regiunile neutre,
fenomen caracterizat de asemenea de o anumit ntrziere, tr (timp de
cretere -rise time).
Timpul de comutare direct va fi deci alctuit din cele dou
componente:
ton = td + tr (3.28)
n cazul n care rezistena regiunilor neutre ale diodei este
neglijabil, forma de und a tensiunii la bornele jonciunii prezint o
supracretere pronunat, peste valoarea tensiunii de deschidere UD, n
interiorul intervalului de timp tr (reprezentarea cu linie ntrerupt
- figura 3.11.a).
-
Timpul de comutatie inversa n cazul comutaiei inverse, atunci
cnd tensiunea de intrare trece prin salt
de la o valoare pozitiv la una negativ, curentul prin jonciune
prezint la rndul lui un salt datorat faptului c purttorii
minoritari din cele dou regiuni nu dispar instantaneu, fiind
necesar un timp de recombinare a lor
sau de trecere n regiunile din care provin, timp numit timp de
stocare, tS.
Pe msur ce scade concentraia de purttori minoritari, se reduce i
tensiunea pe jonciune ctre valoarea 0, urmat de o cretere progresiv
ctre valoarea tensiunii inverse de regim staionar, corespunztor cu
reducerea curentului ctre valoarea rezidual asociat polarizrii
inverse. Timpul necesar pentru ca tensiunea pe jonciune s evolueze
de la 0 la valoarea tensiunii inverse de polarizare se numete timp
de tranziie, tt.
Timpul de comutaie invers va fi aadar (figura 3.11.b):
toff = ts + tt (3.29)
-
Reducerea timpului de
comutatie
Timpul de comutaie invers este cu mult mai mare dect timpul de
comutaie direct, toff >> ton . Pentru a asigura deci o
comutaie rapid trebuie redus n primul rnd timpul de comutaie
invers. In procesele de comutaie se studiaz prin urmare, cu
precdere, comutaia invers.
Pentru reducerea timpului de comutaie invers, care este
determinant n bilanul temporal al comutaiei, se poate utiliza o
capacitate conectat n paralel cu sarcina care s asigure parial
surplusul de sarcini necesar pentru reechilibrarea jonciunii.
-
Metode de reducere a timpilor
de comutatie
Utilizarea unor curenti de polarizare mari
care sa asigure re-echilibrarea rapida a
jonctiunii
Reducerea timpului de viata al purtatorilor
minoritari prin asigurarea unei recombinari
rapide (impurificare Si cu Au)
Reducerea grosimii stratului de stocare a
purtatorilor minoritari
Utilizarea diodelor rapide (Schottky)
-
Diode Schottky
Diodele Schottky lucreaza
preponderent cu purtatori
majoritari, ceea ce elimina
timpul necesar recombinarii
purtatorilor minoritari (ts)
-
Aplicatii de limitare/fixare nivel
http://www.electronics-tutorials.ws/diode/diode_4.html
-
Aplicatii in circuite logice
Cascada AND-OR
Evaluati VOH si VOL
-
Capacitatati specifice
jonctiunilor semiconductoare
Intrzierile care apar la nivelul unei jonciuni semiconductoare
sub efectul unui front de tensiune
de comand sunt modelate utiliznd capaciti:
capacitatea de difuzie
(predominanta in polarizarea directa) .
capacitatea de barier
(predominanta in polarizarea inversa) .
-
Capacitatea de difuzie CD (1)
Pentru o jonciune polarizat direct, golurile difuzeaz din
regiunea p n regiunea n. n consecin, n vecintatea jonciunii, n
regiunea n, avem o mai mare concentraie de goluri dect exist n mod
normal tocmai datorit acestei difuzii. Aceast densitate de goluri n
exces poate fi considerat ca o acumulare de sarcini n vecintatea
jonciunii.
Cantitatea de sarcini n exces este determinat de mrimea
polarizrii directe. Pe msur ce ne ndeprtm de jonciune, excesul
concentraiei de goluri descrete datorit recombinrii cu electronii
majoritari.
La fel se comport electronii ce difuzeaz n regiunea p.
-
Capacitatea de difuzie CD (2)
Dac aplicm un semnal ce mrete polarizarea direct cu V, creterea
concentratiei de goluri (electroni) provoac o schimbare Q n sarcina
acumulat n apropierea jonciunii.
Timpul mediu de via al sarcinilor, , este o msur a timpului de
recombinare a excesului de sarcini minoritare si poate fi privit ca
o constant de timp de difuzie.
Raportul Q/V definete capacitatea de difuzie CD. Pentru o diod
cu jonciune, unde una din regiuni este mult mai puternic dopat dect
cealalt, CD se evalueaz astfel:
CdQ
dV
I dt
V rFD
Q T d
[ ] r CD D
Capacitatea de difuzie este proporional cu curentul I.
-
Capacitatea de bariera CT (1)
n cazul unei polarizri inverse intervine o capacitate numit
capacitate de barier (sau capacitate de tranziie sau capacitate de
sarcin spaial, CT ).
CT semnifica schimbarea n sarcina acumulat n regiunea srcit de
purttori n corelaie cu modificarea tensiunii inverse pe
jonciune.
Creterea polarizrii inverse determin mrirea regiunii srcite de
purttori de lime W.
-
Capacitatea de bariera CT (2)
Datorit ionilor pozitivi existeni de o parte a jonciunii i a
ionilor negativi de cealalt parte a jonctiunii (in zonele saracite
de purtatori), CT este analog cu o capacitate cu
armturi plan-paralele (unde W este limea regiunii srcite de
purttori, A este aria jonciunii i este permitivitatea
semiconductorului):
Trebuie s remarcm c W este funcie de tensiunea de polarizare
invers i deci CT este dependent de tensiune.
CA
WFT
[ ]
-
CD vs. CT
n condiiile polarizrii directe, valoarea capacitii de barier
este att de mic comparativ cu CD nct n general ea este
neglijat.
n mod similar n cazul unei diode polarizate invers exist o
anumit difuzie a sarcinilor, ns aceast capacitate este neglijabil n
comparaie cu CT.
Dependenta capacitatii de bariera de tensiunea
de polarizare inversa este exploatata in cazul
diodelor varicap:
-
Comutatia TB
Funcionarea tranzistorului n regim de comutaie const n trecerea
sa dintr-o stare stabil n alta (saturatie/activ blocare)
-
Tranzistorul bipolar in regim
de comutatie
Pn n momentul t0 (figura 3.13) presupunem c tranzistorul era
blocat (IB = 0; IC= 0). Ca urmare, tensiunea
V2 < 0 se regsete n baz, deci UBE = V2 < 0, iar VBC = VBE
+ VCE = V2 - EC = - (|V2| + EC) < 0 .
n momentul initial t0 tensiunea la intrare, Vin , i schimb prin
salt valoarea de la V2 < 0 la V1 > 0. Curentul n baz va crete
brusc deoarece capacitile de barier ale jonciunilor nu-i pot
schimba brusc tensiunea la borne.
Pe msur ce aceste capaciti se ncarc, tensiunea n baz ncepe s
creasc, iar curentul de baz s scad.
I tV V
R
V V
R
V V
RB
BE
B B B
( )(0)
01 1 2 1 2
-
Comutatia directa
Figura 3.13. Semnale specifice
tranzistorului bipolar n comutaie: a.- impuls de
comand bipolar b.- curent de baz c.- curent de colector
t
t
t
v in
V1
V2
t5t0
t7t6t1
t8
td1
tr
t4
t3
t2
tf
t5
ton
td2
a)
b)
c)
IB(t)
iB1
iB2
0,1ICS
ICS
0,9ICS
iC(t)
tS
La momentul t1 cnd VBE = V (tensiunea de deschidere a
tranzistorului), tranzistorul ajunge la
marginea regiunii active. Se definete prin:
(timpul de ntrziere, necesar tranzistorului s ajung la marginea
regiunii active)
n al doilea rnd, trebuie un anumit timp pentru ca purttorii
injectai de emitor n baz s ajung la colector. Pentru a caracteriza
acest proces se
definete un al doilea timp de ntrziere td2 = t2 - t1,
(datorat difuziei n baz)
Ca urmare, este necesar scurgerea unui timp de ntrziere (delay
time) pn n momentul n care curentul de colector ncepe s creasc:
t t td1 1 0
t t td d d 1 2
-
Timpul de comutatie directa
Dup ce tranzistorul intr n regiunea activ, curentul prin
colector nu crete brusc la valoarea final ICS deoarece trebuie
ncrcate capacitile de barier ale jonciunilor i trebuie format
distribuia de purttori majoritari n baz corespunztoare regimului de
saturaie.
Se definete timpul de cretere sau ridicare tr (rise time) ca
intervalul n care valoarea curentului de colector crete pn la 0,9
din valoarea final: tr = t3 - t2 (vezi figura 3.13).
n acest interval de timp, curentul n baz prezint o uoar scdere,
datorit creterii tensiunii VBE de la V la VBE(sat) > V. Dac
tensiunea V1 este suficient de mare, tranzistorul va fi comutat n
saturaie (momentul t4 corespunde acestei situaii, figura
3.13.c).
Timpul de comutaie direct ton se definete ca interval de timp
scurs de la aplicarea comenzii pn la momentul cnd curentul de
colector ajunge la 0,9 din valoarea final:
t t ton d r
-
Comutatia inversa
Tranzistorul rmne n starea saturat (de conducie) atta timp ct
tensiunea la intrare se menine corespunzatoare.
Presupunem acum c la momentul t5 tensiunea la intrare variaz
brusc la valoarea V2 < 0. Datorit capacitii de barier, jonciunea
baz-emitor nu-i poate schimba instantaneu tensiunea, deci VBE(t5+)
= VBE(sat).
Ca urmare, curentul de baz i schimb brusc sensul, lund
valoarea:
-situaia este similar cu cea din cazul comutaiei inverse a
jonciunii pn.
B
satBE
B
BEB
R
VV
R
VVI
)(222
-
Timpul de comutatie inversa (1)
Curentul de colector nu simte imediat modificarea
tensiunii aplicate n circuitul bazei deoarece n baza
tranzistorului saturat se afl un exces de sarcin (sarcin stocat),
fa de valoarea necesar pentru a asigura curentul de colector
ICS.
Curentul de colector ncepe s scad abia dup ce este eliminat toat
sarcina suplimentar de purttori minoritari din baz (figura
3.13.c).
Intervalul de timp ts = t6 - t5 scurs de la aplicarea
comenzii de comutaie invers pn n momentul cnd curentul de
colector ncepe s scad este numit timp de stocare (storage
time).
-
Timpul de comutatie inversa (2)
Dup ce tranzistorul iese din saturaie spre starea de blocare,
intervin procese nverse comutatiei directe
Se definete un timp de cdere tf = t7 - t6 (fall time), ca
interval n care curentul de colector scade de la ICS la 0,1 ICS. n
intervalul t6 t7, valoarea curentului de baz scade puin datorit
scderii tensiunii VBE de la VBE(sat) la V.
Timpul de comutaie invers toff se definete ca intervalul scurs
de la aplicarea comenzii de comutaie invers pn la momentul n care
curentul de colector scade la 0.1 din valoarea sa iniial:
t t toff s f
-
Timpul de revenire
Dei tranzistorul devine din nou blocat (IC = 0) exist nc un timp
final de revenire tfr (final recovery time), necesar descrcrii
capacitilor jonciunilor. n acest interval de timp tensiunea VBE
scade de la V la zero
tfr = t8 - t7 .
Definiiile date pentru timpii de comutaie corespund
interpretrilor fizice ale acestora dar sunt dificil de gestionat in
cazurile practice.
-
Definirea practica a timpilor de
comutatie pentru TB
Experimental este mai
comod s se defineasc timpii de comutaie astfel (figura
3.14):
td - ntre 0 i 0,1 ICS
tr - ntre 0,1 i 0,9 ICS
ts - ntre ICS i 0,9 ICS
tf - ntre 0,9 i 0,1 ICS
Noile definiii modific doar td i tr, respectiv ts i tf. Timpii
totali de
comutaie ton i toff (deci cei care intereseaz practic) nu se
modific.
Figura 3.14. Definirea practic a timpilor de comutaie
t
t
v in
V1
V2
ICS
0,9ICS
0,1ICS
ic
tftstrtd
toffton
-
Regimuri de functionare ale
TB in comutatie
Figura 3.15. Regimurile de
funcionare n comutaie ale tranzistorului bipolar
IC
RS
R Act
UCRB
B
E
D
A C
F
IB=ct
RAv
RS - regiunea de saturaieRAv - regiunea de strpungereprin
avalanRB - regiunea de blocareR act. - regiunea activ
n funcie de regiunile ntre care are loc deplasarea punctului de
funcionare se evideniaz trei regimuri de funcionare n comutaie:
regimul de saturaie: tranzistorul comut ntre regiunea de blocare
i cea de saturaie (AB);
regimul de curent: tranzistorul comut ntre regiunea de blocare i
cea activ (CD);
regimul de avalan: tranzistorul comut ntre regiunea de blocare i
regiunea de avalan (EF).
-
Regimul de saturaie al tranzistorului bipolar n comutaie
Acest tip de comutaie este specific nivelelor mari de semnal i
este cel mai rspndit. Dependena ntre curent i tensiune este descris
de ecuaiile Ebers-Moll, care se refer ns la tranzistorul ideal.
Funcionarea n regim de saturaie are loc pentru toate cele trei
moduri de conectare ale tranzistorului bipolar (baz comun, emitor
comun, colector comun), mai utilizate fiind conexiunea emitor comun
i cea cu baz comun.
Indiferent de tipul conexiunii, n acest regim de lucru
funcionarea are loc ntre regiunea de blocare i cea de saturaie.
-
Comutatie TB in planul
caracteristicilor de iesire (EC)
a. b.
Figura 3.16. Conexiunea emitor comun a tranzistorului (a) i
caracteristica de ieire asociat (b).
+EC
-
RC
RB+
-
EBUCE
IC
+
IB
UBC
UBE
IC
UCEEC
AA'
C
BB
RB
ICE0 ICB0
R Act
UBC=0
IB= -ICB0
IB= 0
IBS
A
C
B
-
Starea de blocare
Starea de blocare are loc pentru o tensiune VBE>0 la
tranzistoarele pnp, i VBE< 0 la tranzistoarele npn. Curenii
reziduali prin tranzistor se determin din ecuaiile Ebers-Moll.
Deoarece: IC=IE+ICB0 (3.55)
innd cont c IC + IE + IB = 0 i IE = 0 ,
rezult IC = ICB0 i IB = -ICB0 , ceea ce corespunde punctului A'
din planul caracteristicilor de ieire.
Situaia corespunde unui regim de blocare profund, caracterizat
de o tensiune colector-baz mare i o putere disipat redus.
Dac IB=0, rezult CEOF
COEC I
III
1
-
Starea de saturatie
Starea de saturaie se produce atunci cnd jonciunea emitorului i
a colectorului sunt polarizate direct. Este necesar ca VBE>VD
(VD fiind tensiunea de deschidere a
jonciunii baz-emitor).
La limita de intrare n saturaie exist proprietatea:
IC=IB i IC=IE. (3.57)
Punctul de intrare n saturaie este B (0,ICS).
Valoarea curenilor de saturaie se obine pentru situaii
extreme:
I IE
RES CS
C
C
-
Conditia de saturatie
Condiia de saturaie impus tensiunilor nu este comod i de aceea
se folosete condiia pentru cureni:
IE IES, IB IBS sau IB > IC / .
Se poate defini, n cazul saturaiei, gradul de saturaie, msurabil
prin factorul de supracomand:
Funcionarea tranzistorului n regim de saturaie este exploatat n
cazul utilizrii acestuia drept comutator.
SI
IS
I
IE
E
ES
BB
BS
respectiv
-
Comutator cu TB in conexiune EC (1)
Circuitul din figura
3.18 este un
comutator simplu n configuraie emitor comun.
Forma de und pentru tensiunea de intrare vi
este utilizat pentru a controla starea
comutatorului (ntre colector i emitor).
Figura 3.18. Tranzistorul bipolar n conexiune emitor-comun ca
comutator
tOFF
ts
v i
V1
-V2
T2T1t
(a) (b)
v0v i
+VCC
RL
RB++-
-
iC
iB
0,1IC(sat)
VCE(sat)
0,9IC(sat)
v0
ic
VCC
IC(sat)
T2T1
t
t
td tftrtON
-
Comutator cu TB in conexiune EC (2)
Pentru t < T1 i vi = -V2 dioda baz-emitor este polarizat
invers.
Dac neglijm componentele curentului invers, cum dioda
baz-colector este de asemenea polarizat invers, tranzistorul
bipolar este blocat i nu exist nici un curent n circuit. n
consecin, v0 = VCC iar ic=0, acesta fiind echivalent cu un
comutator deschis.
Se poate aprecia c ic IC0 i v0 = VCC - IC0 RL. Cu IC0 de ordinul
nanoamperilor i RL de ordinul kiloohmilor rezult c v0 difer de VCC
doar cu civa microvoli. Deci, n situaii practice, se poate
considera c v0=VCC.
Tensiunea de intrare devine V1 pentru T1< t
-
Comutator cu TB in conexiune EC (3)
Valorile de mai jos aproximeaz un comutator nchis.
Curentul n comutatorul nchis este determinat de elementele
externe VCC i RL.
Pentru VCC >> 0,3 V, iC = VCC / RL.
La momentul de timp t=T2, forma de und de intrare comut din nou
la -V2, determinnd tranzistorul bipolar s revin n regim de blocare.
Forma de und pentru v0 i iC, este reprezentat n figura 3.18.
v v V VCE CE sat 0 03( ) , iV V
Rc
CC CE sat
L
( )( )
-
Caracteristica de transfer a
comutatorului cu TB
Figura 3.19 Caracteristica de transfer a comutatorului cu
tranzistor bipolar
v0
v i
0,7
Caracteristic liniarizat
Caracteristic real
VCE(sat)
VCCCaracteristica de transfer
descris n figura 3.19 este rotunjit i n jurul valorii de
saturaie i n jurul valorii de tiere.
Deoarece tranzistorul bipolar nu
se deschide i nu se blocheaz brusc, n vecintatea deschiderii i a
blocrii apare o rotunjire a caracteristicii.
-
Caracteristica de
transfer liniarizata
Caracteristica de transfer liniarizat ilustreaz comportarea
circuitului. Cele dou segmente orizontale indic strile ON i OFF ale
comutatorului.
De-a lungul fiecruia din cele dou segmente ieirea nu este
afectat de schimbrile semnalului de intrare (tranzistorul bipolar
este saturat sau blocat).
Segmentul ce unete regiunile orizontale ilustreaz dependena
liniar a ieirii fa de intrare, comportamentul fiind aceia a unei
surse de tensiune
controlate n tensiune, deci un amplificator (tranzistorul este
polarizat n regiunea activ normal).
v0
v i
0,7
Caracteristic liniarizat
Caracteristic real
VCE(sat)
VCC
-
Porti logice simple cu TB
AND OR NAND NOR NOR
-
Regimul de curent al tranzistorului
bipolar n comutaie
Regimul de curent reprezint comutarea ntre regiunea de blocare i
regiunea activ.
Funcionarea de acest tip este specific amplificatoarelor
difereniale.
Perechea cu cuplaj prin emitor
sau perechea diferenial din figura 3.20 este printre cele
mai
importante configuraii de tranzistor regsite n circuitele
integrate. Sursa de curent IEE
este realizat cu o oglind de curent sau alte circuite
similare.
Figura 3.20. Etaj diferenial
+VCC
V0
V02V01
VBE1 VBE2 V2V1
RCRC
Q1 Q2
IEE
+
++
++++
-
--
----
-
Analiza etajului diferential (1)
Q1 i Q2 sunt tranzistoare identice i ambele rezistene de
colector au valori egale.
Se poate arta c etajul diferenial poate fi utilizat att ca
amplificator ct i ca comutator. Pentru aceasta vom determina
caracteristica de transfer de
curent continuu a circuitului.
Legea lui Kirchhoff pentru bucla ce conine cele dou jonciuni
baz-emitor este:
V V V VBE BE1 1 2 2 0
-
Analiza etajului diferential (2)
Cu tranzistorul polarizat n regiunea activ, curentul invers al
jonciunii baz-colector este neglijabil. Curenii de colector IC1 i
IC2 sunt determinai de ecuaiile:
Construim raportul IC1 / IC2 ca fiind (3.66):
Se observ c VBE1 - VBE2 = V1 - V2 = Vd unde Vd este diferena (de
aici i denumirea de diferenial) dintre dou tensiuni de intrare.
I I eC F ESV VBE T
11 / I I eC F ES
V VBE T2
2 /
I
Ie eC
C
V V V V VBE BE T d T1
2
1 2 ( ) / /
-
Analiza etajului diferential (3)
Ecuaia lui Kirchhoff pentru cureni n nodul emitorului
determin:
mprind ambii membri ai ecuaiei de mai sus prin IC1 / F
rezult:
Substituind ecuaia 3.66 n ecuaia de mai sus i rezolvnd pentru
IC1 rezult (3.69, 3.70):
( )I I II I
E E EEC
F
C
F
1 21 2
F EE
C
C
C
I
I
I
I1
2
1
1
II
eC
F EE
V VD T1 1
/I
I
eC
F EE
V VD T2 1
/
-
Caracteristica de ieire normat a etajului diferenial
Figura 3.21. Caracteristica de ieire normat a etajului
diferenial
IC1, IC2
FIEE
FIEEIC2 IC1
2
Vd/VT-3 -1 31-4 -2 42
n ecuaiile anteriore (3.69 i 3.70) se observ c prin creterea
valorii lui Vd n sens pozitiv peste 4VT se determin ca IC1 i IC2 s
se apropie de valorile FIEE i respectiv zero.
Prin analogie, o valoare
negativ a lui Vd, cu |Vd| >4VT face ca IC1 s se apropie de
zero i IC2 s tind ctre FIEE.
-
Caracteristica de transfer a
etajului diferenial
R R RC C C1 2
22021101 ; CCCCCCCC RIVVRIVV
V V V0 01 02
Figura 3.22. Caracteristica de transfer a etajului
diferenial
V01 ,V02 , V0
- FIEERc
FIEERcV01 V02
Vd /VT
-3 -1 31-4 -2 42
VCC - FIEERcV0
Pe baza ecuaiilor 3.69 i 3.70 putem construi caracteristica de
transfer ca n figura 3.22.
Tensiunile V01 i V02 , pentru
Aplicarea unei tensiuni Vd > 4VT = 100
mV face ca IC1 FIEE i IC2 0. n acelai timp V02 = VCC i V01 =
FIEERC . V01 poate fi micorat corespunztor prin alegerea corect a
lui RC (V01 i V02 s corespund meninerii Q1 i Q2 n regiunea
activ).
-
Utilizarea etajului diferential Putem aproxima ieirea lui Q1 cu
un comutator nchis i a lui Q2 cu un
comutator deschis. Starea acestor comutatoare se schimb aplicnd
Vd < -4VT. Ieirea diferenial de asemenea evideniaz dou nivele de
ieire distincte: unul pozitiv i unul negativ, pentru o schimbare a
lui Vd de aproximativ 4VT.
In intervalul -2VT Vd 2VT, mrimile IC1, IC2, V01, V02 au valori
aproximativ liniar variabile relativ la Vd. Pentru aceast gam de
valori ale intrrii, circuitul se comport ca o surs controlat.
Ambele proprieti, de comutare, respectiv de amplificare ale
perechii cuplate prin emitor sunt exploatate n practic.
Proprietatea de amplificator joac un rol foarte important n
circuitele analogice iar caracteristica de comutaie este exploatat
n circuitele digitale i n mod particular n circuitele logice din
familia ECL.
Avantajul principal al acestui mod de lucru este acela c permite
o vitez de comutaie mare datorit faptului c tranzistoarele nu ajung
n saturaie.
-
Poarta OR/NOR cu etaj
diferential (ECL)
-
Regimul de avalansa al TB
Regimul de avalansa permite obtinerea unor timpi de
comutatie redusi, de ordinul nanosecundelor, comutand
curenti de valori mari pe durata strapungerii temporare
colector-emitor (si implicit colector-baza).
La tensiuni de polarizare mari ale jonciunii baz-colector
purttorii de sarcin ionizeaz atomii neutri producnd o multiplicare
n avalan i o cretere accelerat a curentului de colector.
Se defineste gradul de multiplicare n regiunea de sarcin
spaial
MV VBC av
n
1
1 ( / )
VBC - tensiunea invers aplicat acestei jonciuni ;Vav - tensiunea
de strpungere n avalan; n = 1 ...7 constant tehnologic ; Vav este
cea mai mare tensiune de strpungere pentru jonciunea baz-colector
cu IE constant i IC tinznd la .
-
Strapungerea in avalansa a TB
VCB2, VCB1 sunt tensiuni de strpungere definite ca n figura
3.23. Ele se mai ntlnesc n cataloage cu denumirea de VBR(CE0)
respectiv VBR(CB0) , iar ntre ele exist legtura exprimat prin
relaia de mai jos:
V V hCB CB bn2 1 211
baz comun emitor comun Figura 3.23. Definirea tensiunilor de
strpungere pentru tranzistorul bipolar
polarizat n regiunea activ
IC
VCB1
VCB
IE>0
VCB2
VCE
IC
IB=0
IB>0
VCB1
IE=0
Figura 3.25. Definirea tensiunilor de strpungere pentru
tranzistorul bipolar polarizat n regiunea de
blocare
vIC
VCE
(VCB2) (VCB1)
IB=0R B =0
RB
-
Comutatia prin strapungere in
avalansa a TB Pentru regiunea de blocare se consider o schem
simpl de polarizare a
tranzistorului ca n figura 3.24.
Timpul de comutaie al tranzistorului n regim de avalan este
determinat de timpul de tranzit al purttorilor prin jonciunea
polarizat invers.
La tranzistoarele de nalt frecven, obinute prin difuzie, timpul
de comutaie are o valoare mai mic de 1ns i depinde de gradul de
multiplicare M i de frecvena de tiere.
Funcionarea n regim de avalan este utilizat la obinerea de
impulsuri scurte i uneori la obinerea de tensiuni liniar variabile
sau n trepte.
Acest regim nu se folosete n mod uzual deoarece necesit tensiuni
mari i prezint instabilitate termic
RB
RC
EC
Vi
VoFigura 3.24. Tranzistor n comutaie
-
Timpii de comutatie ai TB
La joas frecven tranzistorul bipolar poate fi considerat element
de comutaie ideal.
La creterea frecvenei comutaia se nrutete datorit timpului
necesar trecerii purttorilor din emitor n colector (inerie de nalt
frecven).
Proprietile de inerie sunt puse n eviden de factorul de
curent:
unde f = 1 / 2 este frecvena de tiere, iar este constanta de
timp pentru conexiunea baz-comun.
h fh
f
f
b
b
21
21 0
1
( )
-
Viteza de comutatie a TB
Comportarea tranzistorului la nalt frecven este influenat de
dimensiunile fizice ale tranzistorului prin rezistena intrinsec a
bazei i prin capacitile jonciunilor. Pentru o jonciune se definesc
dou capaciti (vezi capitolul 3.2.3.):
C C qVkT
CC
V
U
d dA
b
b
A
0
0
10
exp - capacitatea de difuzie, dominant n polarizarea direct) -
capacitatea de barier, dominant n polarizare invers)
Proprietile de comutaie sunt influenate de asemenea i de
acumularea de purttori de sarcin minoritari n regiunea bazei la
intrarea n saturaie.
Timpii de comutaie asociai sunt influenai i de natura
sarcinii.
-
Raspunsul la monoimpuls de
comanda
Dac reprezentm rspunsul unui tranzistor bipolar comandat
cu un curent de baz de tip impuls se obine o variaie de tipul
celei descrise in figura 3.26.
Notaiile au urmtoarele semnificaii: tr - timp de cretere; tS -
timp de ieire din saturaie; tf - timp de cdere sau de blocare; tS+
tf= toff - timp de comutaie invers; ton - timp de comutaie
direct.
Este necesar s fie ndeplinit condiia de saturare a
tranzistorului IBh21E>>ICsat .
Figura 3.26. Rspunsul tranzistorului bipolar la impuls de curent
n baz
IB1IB2
IB
IC/IC0
10.9
0.1
tr tS tf
-
Timpii de comutatie ai TB
Se observ c timpii depind att de curenii din baz, ct i de
constanta de timp de stocare .
Avantajele regimului de saturaie n comutaie sunt: stabilitate
bun (tranzistorul i pstreaz starea de saturaie sau blocare chiar i
n prezena unor perturbaii importante), numr redus de componente,
proiectare uoar, disipatie termic redus.
Dezavantajul principal este viteza redus de comutaie.
tI
Ir
CS
B
1
tI
If
CS
B
2
tI I h
I h IS
B B E
CS E B
ln
( )1 2 21
21 2
IB1IB2
IB
IC/IC0
10.9
0.1
tr tS tf
-
Posibiliti de reducere a timpilor de comutaie (1)
Exist mai multe posibiliti pentru reducerea timpilor de
comutaie:
a) reducerea timpilor de comutaie prin utilizarea unor
tranzistoare cu frecven de tiere ridicat;
b) utilizarea condensatoarelor de accelerare - asigur o
supracomand n baza tranzistorului. Mrirea curentului de baz n
general nu este recomandat deoarece IB pentru comutaia direct,
respectiv invers determin efecte contrare;
c) evitarea intrrii n saturaie a tranzistorului bipolar cu
ajutorul reaciei negative neliniare.
Prima soluie depinde de tehnologia de fabricaie a tranzistorului
i nu este la ndemna utilizatorilor, celelalte dou metode fiind ns
larg rspndite.
-
Posibiliti de reducere a timpilor de comutaie (2)
O soluie practic uzual const n modificarea formei de und a
tensiunii de comand cu ajutorul unor elemente pasive, n particular
capaciti.
Forma de und ideal pentru comanda n baz include supracresteri
temporare ce au ca efect reducerea timpilor de
comutaie.
Timpul de comutaie direct ton poate fi redus prin mrirea
curentului de comand IB peste valoarea normal de meninere n
saturaie. Aceasta influeneaz ns negativ timpul de ieire din
saturaie determinat n principal de timpul de stocare a purttorilor
ts. De aceea, n cazul comutaiei inverse, se urmrete aplicarea unei
supracreteri similare pentru reducerea timpului de comutaie invers
toff = tS+tf .
-
Reducerea timpilor de comutatie
prin supracomanda (1)
Figura 3.27. Reducerea timpilor de comutaie prin modificarea
formei de und a curentului de comand
IB
IB1IBIS
IB2I'B2
t
IC
t
ton toff
10,9
0,1
-
Reducerea timpilor de comutatie
prin supracomanda (2)
O astfel de form de und este dificil de obinut n practic motiv
pentru care se utilizeaz un compromis.
Dac se introduce un circuit de derivare n baza tranzistorului
(circuit alctuit din C i Rin T ) impulsul de comand furnizat de
sursa e(t) (figura 3.28) va fi deformat, fiind afectat de
supracreteri suprapuse celor dou fronturi. Tensiunea de comand e(t)
va determina o variaie a curentului ca n figura 3.28.
-
Supracomanda capacitiva
a. b.
Figura 3.28. Supracomanda tranzistorului, folosind circuit de
derivare n baz, n scopul reducerii timpilor de comutaie (a) i forme
de und asociate (b)
t1 t2
RC
RBVO
IC
IB
EC
D
C
e
rS
IBS
ICB0
IB2
t1
tr
t2
ts + tf
IB1
IB2
E1TO
t
E2
t
-
Evaluarea curentilor de
supracomanda (1)
Pentru e(t)=E1 , tranzistorul fiind iniial blocat, curentul
injectat n baz va fi cel determinat mai jos, unde VC este tensiunea
pe condensator la
momentul t1, iar Rin= rb este rezistena de intrare n baza
tranzistorului. Pe msur ce condensatorul se ncarc IB, se micoreaz ,
ajungand la valoarea IBS.
IE V t
r RB
C
s in
11 1
( )
IE
r R RBS
s B in
1
-
Evaluarea curentilor de
supracomanda (2)
Pentru ca prin tranzistor s se stabileasc curentul de regim
staionar, IBS, nainte de terminarea impulsului de comand ( t2 ),
trebuie satisfcut relaia:
c s inC R r RT
||( ) 03
n momentul blocrii tranzistorului: I E V tr RBC
s in
22 2
( )
Pe msur ce condensatorul se descarc, IB scade ctre ICB0.
Pentru a accelera descrcarea condensatorului dup blocarea
tranzistorului, s-a introdus dioda D care protejeaz jonciunea BE la
supracomanda invers. Aceast metod este util cu precdere n cazul
tranzistoarelor avnd parametrul h21E cu dispersie tehnologic
redus.
-
Cresterea vitezei de comutatie
prin evitarea saturatiei
O alt metod de reducere a timpilor de comutaie se refer la
evitarea intrrii in saturaie prin introducerea unei reacii negative
care s mpiedice polarizarea direct a jonciunii baz-colector (figura
3.29).
Valoarea rezistenei R trebuie astfel aleas nct pentru valoarea
maxim h21Emax, cderea de tensiune pe R s fie mai mare dect cderea
de tensiune pe D.
Figura 3.29. Reducerea timpilor de
comutaie prin evitarea intrrii n saturaie
RC
R
VO
IC
EC
R1
ID D
I IB
I1
EB
R I I V
IE
R h
IE
R
B D
Bc
C E
B
( )
1
21
1
1
121 R
E
Rh
E
VR
B
CE
c
D
-
Metode alternative de evitare
a saturatiei TB
-
TEC in comutatie
Tranzistoarele cu efect de cmp (TEC) sunt folosite pe scar larg
n circuitele digitale unde este exploatat nsuirea de comutator a
acestui dispozitiv.
Cele mai utilizate n regim de comutaie sunt tranzistoarele
TEC-MOS, a cror comportament se apropie cel mai mult de comutatorul
ideal.
Funcionarea n comutaie este determinat esenial de sarcina pe
care lucreaz tranzistorul, motiv pentru care n continuare s-au
abordat astfel de situaii concrete.
-
Tranzistoare cu efect de camp
83
cu imbogatire,
canal indus
cu saracire,
canal initial
cu grila
jonctiune
-
TEC cu sarcina rezistiva in
regim de comutatie
a. b.
Figura 3.30 TEC cu sarcin rezistiv (a) i caracteristicile
asociate (b)
VDD
RD
RG
Cvo
v in
iD
VGS = V1
VGS = ct
VDS
VDD
B
C
D
A
-
Fenomenul fizic al comutatiei
TEC (1)
S considerm c la momentul iniial tranzistorul se afl n starea
blocat i i se aplic un salt de tensiune la intrare.
Imediat dup aplicarea comenzii de comutaie, canalul nefiind
format, tranzistorul nu conduce. Iniial sursa de semnal ncarc
pozitiv grila fa de substrat i mpinge golurile de la suprafa spre
interiorul substratului, formnd regiunea cu sarcin spaial, srcit de
goluri. Acelai curent transport electroni din regiunea n+ a sursei
spre regiunea p de sub gril, formnd canalul conductor.
-
Fenomenul fizic al comutatiei
TEC (2)
Procesele care au loc n aceast etap corespund ncrcrii unei
capaciti neliniare.
Pentru valorile uzuale ale capacitilor de gril (cca. 1 pF) i RG,
durata acestui proces este mic (considerandu-se c tranzistorul intr
n conducie imediat dup aplicarea comenzii de comutaie direct).
ntotdeauna la ieirea unui TEC exist o anumit capacitate parazit
C, format din capacitatea dren - surs , capacitatea conexiunilor i
capacitatea de intrare n etajul urmtor. Datorit acestor capaciti,
tensiunea la ieire, la sfritul procesului de formare a canalului,
practic nu se schimb, capacitatea memornd tensiunea la borne.
-
Comutatia directa TEC cu
sarcina rezistiva
n continuare, capacitatea C se descarc prin conductana dren -
surs, de la tensiunea iniial VDD (corespunztoare strii blocate) la
valoarea redus, corespunztoare strii de conducie (punctele B,
respectiv C din figura 3.30.b).
Punctul de funcionare al tranzistorului se deplaseaz pe
caracteristica static VGS = V1 din B spre C.
Acest proces determin durata comutaiei directe a TEC-MOS.
-
Comutatia inversa TEC cu
sarcina rezistiva
Dup aplicarea comenzii de comutaie invers, sursa de semnal
descarc capacitatea de gril. Sarcina pozitiv de pe gril este
eliminat iar golurile majoritare din substrat ptrund n regiunea
srcit de sarcini de la suprafa. n felul acesta, canalul
dispare.
Procesul de nchidere a canalului este foarte rapid, durata sa
putnd fi neglijat n cadrul timpului de comutaie invers. n planul
caracteristicilor de ieire, punctul de funcionare trece din C n D
la VDS = constant.
n continuare urmeaz ncrcarea capacitii parazite C prin rezistena
de dren pn la tensiunea VDD corespunztoare strii blocate.
Acest proces determin durata comutaiei inverse a TEC-MOS.
-
Timpii de comutatie TEC-MOS
cu sarcina rezistiva
Comutaia conductanei dren - surs precum i a curentului de dren
se face foarte rapid. Tensiunea la ieire are ns un proces
tranzitoriu mai lung,
datorit capacitii parazite de la ieire.
Timpii de comutaie direct i invers au aceleai definiii ca la
tranzistorul bipolar, cu deosebirea
c se refer la regimul tranzitoriu al tensiunii de la ieire.
La TEC-MOS aceti timpi sunt de ordinul 20 - 100ns.
Figura 3.31. Rspunsul n tensiune al TECMOS cu canal n indus
la
impuls de comand rectangular
t
t
v in
vo
V1
VDD
-
Sarcina rezistiva vs. sarcina
activa
n circuitele integrate actuale, tranzistoarele TEC-MOS nu
lucreaz cu sarcin rezistiv.
Rezistoarele folosite n circuitele integrate bipolare obinute
prin difuzie sau depuneri metalice n vid ocup suprafee mari. De
exemplu, un rezistor difuzat de 20k ocup o suprafa de aproximativ
0,2 mm2.
n circuitele integrate, ca rezistoare se folosesc tot
tranzistoare TECMOS a cror suprafa este cu aproximativ un ordin de
mrime mai mic dect cea ocupat de rezistorul difuzat. n acest caz,
se utilizeaz rezistena efectiv a canalului unui TEC-MOS n conducie
care funcioneaz fie n regiunea saturat fie n cea nesaturat a
caracteristicii ID (VDS). Cu aceste dispozitive se obin rezistene
cu o bun reproductibilitate i liniaritate. n plus, posibilitatea de
control a valorii rezistenei prin tensiunea de gril constituie un
avantaj deosebit pentru proiectantul de circuite integrate.
-
TEC cu sarcina activ in regim de comutaie
a. b.
Figura 3.32. TEC cu sarcin activ
+VDD
SarcinQ2
DriverQ2 vov i
+
+
--
vo
v i
t
t0
5
5
t0
Sarcina tranzistorului driver
este un tranzistor de
acelai tip conectat ca rezisten.
Sarcina activa are un
comportament neliniar
-
TEC cu sarcina activ in regim de comutaie
a. b.
Figura 3.32. TEC cu sarcin activ
+VDD
SarcinQ2
DriverQ2 vov i
+
+
--
vo
v i
t
t0
5
5
t0
Pentru t < t0, tensiunea de intrare are o
valoare sczut; din caracteristica de transfer din figura 3.34 se
observ c V0 = VDD. Curentul n circuit, ID1, este zero. Aceasta este
o caracteristic tipic pentru un comutator deschis, la care
tensiunea la borne este ridicat, n timp ce curentul este
zero.
Pentru t > t0 , tensiunea de intrare este
VDD, rezultnd o tensiune de ieire Vo = 0 (figura 3.32.b) i un
curent semnificativ tipic de aproximativ 100 A al VDD = 5V.
Aceste condiii aproximeaz un comutator nchis la care exist un
curent important asociat unei tensiuni
joase care traverseaz comutatorului (ntre dren i surs).
-
Caracteristicile de iesire TEC-
MOS cu sarcina activa
Pentru t < t0, tensiunea de
intrare are o valoare sczut; din caracteristica de transfer
din figura 3.34 se observ c V0 = VDD. Curentul n circuit, ID1,
este zero. Aceasta este o
caracteristic tipic pentru un comutator deschis, la care
tensiunea la borne este
ridicat, n timp ce curentul este zero.
Figura 3.33. Caracteristicile de ieire ale tranzistorului driver
i caracteristica de sarcin n cazul unei sarcini active n dren
VDS1[V]
2 4 6
ID1[A]
100
200
300
VGS1=3V
VGS1=4V
VGS1=5V
VGS1=6V
Dreapta de sarcinneliniar
Caracteristici de ieireale tranzistorului driver
Pentru t > t0 , tensiunea de intrare este VDD, rezultnd o
tensiune de ieire Vo = 0 (figura 3.32.b) i un curent semnificativ
tipic de aproximativ 100 A al VDD = 5V. Aceste condiii aproximeaz
un comutator nchis la care exist un curent important asociat unei
tensiuni joase care traverseaz comutatorului (ntre dren i
surs).
-
Caracteristica de transfer
TECMOS cu sarcina activa
Cele dou stri ale comutatorului pot fi deduse din caracteristica
de transfer (figura
3.34). Atta timp ct vi VT tensiunea de ieire este ridicat i
curentul este zero.
Tensiunile de intrare mai mari de VDD
produc doar schimbri mici ale parametrilor v0, respectiv ID1 (cu
excepia situaiei cnd are loc strpungerea tranzistoarelor).
n consecin, curentul de ieire este determinat aproape n ntregime
de caracteristica de ncrcare i de curentul de dren furnizat de
sursa de alimentare, VDD .
Figura 3.34. Caracteristica de transfer
pentru TEC cu sarcin activ
vo [V]
vi [V]
4
3
2
1
0 5 4 3 2 1
5