Инвертор на биполярном транзисторе

Цепь, изображенная на рис. 19.1, выполняет логическую операцию инверсии у = ху если значению переменной х поставить в соответствие уровень напряжения на входе, а значению логической функции у — величину напряжения на выходе. Например, если принять справедливыми следующие соответствия:

то в рассматриваемой цепи (см. рис. 19.1) «нулевому» уровню сигнала на входе (транзистор закрыт) соответствует «единичный» уровень сигнала на выходе и наоборот. Поясним это.

Рис. 19.1. Инвертор на биполярном транзисторе

Параметры элементов в схеме на рис. 19.1 выбираются такими, чтобы при минимальном входном напряжении транзистор находился в состоянии отсечки, а при максимальном — в режиме, близком к насыщению. Расчет данного транзисторного ключа проводится по методике, применяемой в усилителях на биполярных транзисторах. Она подробно рассматривалась в параграфе 13.2. На рис. 19.2 показаны графические построения, позволяющие определить режимы на входе и выходе ключа в разомкнутом и замкнутом состояниях.

Рис. 19.2. Положение РТ инвертора на биполярном транзисторе при воздействии на входе логического нуля и логической единицы:

а — на входной ВАХ; 6 — на выходных ВАХ

Расчет режима на входе. На рис. 19.2, а изображена входная ВАХ транзистора и принадлежащие ей точки А и А,, определяющие состояние транзистора соответственно при ивх = ивхпш1 и ивх = мвхтах. Точка А лежит па пологом участке входной ВАХ, ей соответствует очень малый базовый ток iBmin. Точка А, принадлежит крутому участку входной ВАХ, ей соответствует большой базовый ток гБтах.

Расчет режима на выходе. На рис. 19.2, б представлены две кривые из семейства выходных ВАХ транзистора, соответствующие базовым токам min и г Бтах- Здесь же проведена нагрузочная прямая, отсекающая по оси напряжения отрезок икэ = Ек, а по оси тока — EK/RK. Она пересекает выходные ВАХ в точках В и В,.

Точка В определяется малым коллекторным током и большим напряжением между коллектором и эмиттером икэ = ивыхтах, близким к Ек.

Точке В, соответствует состояние транзистора, близкое к насыщению, с большим коллекторным током. При этом напряжение на резисторе Вк близко к ?к, а напряжение на участке коллектор — эмиттер невелико (того же порядка, что и напряжение иБЭ): икэ = иВЫХ1Ып.

Таким образом, для схемы па рис. 19.1 свойственны следующие соотношения между напряжениями на входе и выходе:

  • 1) при ивх = MBxmin (логический «пуль» па входе) напряжение па выходе максимально — «вых = ивыхтах (логическая «единица» на выходе);
  • 2) при ивх = мвхтах (логическая «единица» на входе) напряжение на выходе минимально — мВЬ1Х = wBblxmin (логический «нуль» на выходе).

В принятых нами обозначениях составлена таблица соответствия (табл. 19.1), которая совпадает с таблицей истинности инвертора, осуществляющего логическую операцию у = х.

К недостаткам схемы инвертора на биполярном транзисторе (см. рис. 19.1) можно отнести следующие.

Таблица истинности инвертора

Так как в режиме воздействия на входе логической «единицы» через резистор RK протекает большой коллекторный ток гКтах, то потребляемая инвертором мощность достигает нежелательно больших значений. Причем в этом случае энергию отдают как источник питания Ек, так и источник входного сигнала мвх.

Большая величина гКтах обуславливает напряжение на резисторе RK, близкое к Ек. При этом напряжение между коллектором и эмиттером падает до долей вольта. На семействе выходных ВАХ это состояние определяется рабочей точкой, лежащей па крутом участке (точка ?, на рис. 19.2, б), и называется режимом насыщения. Для кремниевых транзисторов типичное значение напряжения насыщения мКЭиас составляет — 0,1 В [12].

Потенциал коллектора биполярного транзистора, пребывающего в состоянии насыщения, либо близок к потенциалу базы, либо ниже его. В таких условиях коллектор теряет способность принимать заряд, инжектированный из эмиттера в базу (в нашем случае — электроны), что приводит к его накоплению в базе.

Накопленный в базе заряд неосновных носителей препятствует быстрому переключению схемы из состояния логической «единицы» па входе в состояние логического «пуля», т.е. ведет к снижению быстродействия устройства. Во избежание чрезмерного накопления неосновных носителей заряда в базе принимают специальные схемные решения, которые ограничивают снижение потенциала коллектора по отношению к базе величиной 0,1—0,2 В.

Инвертор на транзисторе — прародитель цифровых микросхем. Именно в те далекие времена, благодаря транзистору, цифровая электроника стала развиваться быстрыми темпами.

Схема инвертора на простом ключе

Рассмотрим вот такую простенькую схемку:

Что мы здесь видим? Видим ключ, резистор и источник питания. Резистор R мы повесили для того, чтобы не было короткого замыкания в источнике питания, когда замыкается ключ S. На клемму +U мы подаем плюс питания, а на землю, соответственно, минус. В схеме возможны два варианта развития событий: ключ замкнут и ключ разомкнут. Давайте рассмотрим каждый из этих двух вариантов:

Читайте также:  Земляная петля что это

1) Ключ замкнут

В результате в цепи +U——-> R——-> S ——-> земля побежит электрический ток.

Будет ли в этом случае напряжение между клеммой «А» и землей?

Чешем свою репу и думаем… Так как ключ у нас замкнут, следовательно, в идеале его сопротивление 0 Ом. Вспоминаем закон Ома для участка цепи: I=U/R, отсюда U=IR. Получается, что падение напряжения на сопротивлении 0 Ом будет равно U=IR= I х 0 = 0 Вольт. Значит, напряжение между землей и клеммой «А» будет 0 Вольт. Получается, что напряжения на клемме «А» не будет.

2) Ключ разомкнут

Что в результате у нас будет на клемме «А»? Давайте также посчитаем по закону Ома. Мы знаем, что электрический ток бежит от плюса к минусу. Но так как у нас минус вообще не при делах, так как цепь разорвана ключом, следовательно, сила тока в цепи +U——->R——->клемма «А» будет равняться 0 Ампер. Значит, падение напряжения на резисторе R будет равняться U=IR=0 х R = 0 Вольт. Получается, что все полноценные +U Вольт доходят до клеммы «A». Поэтому, на клемме «А» будет напряжение +U.

Транзистор вместо ключа

А почему бы нам не заменить ключ S транзисторным ключом? Вводя транзистор в режим насыщения или отсечки, мы можем управлять сопротивлением между коллектором и эмиттером.

Следовательно, в режиме отсечки схема примет вот такой вид:

а в режиме насыщения вот такой:

Хотя, если честно, падение напряжения в этом случае на коллекторе-эмиттере будет составлять доли Вольт, что на самом деле не критично.

Как мы видим, ключ на транзисторе у нас имеет Вход и Выход:

Допустим, мы на Вход не подаем никакого сигнала. Что будет на Выходе? Не подавая никакого сигнала на базу транзистора через резистор R1, в данном случае на Вход, у нас транзистор НЕ откроется и ключ будет разомкнут (как вы помните, для открытия мы должны подать на базу более 0,6−0,7 Вольт), поэтому на Выходе (клемма «А» ) у нас будет +U Вольт

Но если правильно рассчитать резистор R1 и подать сигнал, значение напряжения которого будет больше, чем 0,6−0,7 Вольт, то у нас транзистор войдет в режим насыщения и ключ будет замкнут

В этом случае на Выходе (на клемме «А») у нас будет напряжение близкое к нулю.

Итак, что получаем? Подаем сигнал и имеем на выходе 0 Вольт, если НЕ подаем сигнал — имеем +U.

Такая схема в народе называется инвертором.

— Закрой окно.
— Я не расслышала, закрыть окно или открыть?
— Инвертируй!

Если за входной сигнал и +U взять напряжение, допустим, в 5 Вольт, и договориться, что значение напряжения близкое к 5 Вольтам принять за логическую единичку, а напряжение близкое к нулю принять за логический ноль, то можно вывести самую простую закономерность:

— подаем логическую единичку на вход, получаем логический ноль на выходе

— подаем логический ноль на вход, получаем логическую единичку на выходе

На осциллограмме все это будет выглядеть вот так:

Также в цифровой электронике есть такое понятие, как таблица истинности, которая показывает значение Выходов каких-либо логических элементов со всеми возможными комбинациями на Входе. Для нашего инвертора таблица истинности примет вот такой вид:

Рассчитываем инвертор на практике

Давайте построим инвертор на транзисторе КТ815Б, рассчитаем его и испытаем. +U возьмем 5 Вольт. На Вход также будем подавать управляющий сигнал в 5 Вольт. Вся схема у нас будет вот такая:

Как мы уже сказали, резистор R2 будет ограничивать силу тока в цепи +5 Вольт ——-> R2——-> коллектор——-> эмиттер——-> земля, когда транзистор будет полностью открыт, то есть будет находиться в режиме насыщения. Также R2 будет задавать силу тока через нагрузку в режиме отсечки, которую мы цепанем на Выход схемы. В принципе, резистора Ом на 500 вполне хватит, чтобы в цепи +U——->R2——->коллектор——->эмиттер——->земля в режиме насыщения протекал ток силой в 10 миллиАмпер (I=U/R= 5 В / 500 Ом = 10 мА)

Дело за малым. Надо рассчитать резистор R1. Для этого щелкаем на статью работа транзистора в режиме ключа, и берем из этой статьи формулы для расчета резистора R1.

Для начала рассчитываем базовый ток по формуле:

IБ — это базовый ток, в Амперах

kнас — коэффициент насыщения. В основном берут в диапазоне от 2−5. Он уже зависит от того, насколько глубоко вы хотите вогнать ваш транзистор в насыщение. Чем больше коэффициент, тем больше режим насыщения.

IK — коллекторный ток, в Амперах

β — коэффициент усиления тока транзистора, для расчетов берут минимальное значение в даташите или замеряют на практике

С помощью своего китайского транзистор-тестера я без труда замеряю β . Здесь он обозначается как hFE.

Теперь kнас берем 3, так как у нас будет типа переключающая схема. Iк у нас 10 миллиампер, это значение мы высчитывали выше. Считаем базовый ток:

Iб = (3 х 0,01) / 78 = 3,84 х 10 −4 А

Так как управляющее напряжение у нас будет 5 Вольт, применяем закон Ома:

Читайте также:  Инициализатор не может обращаться к нестатическому полю

R1 = U/Iб = 5 / 3,84 х 10 −4 =1,3 х 10 4 Ом. Берем ближайший из ряда на 12 Килоом.

Следовательно, схема будет с такими параметрами:

Вот так она выглядит на макетной плате:

Давайте вместо нагрузки подцепим светодиод. Когда я НЕ подаю 5 Вольт на Вход, светодиод светится:

Когда беру 5 Вольт с другого блока питания и подаю на Вход схемы, то светодиод тухнет:

Как мы видим, схема работает.

Осциллограммы инвертора на транзисторе

Ну а теперь момент истины, смотрим осциллограммы. Желтый — входной сигнал амплитудой в 5 Вольт с китайского генератора частоты, а красный — выходной сигнал:

Подали прямоугольный сигнал в 5 Вольт и с частотой в 7 Килогерц, вышел прямоугольный сигнал в 5 Вольт 7 Килогерц. Выйти-то он вышел, но обратите внимание на то, что его фаза абсолютно противоположна фазе входного сигнала. Если взять 5 Вольт за логическую единичку, а 0 Вольт за логический ноль, то у нас получается, что загоняя единичку на вход, получаем ноль на выходе, и наоборот, загоняя ноль на вход, получаем единичку на выходе. Инвертор во всей своей красе 😉

Все, конечно, замечательно, но и здесь есть свои подводные камни. Дело все в том, что транзистор не может сразу быстро выключаться. Проблема заключается в физическом строении самого биполярного транзистора. Для выключения ему требуется некоторое время. В медленно переключающих схемах это не имеет значения, а вот схемы, которые работают на высоких частотах, уже будут иметь искажения. Вот осциллограмма выходного красного сигнала на частоте в 50 Килогерц :

А вот на частоте в 100 Килогерц:

Как видите, сигнал очень сильно искажается. Как же с этим бороться? Можно спроектировать ключ так, чтобы он переключался чуть выше границы насыщения. В этом случае коэффициент насыщения должен быть равен хотя бы единице. Но в этом случае у нас будет падать бОльшее напряжение между коллектором и эмиттером, что приведет к нагреву транзистора и лишним энергозатратам.

Второй вариант, использовать полевые транзисторы. Их еще называют МОП-транзисторы. Характеристики у МОПов намного лучше и энергозатраты на переключение даже меньше, чем у биполярных транзисторов. Поэтому в основном сейчас везде применяются МОП-транзисторы в роли ключей. Ну и самый пик моды — это IGBT-транзисторы. Может быть мы когда-нибудь дойдем и до них…

Инвертор на транзисторе — прародитель цифровых микросхем. Именно в те далекие времена, благодаря транзистору, цифровая электроника стала развиваться быстрыми темпами.

Схема инвертора на простом ключе

Рассмотрим вот такую простенькую схемку:

Что мы здесь видим? Видим ключ, резистор и источник питания. Резистор R мы повесили для того, чтобы не было короткого замыкания в источнике питания, когда замыкается ключ S. На клемму +U мы подаем плюс питания, а на землю, соответственно, минус. В схеме возможны два варианта развития событий: ключ замкнут и ключ разомкнут. Давайте рассмотрим каждый из этих двух вариантов:

1) Ключ замкнут

В результате в цепи +U——-> R——-> S ——-> земля побежит электрический ток.

Будет ли в этом случае напряжение между клеммой «А» и землей?

Чешем свою репу и думаем… Так как ключ у нас замкнут, следовательно, в идеале его сопротивление 0 Ом. Вспоминаем закон Ома для участка цепи: I=U/R, отсюда U=IR. Получается, что падение напряжения на сопротивлении 0 Ом будет равно U=IR= I х 0 = 0 Вольт. Значит, напряжение между землей и клеммой «А» будет 0 Вольт. Получается, что напряжения на клемме «А» не будет.

2) Ключ разомкнут

Что в результате у нас будет на клемме «А»? Давайте также посчитаем по закону Ома. Мы знаем, что электрический ток бежит от плюса к минусу. Но так как у нас минус вообще не при делах, так как цепь разорвана ключом, следовательно, сила тока в цепи +U——->R——->клемма «А» будет равняться 0 Ампер. Значит, падение напряжения на резисторе R будет равняться U=IR=0 х R = 0 Вольт. Получается, что все полноценные +U Вольт доходят до клеммы «A». Поэтому, на клемме «А» будет напряжение +U.

Транзистор вместо ключа

А почему бы нам не заменить ключ S транзисторным ключом? Вводя транзистор в режим насыщения или отсечки, мы можем управлять сопротивлением между коллектором и эмиттером.

Следовательно, в режиме отсечки схема примет вот такой вид:

а в режиме насыщения вот такой:

Хотя, если честно, падение напряжения в этом случае на коллекторе-эмиттере будет составлять доли Вольт, что на самом деле не критично.

Как мы видим, ключ на транзисторе у нас имеет Вход и Выход:

Допустим, мы на Вход не подаем никакого сигнала. Что будет на Выходе? Не подавая никакого сигнала на базу транзистора через резистор R1, в данном случае на Вход, у нас транзистор НЕ откроется и ключ будет разомкнут (как вы помните, для открытия мы должны подать на базу более 0,6−0,7 Вольт), поэтому на Выходе (клемма «А» ) у нас будет +U Вольт

Но если правильно рассчитать резистор R1 и подать сигнал, значение напряжения которого будет больше, чем 0,6−0,7 Вольт, то у нас транзистор войдет в режим насыщения и ключ будет замкнут

Читайте также:  Датчик присутствия в смартфоне что это

В этом случае на Выходе (на клемме «А») у нас будет напряжение близкое к нулю.

Итак, что получаем? Подаем сигнал и имеем на выходе 0 Вольт, если НЕ подаем сигнал — имеем +U.

Такая схема в народе называется инвертором.

— Закрой окно.
— Я не расслышала, закрыть окно или открыть?
— Инвертируй!

Если за входной сигнал и +U взять напряжение, допустим, в 5 Вольт, и договориться, что значение напряжения близкое к 5 Вольтам принять за логическую единичку, а напряжение близкое к нулю принять за логический ноль, то можно вывести самую простую закономерность:

— подаем логическую единичку на вход, получаем логический ноль на выходе

— подаем логический ноль на вход, получаем логическую единичку на выходе

На осциллограмме все это будет выглядеть вот так:

Также в цифровой электронике есть такое понятие, как таблица истинности, которая показывает значение Выходов каких-либо логических элементов со всеми возможными комбинациями на Входе. Для нашего инвертора таблица истинности примет вот такой вид:

Рассчитываем инвертор на практике

Давайте построим инвертор на транзисторе КТ815Б, рассчитаем его и испытаем. +U возьмем 5 Вольт. На Вход также будем подавать управляющий сигнал в 5 Вольт. Вся схема у нас будет вот такая:

Как мы уже сказали, резистор R2 будет ограничивать силу тока в цепи +5 Вольт ——-> R2——-> коллектор——-> эмиттер——-> земля, когда транзистор будет полностью открыт, то есть будет находиться в режиме насыщения. Также R2 будет задавать силу тока через нагрузку в режиме отсечки, которую мы цепанем на Выход схемы. В принципе, резистора Ом на 500 вполне хватит, чтобы в цепи +U——->R2——->коллектор——->эмиттер——->земля в режиме насыщения протекал ток силой в 10 миллиАмпер (I=U/R= 5 В / 500 Ом = 10 мА)

Дело за малым. Надо рассчитать резистор R1. Для этого щелкаем на статью работа транзистора в режиме ключа, и берем из этой статьи формулы для расчета резистора R1.

Для начала рассчитываем базовый ток по формуле:

IБ — это базовый ток, в Амперах

kнас — коэффициент насыщения. В основном берут в диапазоне от 2−5. Он уже зависит от того, насколько глубоко вы хотите вогнать ваш транзистор в насыщение. Чем больше коэффициент, тем больше режим насыщения.

IK — коллекторный ток, в Амперах

β — коэффициент усиления тока транзистора, для расчетов берут минимальное значение в даташите или замеряют на практике

С помощью своего китайского транзистор-тестера я без труда замеряю β . Здесь он обозначается как hFE.

Теперь kнас берем 3, так как у нас будет типа переключающая схема. Iк у нас 10 миллиампер, это значение мы высчитывали выше. Считаем базовый ток:

Iб = (3 х 0,01) / 78 = 3,84 х 10 −4 А

Так как управляющее напряжение у нас будет 5 Вольт, применяем закон Ома:

R1 = U/Iб = 5 / 3,84 х 10 −4 =1,3 х 10 4 Ом. Берем ближайший из ряда на 12 Килоом.

Следовательно, схема будет с такими параметрами:

Вот так она выглядит на макетной плате:

Давайте вместо нагрузки подцепим светодиод. Когда я НЕ подаю 5 Вольт на Вход, светодиод светится:

Когда беру 5 Вольт с другого блока питания и подаю на Вход схемы, то светодиод тухнет:

Как мы видим, схема работает.

Осциллограммы инвертора на транзисторе

Ну а теперь момент истины, смотрим осциллограммы. Желтый — входной сигнал амплитудой в 5 Вольт с китайского генератора частоты, а красный — выходной сигнал:

Подали прямоугольный сигнал в 5 Вольт и с частотой в 7 Килогерц, вышел прямоугольный сигнал в 5 Вольт 7 Килогерц. Выйти-то он вышел, но обратите внимание на то, что его фаза абсолютно противоположна фазе входного сигнала. Если взять 5 Вольт за логическую единичку, а 0 Вольт за логический ноль, то у нас получается, что загоняя единичку на вход, получаем ноль на выходе, и наоборот, загоняя ноль на вход, получаем единичку на выходе. Инвертор во всей своей красе 😉

Все, конечно, замечательно, но и здесь есть свои подводные камни. Дело все в том, что транзистор не может сразу быстро выключаться. Проблема заключается в физическом строении самого биполярного транзистора. Для выключения ему требуется некоторое время. В медленно переключающих схемах это не имеет значения, а вот схемы, которые работают на высоких частотах, уже будут иметь искажения. Вот осциллограмма выходного красного сигнала на частоте в 50 Килогерц :

А вот на частоте в 100 Килогерц:

Как видите, сигнал очень сильно искажается. Как же с этим бороться? Можно спроектировать ключ так, чтобы он переключался чуть выше границы насыщения. В этом случае коэффициент насыщения должен быть равен хотя бы единице. Но в этом случае у нас будет падать бОльшее напряжение между коллектором и эмиттером, что приведет к нагреву транзистора и лишним энергозатратам.

Второй вариант, использовать полевые транзисторы. Их еще называют МОП-транзисторы. Характеристики у МОПов намного лучше и энергозатраты на переключение даже меньше, чем у биполярных транзисторов. Поэтому в основном сейчас везде применяются МОП-транзисторы в роли ключей. Ну и самый пик моды — это IGBT-транзисторы. Может быть мы когда-нибудь дойдем и до них…

Оцените статью
Adblock detector