Транзистор с открытым коллектором: Основы на пальцах. Часть 4

Основы на пальцах. Часть 4

Но диоды, резисторы, транзисторы и конденсаторы это так, лишь обвязка. Особо на них не развернешься (нет, маньяки, конечно могут, но габариты устройств там будут феерические). Самое вкусное нас поджидает в микросхемах 🙂
Делятся они на цифровые и аналоговые. Для начала кратко пробегусь по цифровым микросхемам.

Миром правит цифра!

Краеугольным камнем цифровой схемотехники служит понятие нуля и единицы, понятие это совершенно условное, т.к. фактически нет никакого нуля и нет никакой единицы, есть лишь уровни напряжения – высокий и низкий, а также некий порог после которого данный уровень напряжения принято считать высоким или низким. Скажем все, что ниже 0.7 вольт считаем за низкий уровень, т.е. 0, все что выше 2.4 вольт высоким, т.е. единица. Между 0.7 и 2.4 вольта, когда не ясно какой уровень, это состояние совершенно неопределенное его нельзя оценивать как входную величину, иначе на выходе системы в таком случае будет непредсказуемый результат.
Сопротивление входов очень высокое, практически можно считать его бесконечным.

Выход в микросхеме бывает разных типов. Различают push-pull и open drain (в нашей литературе его называют Открытым Коллектором или ОК). Отличие заключается в способе выдачи сигнала на выход. В Push-Pull выходе когда нужен низкий уровень, то выход тупо и беспрекословно замыкается на землю, имеющую нулевой потенциал, а когда высокий, то на напряжение питания.
В открытом коллекторе все несколько иначе. Когда нам надо получить низкий уровень, то мы сажаем ногу на землю, а вот высокий уровень получается подтягивающим резистором (pullup), который, в отсутствии посадки на землю и большого сопротивления висящей на выходе нагрузке, заводит на ногу высокий потенциал. Тут можешь вспомнить закон Ома и посчитать какое будет напряжение выхода на открытом коллекторе если подтягивающий резистор обычно порядка 1КилоОм, а сопротивление входа больше 1МегаОм. Тип выхода определяется из документации на микросхему, некоторые микрухи имеют программируемый выход, например, все контроллеры AVR. Исходя из этого становится понятен смысл регистров Port и DDR в контроллере AVR – они определяют тип выхода Open Drain+PullUp, Push-Pull или просто Open Drain.

О микросхемах дискретной логики И, ИЛИ, НЕ я рассказывать не буду, каждую описать, так это справочник не на одну сотню страниц будет. Да и постепенно они уходят в прошлое, вытесняемые контроллерами и программируемыми матрицами. Скажу лишь главное – работают они по жесткой таблице истинности, которую можно найти в соответствующем datasheet.

Аналог рулит!
Цифра может и правит миром, но я вот последнее время люблю аналоговую технику. Ряд задач автоматики и регулирования на аналоговых цепях сделать в разы проще, чем на микроконтроллере или цифровой логике. Основное отличие от цифровых микрух в том, что тут нет четких состояний, а вход и выход могут изменяться плавно от минус питания до плюс питания. Основой аналоговой схемотехники является операционный усилитель.
Адская вещь, скажу тебе. Содержит выход и два входа. Один вход прямой, другой инверсный. Внутри напряжения по этим двум входам математически складываются (с учетом знака входа), а результат умножается на коэффициент усиления и выдается на выход. Коэффициент усиления этого девайса в идеальном случае достигает бесконечности, а в реальном близок к сотням тысяч. В чем это выражается? А в том, что подаешь ты на вход скажем 1 милливольт, а выход сразу же зашкаливает под максимум – выдавая сразу напряжение питания. Как же тогда работать, если его зашкаливает от малейшего сигнала? А просто. Ну во первых зависит от задачи. Например если нам нужно сравнивать два сигнала, то один мы подаем на отрицательный вход, а другой на положительный. В данном случае выход нам покажет либо минимум напряжения, либо максимум, в зависимости от того больше сигнал на отрицательном входе или на положительном. Такой режим работы операционного усилителя называется компаратором. Я его применил недавно, чтобы отследить просадку напряжения питания на устройстве. Смотри на схему, видишь на минус у меня идет опорное напряжение со стабилитрона. Оно всегда равно 3.3 вольта – за этим следит стабилитрон. А вот на второй вход идет напряжение с делителя – оно зависит от общего напряжения питания. В нормальном режиме, когда на входе 12 вольт, то с делителя идет порядка 4 вольт, это выше чем 3. 3 опорного и с компаратора выходит +5 вольт (максимум питающего). При просадке напруги ниже определенного порога с делителя начинает выходить уже менее 3.3 вольт и компаратор резко перекидывается в противоположное положение – 0 вольт (минимум питающего). Этот переход отслеживает микроконтроллер и дает сигнал тревоги.

Если от операционного усилителя надо получить усиление, то нужно как то обуздать его бешеный коэффициент. Для этого ему добавляют отрицательную обратную связь. Т.е. берут и с выхода подают сигнал на отрицательный вход, подмешивая его к основному входному сигналу. В итоге, выходной сигнал вычитается из входного. А коэффициент усиления становится равным отношению резисторов на входе и выходе (смотри схему).

Но это далеко не все фишки которые умеет делать операционный усилитель. Если в обратную связь сунуть конденсатор, то получим интегратор, выдающий на выходе интеграл от функции входного сигнала. А если скомбинировать конденсатор с резистором, да индуктивность на вход… В общем, тут можно книгу писать, а занимается этими занятными процессами отдельная наука – автоматическое управление. Кстати, именно на операционных усилителях сделаны аналоговые компьютеры, считающие дифференциальные уравнения с такой скоростью, что все цифровые компы нервно курят в уголке.

Полная версия статьи была опубликована в журнале «Хакер»

энциклопедия киповца

Одной из важнейших
особенностей любой микросхемы,
определяющей ее функциональные
возможности и особенности применения
является способ выполнения выходного
каскада. Наиболее часто используются
четыре типа выходных каскадов:

1. Стандартный
выходной каскад.

Схема
реализована так, что напряжения U_а
и U_б
всегда изменяются в противофазе. Это
означает, что в паре транзисторов
выходного каскада всегда один закрыт, а
другой открыт.

Такой
выходной каскад обеспечивает большой
выходной (втекающий) ток при логическом 0
на выходе (I⁰_вых),
когда открыт нижний транзистор, и
значительно меньший выходной (вытекающий)
ток при логической 1 на выходе (I¹_вых),
когда открыт верхний транзистор.

Поскольку
такая схема выходного каскада является
стандартной, то на ее условно-графическом
обозначении это никак не обозначается.

2.
Выходной каскад с открытым коллектором.

В
такой схеме в
качестве выходного каскада используется
транзистор, коллектор которого не
подключен к источнику питания, а
подключен только к внешнему выводу
микросхемы, поэтому ее выход должен быть
подключен с помощью внешнего резистора к
соответствующему источнику питания.
Транзисторы выходного каскада могут быть
рассчитаны на разное допустимое
напряжение питания, отличное от
напряжения питания остальной части схемы.

Выходной
каскад с открытым коллектором
обеспечивает большой выходной (втекающий)
ток при логическом нуле на выходе (I⁰_вых).

На
условно-графическом обозначении такие
микросхемы обозначаются значком à.

3.
Выходной каскад с открытым эмиттером.

В
такой схеме коллектор подключен внутри
микросхемы обычным образом, а эмиттер не
подключен к общему проводу, а соединен
только с одним из внешних выводов.

Нагрузка
к таким микросхемам подключается между
выводами эмиттера и общим проводом, т.е.
выходной каскад будет представлять собой
эмиттерный повторитель, обеспечивающий
большой выходной (вытекающий) ток при
логической 1 на выходе (I¹_вых).

На
условно-графическом
обозначении такие микросхемы
обозначаются значком `à.

4.
Схема с тремя состояниями на выходе.

Данная
схема
отличается от схемы со стандартным
выходом тем, что в ней напряжения U_а
и U_б
могут быть как в противофазе (тогда она
работает как схема со стандартным
выходом), так и в фазе, когда оба
напряжения U_а
и U_б
принимают низкий (закрывающий) уровень,
что делает невозможным протекание
выходных токов через транзисторы.
Фактически это равносильно состоянию,
когда вывод выхода микросхемы отключен
от остальной ее части. В этом случае
говорят, что выход находится в третьем
состоянии (высокоимпедансном,
высокоомном, z-состоянии).

Управление
переходом выхода из стандартного режима
в третье состояние осуществляется
специальным управляющим сигналом OE
(Output
Enable
– разрешение выхода). На условно-графическом
обозначении такие микросхемы отмечаются
значком à
(или Z).

Открытый коллектор

Открытый коллектор — это распространенный тип выхода, встречающийся во многих интегральных схемах (ИС) , который ведет себя как переключатель, который либо подключен к земле, либо отключен. Вместо вывода сигнала определенного напряжения или тока выходной сигнал подается на базу внутреннего NPN-транзистора , коллектор которого вынесен (открыт) на вывод микросхемы. Эмиттер транзистора внутренне соединен с заземляющим контактом. ^[1] Если выходное устройство представляет собой полевой МОП -транзистор, выход называется открытым стоком и работает аналогичным образом. ^{[1] : 488ff} Например, шина I²C и 1-Wirebus основаны на этой концепции.

На картинке база транзистора помечена как «IC output». Это сигнал от внутренней логики микросхемы к транзистору. Этот сигнал управляет переключением транзистора. Внешний выход — транзисторный коллектор; транзистор образует интерфейс между внутренней логикой ИС и частями, внешними по отношению к ИС.

Выход образует либо разомкнутую цепь (также пишется «hi-Z» для высокого импеданса ), либо соединение с землей. Выход обычно состоит из внешнего подтягивающего резистора , который повышает выходное напряжение, когда транзистор закрыт. Когда транзистор, подключенный к этому резистору, включается, выходной сигнал устанавливается почти на 0 вольт. Выходы с открытым коллектором могут быть полезны для аналогового взвешивания, суммирования, ограничения и т. д., но такие приложения здесь не обсуждаются.

Логическое устройство с тремя состояниями отличается от устройства с открытым коллектором, поскольку оно состоит из транзисторов для подачи и приема тока в обоих логических состояниях, а также элемента управления для отключения обоих транзисторов и изоляции выхода.

Поскольку подтягивающий резистор является внешним и его не нужно подключать к напряжению питания микросхемы, вместо него можно использовать более низкое или более высокое напряжение, чем напряжение питания микросхемы (при условии, что оно не превышает абсолютного максимального значения выходного напряжения микросхемы). . Поэтому схемы с открытым коллектором иногда используются для сопряжения различных семейств устройств с разными уровнями рабочего напряжения. Транзистор с открытым коллектором может быть рассчитан на более высокое напряжение, чем напряжение питания микросхемы. Этот метод обычно используется логическими схемами, работающими при напряжении 5 В или ниже, для управления такими устройствами, как двигатели, реле на 12 В, вакуумные флуоресцентные дисплеи на 50 В или лампы Nixie, требующие более 100 В.

Еще одним преимуществом является то, что к одной линии можно подключить более одного выхода с открытым коллектором. Если все выходы, подключенные к линии, находятся в состоянии высокого импеданса, подтягивающий резистор будет удерживать провод в состоянии высокого напряжения (логическая 1). Если один или несколько выходов устройства находятся в состоянии логического 0 (земля), они потребляют ток и притягивают линейное напряжение к земле. Это проводное логическое соединение имеет несколько применений. Устройства с открытым коллектором обычно используются для подключения нескольких устройств к одному сигналу запроса прерывания или общей шине, такой как I²C .. Это позволяет одному устройству управлять шиной без помех со стороны других неактивных устройств. Если бы устройства с открытым коллектором не использовались, то выходы неактивных устройств пытались бы поддерживать высокое напряжение на шине, что приводило к непредсказуемому выходному сигналу.

Простая схема открытого коллектора интегральной схемы (ИС).

Схема проводного ИЛИ с активным низким уровнем / проводного И с активным высоким уровнем с использованием вентилей с открытым стоком.

Использование псевдооткрытого стока в интерфейсах DDR.

Логические элементы с открытыми выходами и тремя состояниями выхода

Физические параметры и функциональные возможности логических элементов зависят от выполнения выходного каскада (усилителя тока). Наиболее часто используются четыре типа схем выходных каскадов.

1. Логический элемент со стандартным выходом (см. рис 2.5): напряжения на базе транзистора VT2  (Uа) и базе транзистора VT3 (Uв) всегда изменяются в противофазе (если Uа имеет низкий уровень, то Uв – высокий). Такой выходной каскад обеспечивает боль

шой ток уровня логического нуля I0

(открыт нижний транзистор) и

значительно меньший ток логической единицы I1

(открыт верхний

транзистор). Поэтому на выходе такого элемента может присутствовать либо уровень логической единицы, либо уровень логического нуля.

2. В логическом элементе с открытым коллектором в качестве выходного каскада используется транзистор, коллектор которого не подключен к нагрузке (рис.3.7). Транзисторы у таких элементов изготовляются на различное допустимое напряжение питания: +5, +35,

+30, +35 В и др. Выходы таких ЛЭ должны быть подключены с помощью внешнего резистора к соответствующему источнику питания

+Uпит2  или +Uпит1  =5 В. Такое построение выходного каскада позволяет управлять напряжениями, превышающими напряжение питания ИЦМ.

Рис. 3.7. Элемент с открытым коллектором

3. Выходные каскады с открытым эмиттером отличаются от выходного каскада с открытым коллектором тем, что эмиттер не подключен внутри микросхемы к общему выводу (корпусу), а подключен к отдельному внешнему выводу, тогда как коллектор подключён к выводу, на который подается напряжение питания. Нагрузка к этим логическим элементам подключается между выводами эмиттера и корпуса, т. е. выходной каскад представляет собой эмиттерный повторитель, обеспечивающий большой выходной ток I1

(вытекающий ток) в отличие от выходного каскада с открытым кол

лектором, обеспечивающим большой выходной ток I0

(втекающий ток).

4. В составе большинства серий интегральных микросхем существуют элементы с тремя состояниями выхода. Они имеют управляющий вход ОЕ (Output Enable разрешение выхода) или для краткости просто Е (Enable), одно из значений сигнала на котором переводит оба выходных транзистора в закрытое состояние. Схема ТТЛ элемента с тремя состояниями выхода приведена на рис.3.8.

При ОЕ = 0 напряжения на базах транзисторов Uа и Ub принимают низкий (закрывающий) уровень, что делает невозможным протекание выходных токов через транзисторы. Транзистор VT2 закрыт потому, что дополнительный диод находится в проводящем состоянии и потенциал на базе равен нулю. Транзистор VT3 также будет закрыт, поскольку на его эмиттере присутствует уровень логического нуля.

Такое состояние выхода логического элемента называют Z –

состоянием  или  высокоимпедансным  состоянием  выхода  (сотни кОм).

Для реальных логических элементов ТТЛ Z состояние выхода

характеризуется током утечки 20…40 мкА.

Рис. 3.8. Схема ТТЛ элемента с тремя состояниями выхода

При ОЕ = 1 логический элемент с тремя состояниями работает так же, как и логический элемент со стандартным выходом, т.е. его состояние будет полностью определяться состояниями других входов.

У некоторых ИЦМ Z – состояние устанавливается при ОЕ = 1, т. е на входе ОЕ установлен инвертор. Это сделано для удобства эксплуатации при реализации логических автоматов с различными алгоритмами функционирования.

На рис 3.9 приведено условное обозначение ИЦМ 155ЛЕ2.

Рис. 3.9. Условное обозначение ИЦМ 155ЛЕ2

Как видно, в её состав входят два четырёхвходовых элемента

ИЛИ-НЕ, причём один из них имеет возможность расширения по

ИЛИ и оба элемента имеют вход Output Enable.

Чтобы закончить описание логических элементов с открытыми выходами, необходимо отметить ещё одно обстоятельство.

Все логические элементы с повышенной нагрузочной способностью (усилители тока) называются драйверами.

Драйверы с Z – состоянием выхода широко применяются в микропроцессорных системах для подключения микропроцессора, памяти и внешних устройств к системной шине адреса данных. Такие драйверы называются шинными формирователями.

Чтобы различать микросхемы со специфическими свойствами,

применяются следующие условные значки.

Если в центральном поле условного обозначения логического элемента находится символ , то это означает, что этот элемент имеет выход с открытым коллектором и Z-состоянием.

Если в центральном поле условного обозначения логического элемента находится символ , то это означает, что этот элемент имеет выход с открытым эмиттером и Z-состоянием.

Если в центральном поле условного обозначения логического элемента находится символ , то это означает, что этот элемент имеет выход с повышенной нагрузочной способностью, т.е. он является драйвером.

Разумеется, возможны различные комбинации таких значков, по которым можно определить, какие специфические особенности имеет данная ИЦМ.

Материал взят из книги Логические автоматы Типовые комбинационные схемы (Илюхин А.В.)

Можно ли использовать транзистор подключить эмиттер коллектор. Схемы включения транзистора. Схема включения с общим коллектором

Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах.

Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов или .

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

Транзистор
— электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru)

Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и
электроны, и
дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или
электроны, или
дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов
— усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.

Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.

Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора
), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы
). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?
Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но бо
льшая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу
. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.

Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току
и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h31
. Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току
. Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора
. Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению
. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику
, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной
.

Также параметрами биполярного транзистора являются:

• обратный ток коллектор-эмиттер
• время включения
• обратный ток колектора
• максимально допустимый ток

Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

Режимы работы биполярного транзистора

Рассмотренный выше вариант представляет собой нормальный активный режим работы транзистора. Однако, есть еще несколько комбинаций открытости/закрытости p-n переходов, каждая из которых представляет отдельный режим работы транзистора.

1. Инверсный активный режим
   . Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт. Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.
2. Режим насыщения
   . Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями. Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.
3. Режим отсечки
   . Оба перехода транзистора закрыты, т.е. ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.
4. Барьерный режим
   В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением. Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

Схемы включения биполярных транзисторов

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

Схема включения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.

В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Схема включения с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.

В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов.

Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).

Другие области применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Маркировка

Поскольку статья уже разрослась до неприлично большого объема, то в этом пункте я просто дам две хорошие ссылки, по которым подробно расписаны основные системы маркировки полупроводниковых приборов (в том числе и транзисторов):

Транзисторы лежат в основе большинства
электронных устройств. Он могут быть в виде отдельных радиодеталей, или в
составе микросхем. Даже самый сложный микро­процессор состоит из великого
множества малюсеньких транзисторов, плотно разме­щенных в его могучем
кристалле.

Транзисторы бывают разные. Две основ­ные
группы — это биполярные и полевые. Биполярный транзистор обозначается на схеме,
так как показано на рисунке 1. Он бывает прямой (р-п-р) и обратной (п-р-п)
проводимости. Структура транзистора, и физические процессы, происходящие в нем
изучается в школе, так что здесь о ней гово­рить не будем, — так сказать, ближе
к прак­тике. В сущности, разница в том, что р-п-р транзисторы подключают так,
чтобы на их эмиттер поступал положительный потенциал напяжения, а на коллектор
— отрицательный. Для транзисторов
n-p
-п — все наоборот, на эмиттер дают отрицательный
потенциал, на коллектор — положительный.

Зачем нужен транзистор? В основном его
используют для усиления тока, сигналов, напряжения. А усиление происходит за
счет источника питания. Попробую объяснить принцип работы «на пальцах». В
автомаши­не есть вакуумный усилитель тормоза. Когда водитель нажимает на педаль
тормоза, его мембрана перемещается и открывается клапан через который двигатель
машины всасывает эту мембрану, добавляя ей усилие. В результате слабое усилие
нажима на педаль тормоза приводит к сильному усилию на тормозных колодках. А
добавка силы происходит за счет мощности работаю­щего мотора машины.

Вот и с транзистором похоже. На базу подают
слабенький ток (рис. 2). Под действием этого тока проводимость коллек­тор —
эмиттер увеличивается и через коллек­тор уже протекает куда более сильный ток,
поступающий от источника питания. Изменя­ется слабый ток базы, — соответственно
изменяется и сильный ток коллектора. В идеале, график изменения тока коллектора
выглядит как увеличенная копия графика изменения тока базы.

Это различие между слабым током базы и сильным
током коллектора называется коэф­фициентом усиления транзистора по току, и обозначается
И21э. Определяется так: h31э =
Ik
/I6 (ток коллектора делить на ток базы). Чем больше данный параметр, тем лучше
усилительные свойства транзистора.

Но это все в идеале. На самом деле зависи­мость
тока коллектора от напряжения на базе не так уж и линейна. Следует вспомнить
BAX
диода, где
в самом низу характеристики тока очень мал, и начинает резко наростать когда
напряжение достигает определенного значения. Поскольку в основе транзистора
лежат те же физические процессы, то и здесь имеется аналогичный «дефект».

Если мы соберем схему усилителя, показан­ную
на рисунке 3, и будем говорить в микро­фон, в динамике звука не будет. Потому
что напряжение на микрофоне очень мало, оно ниже порога открывания транзистора.
Здесь не только не будет усиления, а даже наоборот, будет ослабление сигнала.

Чтобы транзистор заработал как усилитель нужно
увеличить напряжение на его базе. Это можно сделать каким-то образом увели­чив
напряжение на выходе микрофона. Но тогда теряеТся смысл усилителя. Или нужно схитрить, и подать на базу транзистора
некоторое постоянное напряжение (рис.4) через резистор, такое чтобы транзистор
приоткрыть. И слабое переменное напряже­ние подать на базу этого транзистора
через конденсатор. Вот теперь самое важное, — слабое переменное напря­жение сложится с
постоян­ным напряжением на базе. Напряжение на базе будет изменяться в такт
слабому переменному напряжению. Но так как постоянное напряжение сместило рабо­чую
точку транзистора на крутой линейный участок характеристики, происходит
усиление.

Проще говоря, у слабого напряже­ния небыло сил
чтобы открыть транзистор, и мы добавили ему в помощь постоян­ное напряжение,
которое при­открыло транзис­тор. Еще проще (опять с водой), допустим, есть туго
завинченный винтель, и ребенок повернуть его не может. Но
папа может приоткрыть этот винтель, повернув его в приоткрытое положение, в
котором он вращается легко. Теперь ребенок может регулировать напор воды в
некоторых пределах. Вот здесь ребенок — это слабое переменное напряжение, а папа
— это постоянное напряжение, поданное на базу транзистора через резистор.

Постоянное напряжение, которое подают на базу
транзистора чтобы сместить его режим работы в участок с более крутой и линейной
характеристикой, называется напряжением смещения. Изменяя это напряжение мы можем даже
регулировать коэффициент усиления усилительного каскада.

Но транзисторы далеко не всегда исполь­зуются
с напряжением смещения. Например, в усилительных каскадах передатчиков
напряжение смещения на базы транзисторов могут и не подаваться, так как
амплитуды входного переменного напряжения там впол­не достаточно для «раскачки»
транзистора.

И если транзистор используется не в качестве
усилителя, а в качестве ключа, то напряжение смещения тоже на базу не дают.
Просто, когда ключ должен быть закрыт, — напряжение на базе равно нулю, а когда
он должен быть открыт, — подают напряжение на базу достаточное для открывания
транзистора. Это используется обычно в цифровой электронике, где есть только нули
(нет напряжения) и единицы (напряжение есть) и никаких промежуточных значений.

На рисунке 5 показана практическая схема как
сделать из репродуктора радиоточки компьютерную колонку. Нужен простой одно-
программный репродуктор только с одной вилкой для подключения в радиосеть (у
многопрограммного есть вторая вилка для электросети). Никаких изменений в схему
репродуктора вносить не нужно. К коллек­тору транзистора он подключается так же
как к радиосети.

Внутри однопрограммного репродуктора есть
динамик, переменный резистор для регулировки громкости и трансформатор. Все это
нужно, и оно остается. Когда вскроете корпус репродуктора, подпаивайте
коллектор транзистора и плюс источника питания к тем местам, к которым подпаян
его провод с вилкой. Сам провод можно убрать.

Для подключения к компьютеру нужен
экранированный провод с соответствующим штекером на конце. Или обычный двухпро­водной
провод. Если провод экранирован­ный, — оплетку подключайте к эмиттеру транзистора,
а центральную жилу к конден­сатору С1.

Сигнал от компьютерной звуковой карты подают
через штекер на конденсатор С1. Напряжение питания подают от сетевого блока
питания. Лучше всего подходит блок питания от игровой приставки к телевизору,
типа «Денди», «Кенга». Вообще годится любой блок питания с напряжением на
выходе от
7V
до
12V
. Для подключения к блоку питания потребуется
соответствующее гнездо, его нужно установить на корпусе репродуктора,
просверлив для него отверстие. Хотя, конечно, можно подпаять провода от блока
питания и непосредственно к схеме. Подключая источник питания нужно соблюдать
полярность. Диод
VD
1 в принципе не нужен, но он
защищает схему от выхода из строя, если вы перепутаете плюс с минусом у блока
питания. Без него при неправильном подключении питания транзис­тор можно сжечь,
а с диодом, если полюса блока питания перепутаете, просто схема не включится.

Транзистор КТ315 в прямоугольном корпусе, у
которого с одной стороны есть скос (на рисунке показано). Вот если этим скосом
повернуть его от себя, а выводами вверх, то слева будет база, справа эмиттер, а
коллектор посредине. Подойдет транзистор КТ315 с любой буквой (КТ315А,
КТ315Б…). Транзистор нужно запаять правильно, не перепутав его выводы. Если
ошибетесь и включите питание он может сдохнуть. Поэтому, после того как все
спаяете не поле­нитесь раза три проверить правильность монтажа, правильно ли
подпаяны выводы транзистора, конденсаторов, диода. И только когда будете
уверены на все 100%, — включайте.

Диод
VD
1 типа КД209. На нем отмечен анод. Можно
поставить и другой диод, например,
1N
4004 или какой-то еще. Если диод впаяете неправильно
схема работать

не будет. Так что, если все включили, но не
работает, начинайте с проверки правиль­ности подключения диода.

Еще несколько причин того, что схема может не
заработать:

Неправильно подключили источник питания.

Нет сигнала на выходе компьютера, либо
громкость уменьшена или выключена регулировками в программе компьютера.

Регулятор громкости репродуктора в мини­мальном
положении.

Конденсаторы — электролитические, на
напряжение не меньше
12V
. Подойдут наши К50-16, К50-35 или импортные аналоги.
Следует заметить, что у наших конденсато­ров на корпусе стоит плюсик возле
положи­тельного вывода, а у импортных минусик или широкая вертикальная полоска
у отрицатель­ного вывода. Вместо конденсатора 10 мкф можно выбрать на любую
емкость от 2 мкф до 20 мкф. Вместо конденсатора на 100 мкФ подойдет конденсатор
любой емкости не менее 100 мкФ.

На рисунке ниже схемы показана монтажная
схема, на ней места паек отмечены точками. Не перепутайте места паек с
пересечением проводов. Монтаж сделан навесным спосо­бом, используя выводы
деталей и монтаж­ные проводки. Всю схему желательно поместить внутрь корпуса
репродуктора (там обычно очень много места).

Если все работает, но сильно фонит, — значит,
вы перепутали провода, идущие к звуковой карте. Поменяйте их местами.

Запитывать схему от источника питания
компьютера НЕ СЛЕДУЕТ!

Для стереоварианта можно сделать две колонки,
входы объединив в один стерео- кабель для подключения к звуковой карте, ну и
запитать обе колонки от одного блока питания.

Конечно с одним транзисторным каскадом колонка
будет звучать негромко, но достаточно для прослушивания в небольшой комнате.
Громкость можно регулировать как регулятором компьютера, так и ручкой, что есть
у репродуктора.

Андреев С.

Электроника окружает нас всюду. Но практически никто не задумывается о том, как вся эта штука работает. На самом деле все довольно просто. Именно это мы и постараемся сегодня показать. А начнем с такого важного элемента, как транзистор. Расскажем, что это такое, что делает, и как работает транзистор.

Что такое транзистор?

Транзистор
– полупроводниковый прибор, предназначенный для управления электрическим током.

Где применяются транзисторы? Да везде! Без транзисторов не обходится практически ни одна современная электрическая схема. Они повсеместно используются при производстве вычислительной техники, аудио- и видео-аппаратуры.

Времена, когда советские микросхемы были самыми большими в мире
, прошли, и размер современных транзисторов очень мал. Так, самые маленькие из устройств имеют размер порядка нанометра!

Приставка нано-
обозначает величину порядка десять в минус девятой степени.

Однако существуют и гигантские экземпляры, использующиеся преимущественно в областях энергетики и промышленности.

Существуют разные типы транзисторов: биполярные и полярные, прямой и обратной проводимости. Тем не менее, в основе работы этих приборов лежит один и тот же принцип. Транзистор — прибор полупроводниковый. Как известно, в полупроводнике носителями заряда являются электроны или дырки.

Область с избытком электронов обозначается буквой n
(negative), а область с дырочной проводимостью – p
(positive).

Как работает транзистор?

Чтобы все было предельно ясно, рассмотрим работу биполярного транзистора (самый популярный вид).

(далее – просто транзистор) представляет собой кристалл полупроводника (чаще всего используется кремний
или германий
), разделенный на три зоны с разной электропроводностью. Зоны называются соответственно коллектором
, базой
и эмиттером
. Устройство транзистора и его схематическое изображение показаны на рисунке ни же

Разделяют транзисторы прямой и обратной проводимости. Транзисторы p-n-p называются транзисторами с прямой проводимостью, а транзисторы n-p-n – с обратной.

Теперь о том, какие есть два режима работы транзисторов. Сама работа транзистора похожа на работу водопроводного крана или вентиля. Только вместо воды – электрический ток. Возможны два состояния транзистора – рабочее (транзистор открыт) и состояние покоя (транзистор закрыт).

Что это значит? Когда транзистор закрыт, через него не течет ток. В открытом состоянии, когда на базу подается малый управляющий ток, транзистор открывается, и большой ток начинает течь через эмиттер-коллектор.

Физические процессы в транзисторе

А теперь подробнее о том, почему все происходит именно так, то есть почему транзистор открывается и закрывается. Возьмем биполярный транзистор. Пусть это будет n-p-n
транзистор.

Если подключить источник питания между коллектором и эмиттером, электроны коллектора начнут притягиваться к плюсу, однако тока между коллектором и эмиттером не будет. Этому мешает прослойка базы и сам слой эмиттера.

Если же подключить дополнительный источник между базой и эмиттером, электроны из n области эмиттера начнут проникать в область баз. В результате область базы обогатиться свободными электронами, часть из которых рекомбинирует с дырками, часть потечет к плюсу базы, а часть (большая часть) направится к коллектору.

Таким образом, транзистор получается открыт, и в нем течет ток эмиттер коллектор. Если напряжение на базе увеличить, увеличится и ток коллектор эмиттер. Причем, при малом изменении управляющего напряжения наблюдается значительный рост тока через коллектор-эмиттер. Именно на этом эффекте и основана работа транзисторов в усилителях.

Вот вкратце и вся суть работы транзисторов. Нужно рассчитать усилитель мощности на биполярных транзисторах за одну ночь, или выполнить лабораторную работу по исследованию работы транзистора? Это не проблема даже для новичка, если воспользоваться помощью специалистов нашего студенческого сервиса .

Не стесняйтесь обращаться за профессиональной помощью в таких важных вопросах, как учеба! А теперь, когда у вас уже есть представление о транзисторах, предлагаем расслабиться и посмотреть клип группы Korn “Twisted transistor”! Например, вы решили купить отчет по практике , обращайтесь в Заочник.

Приведены несколько схем простых устройств и узлов, которые могут быть изготовлены начинающими радиолюбителями.

Однокаскадный усилитель ЗЧ

Это простейшая конструкция, которая позволяет продемонстрировать усилительные способности транзистора Правда, коэффициент усиления по напряжению невелик — он не превышает 6, поэтому сфера применения такого устройства ограничена.

Тем не менее его можно подключить, скажем, к детекторному радиоприемнику (он должен быть нагружен на резистор 10 кОм) и с помощью головного телефона BF1 прослушивать передачи местной радиостанции.

Усиливаемый сигнал поступает на входные гнезда X1, Х2, а напряжение питания (как и во всех остальных конструкциях этого автора, оно составляет 6 В — четыре гальванических элемента напряжением по 1,5 В, соединенных последовательно) подается на гнезда ХЗ, Х4.

Делитель R1R2 задает напряжение смещения на базе транзистора, а резистор R3 обеспечивает обратную связь по току, что способствует температурной стабилизации работы усили теля.

Рис. 1. Схема однокаскадного усилителя ЗЧ на транзисторе.

Как происходит стабилизация? Предположим, что под воздействием температуры увеличился ток коллекто ра транзистора Соответственно увеличится падение напряжения на резисто ре R3. В итоге уменьшится ток эмитте ра, а значит, и ток коллектора — он достигнет первоначального значения.

Нагрузка усилительного каскада — головной телефон сопротивлением 60.. 100 Ом. Проверить работу усилителя несложно, нужно коснуться входного гнезда Х1 например, пинцетом в телефоне должно прослушиваться слабое жужжание, как результат наводки пере менного тока. Ток коллектора транзис тора составляет около 3 мА.

Двухкаскадный УЗЧ на транзисторах разной структуры

Он выполнен с непосредственной связью между каскадами и глубокой отрицательной обратной связью по постоянному току, что делает его режим независящим от температуры окружающей среды. Основа температурной стабилизации — резистор R4, работаю щий аналогично резистору R3 в предыдущей конструкции

Усилитель более «чувствительный” по сравнению с однокаскадным — коэффициент усиления по напряжению достигает 20. На входные гнезда можно подавать переменное напряжение амплитудой не более 30 мВ, иначе возникнут искажения, прослушиваемые в головном телефоне.

Проверяют усилитель, прикоснувшись пинцетом (или просто пальцем) входного гнезда Х1 — в телефоне раздастся громкий звук. Усилитель потребляет ток около 8 мА.

Рис. 2. Схема двухкаскадного усилителя ЗЧ на транзисторах разной структуры.

Эту конструкцию можно использовать для усиления слабых сигналов например, от микрофона. И конечно он позволит значительно усилить сигнал 34, снимаемый с нагрузки детекторного приемника.

Двухкаскадный УЗЧ на транзисторах одинаковой структуры

Здесь также использована непосредственная связь между каскадами, но стабилизация режима работы несколько отличается от предыдущих конструкций.

Допустим, что ток коллектора транзистора VТ1 уменьшился Падение напряжения на этом транзисторе увеличится что приведет к увеличению напряжения на резисторе R3, включенном в цепи эмиттера транзис тора VТ2.

Благодаря связи транзисторов через резистор R2, увеличится ток базы входного транзистора, что приведет к увеличению его тока коллектора. В итоге первоначальное изменение тока коллектора этого транзистора будет скомпенсировано.

Рис. 3. Схема двухкаскадного усилителя ЗЧ на транзисторах одинаковой структуры.

Чувствительность усилителя весьма высока — коэффициент усиления достигает 100. Усиление в сильной степени зависит от емкости конденсатора С2 — если его отключить, усиление снизится. Входное напряжение должно быть не более 2 мВ.

Усилитель хорошо работает с детекторным приемником, с электретным микрофоном и другими источниками слабого сигнала. Ток, потребляемый усилителем — около 2 мА.

Он выполнен на транзисторах разной структуры и обладает усилением по напряжению около 10. Наибольшее входное напряжение может быть 0,1 В.

Усилитель двухкаскадный первый собран на транзисторе VТ1 второй — на VТ2 и VТЗ разной структуры. Первый ка скад усиливает сигнал 34 по напряжению причем обе полуволны одинаково. Второй — усиливает сигнал по току но каскад на транзисторе VТ2 “работает” при положительных полуволнах, а на транзисторе VТЗ — при отрицательных.

Рис. 4. Двухтактный усилитель мощности ЗЧ на транзисторах.

Режим по постоянному току выбран таким что напряжение в точке соединения эмиттеров транзисторов второго каскада равно примерно половине напряжения источника питания.

Это достигается включением резистора R2 обратной связи Ток коллектора входного транзистора, протекая через диод VD1, приводит к падению на нем напряжения. которое является напряжением смещения на базах выходных транзисторов (относительно их эмиттеров), — оно позволяет уменьшить искажения усиливаемого сигнала.

Нагрузка (несколько параллельно включенных головных телефонов либо динамическая головка) подключена к усилителю через оксидный конденсатор С2.

Если усилитель будет работать на динамическую головку (сопротивлением 8 -.10 Ом), емкость этого конденсатора должна бы ь минимум вдвое больше Обратите внимание на подключение нагрузки первого каскада — резистора R4 Его верхний по схеме вывод соединен не с плюсом питания, как это обычно делается, а с нижним выводом нагрузки.

Это так называемая цепь вольтодобавки, при которой в базовую цепь выходных транзисторов поступает небольшое на пряжение ЗЧ положительной обратной связи, выравнивающее условия работы транзисторов.

Двухуровневый индикатор напряжения

Такое устройство можно использовать. например, для индикации “истощения” батареи питания либо индикации уровня воспроизводимого сигнала в бытовом магнитофоне. Макет индикатора позволит продемонстрировать принцип его работы.

Рис. 5. Схема двухуровневого индикатора напряжения.

В нижнем по схеме положении движка переменного резистора R1 оба транзистора закрыты, светодиоды HL1, HL2 погашены. При перемещении движкарезистора вверх, напряжение на нем увеличивается. Когда оно достигнет напряжения открывания транзистора VТ1 вспыхнет светодиод HL1

Если продолжать перемещать движок. наступит момент, когда вслед за диодом VD1 откроется транзистор VТ2. Вспыхнет и светодиод HL2. Иными словами, малое напряжение на входе индикатора вызывает свечение только светодиода HL1 а большее обоих светодиодов.

Плавно уменьшая входное напряжение переменным резистором, заметим что вначале гаснет светодиод HL2, а затем — HL1. Яркость светодиодов зависит от ограничительных резисторов R3 и R6 при увеличении их сопротивлений яркость падает.

Чтобы подключить индикатор к реальному устройству, нужно отсоединить верхний по схеме вывод переменного резистора от плюсового провода источника питания и подать контролируемое напряжение на крайние выводы этого резистора. Перемещением его движка подбирают порог срабатывания индикатора.

При контроле только напряжения источника питания допустимо установить на месте HL2 светодиод зеленого свечения АЛ307Г.

Он выдает световые сигналы по принципу меньше нормы — норма — больше нормы. Для этого в индикаторе использованы два светодиода красно го свечения и один — зеленого.

Рис. 6. Трехуровневый индикатор напряжения.

При некотором напряжении на движке переменного резистора R1 (напряжение в норме) оба транзистора закрыты и (работает) только зеленый светодиод HL3. Перемещение движка резистора вверх по схеме приводит к увеличению напряжения (больше нормы) на нем открывается транзистор VТ1.

Светодиод HL3 гаснет, а HL1 зажигается. Если движок перемещать вниз и уменьшать таким образом напряжение на нем (‘меньше нормы”) транзистор VТ1 закроется, а VТ2 откроется. Будет наблюдаться такая картина: вначале погаснет светодиод HL1, затем зажжется и вскоре погаснет HL3 и в заключение вспыхнет HL2.

Из-за низкой чувствительности индикатора получается плавный переход от погасания одного светодиода к зажиганию другого еще не погас полностью например, HL1, а уже зажигается HL3.

Триггер Шмитта

Как известно это устройство ис пользуется обычно для преобразования медленно изменяющегося напряжения в сигнал прямоугольной формыКогда движок переменного резистора R1 находится в нижнем по схеме положении транзистор VТ1 закрыт.

Напряжение на его коллекторе высокое, в результате транзистор VТ2 оказывается открытым а значит, светодиод HL1 зажжен На резисторе R3 образуется падение напряжения.

Рис. 7. Простой триггер Шмитта на двух транзисторах.

Медленно перемещая движок переменного резистора вверх по схеме, удастся достичь момента когда произойдет скачкообразное открывание транзистора VТ1 и закрывание VТ2 Это случится при превышении напряжения на базе VТ1 падения напряжения на резисторе R3.

Светодиод погаснет. Если после этого перемещать движок вниз триггер возвратится в первоначальное положение — вспыхнет светодиод Это произойдет при напряжении на движке меньшем чем напряжение выключения светодиода.

Ждущий мультивибратор

Такое устройство обладает одним устойчивым состоянием и переходит в другое только при подаче входного сигнала При этом мультивибратор формирует импульс своей длительности независимо от длительности входного. Убедимся в этом проведя эксперимент с макетом предлагаемого устройства.

Рис. 8. Принципиальная схема ждущего мультивибратора.

В исходном состоянии транзистор VТ2 открыт, светодиод HL1 светится. Достаточно теперь кратковременно замкнуть гнезда Х1 и Х2 чтобы импульс тока через конденсатор С1 открыл транзистор VТ1. Напряжение на его коллекторе снизится и конденсатор С2 окажется подключенным к базе транзистора VТ2 в такой полярности, что тот закроется. Светодиод погаснет.

Конденсатор начнет разряжаться ток разрядки потечет через резистор R5, удерживая транзистор VТ2 в закрытом состоянии Как только конденсатор разрядится, транзистор VТ2 вновь откроется и мультивибратор перейдет снова в режим ожидания.

Длительность формируемого мультивибратором импульса (продолжительность нахождения в неустойчивом состоянии) не зависит от длительности запускающего, а определяется сопротивлением резистора R5 и емкостью конденсатора С2.

Если подключить параллельно С2 конденсатор такой же емкости, светодиод вдвое дольше будет оставаться в погашенном состоянии.

И. Бокомчев. Р-06-2000.

Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Приветствую вас на сайте “ “

На этом занятии Школы начинающего радиолюбителя
мы продолжим изучение полупроводников
. На прошлом занятии мы рассматривали диоды
, а на этом занятии рассмотрим более сложный полупроводниковый элемент – транзисторы
.

Транзистор
является более сложной полупроводниковой структурой, чем диод
. Он состоит из трех слоев кремния (бывают еще и германиевые транзисторы) с разной проводимостью. Это могут быть структуры типа n-p-n или p-n-p. Функционирование транзисторов, также как и диодов, основывается на свойствах p-n переходов.

Центральный, или средний слой, называют базой
(Б), а два других соответственно – эмиттер
(Э) и коллектор
(К). Следует отметить, что существенной разницы между двумя типами транзисторов нет, и многие схемы могут быть собраны с тем или другим типом, при соблюдении соответствующей полярности источника питания. На рисунке ниже приведено схемное изображение транзисторов, транзистор p-n-p отличается от транзистора n-p-n направлением стрелки эмиттера:

Выделяют два основных типа транзисторов
: биполярные
и униполярные
, которые различаются по конструктивным особенностям. В рамках каждого типа существует много разновидностей. Главное различие этих двух типов транзисторов заключается в том, что управление процессами, происходящими в ходе работы прибора, в биполярном транзисторе осуществляется входным током, а в униполярном транзисторе – входным напряжением.

Биполярные транзисторы
, как уже говорилось выше, представляют собой слоенный пирог из трех слоев. В упрощенном виде транзистор можно представить как два встречно включенных диодов:

(при этом, следует отметить, что переход база – эмиттер представляет собой обычный стабилитрон, напряжение стабилизации которого 7…10 вольт). Исправность транзистора можно проверить также как и исправность диода, обычным омметром, измеряя сопротивление между его выводами. Переходы, аналогичные имеющимся в диоде, существуют в транзисторе между базой и коллектором, а также между базой и эмиттером. На практике такой способ для проверки транзисторов используется очень часто. Если омметр подключить между коллекторным и эмиттерным выводами, прибор покажет разрыв цепи (при исправном транзисторе), что естественно так как диоды включены встречно. А это означает, что при любой полярности приложенного напряжения один из диодов включен в прямом направлении, а второй в обратном, поэтому ток проходить не будет.

Объединение двух пар переходов
приводит к проявлению чрезвычайно интересного свойства, именуемого транзисторным эффектом
. Если к транзистору между коллектором и эмиттером приложить напряжение, тока практически не будет (о чем и говорилось чуть выше). Если же произвести подключение в соответствии со схемой (как на рисунке ниже), где на базу через ограничивающее сопротивление (чтобы не повредить транзистор) подается напряжение, то через коллектор будет проходить ток более сильный чем ток базы. При повышении тока базы ток коллектора тоже будет увеличиваться.

С помощью измерительного прибора можно определить соотношение токов базы, коллектора и эмиттера. Это можно проверить простым способом. Если сохранить напряжение питания, к примеру на уровне 4,5 В, изменив значение сопротивления в цепи базы с R до R/2, ток базы удвоится, пропорционально увеличится и ток коллектора, к примеру:

Следовательно, при любом напряжение на сопротивление R, ток коллектора будет в 99 раз больше тока базы, то есть транзистор
имеет коэффициент усиления по току
равный 99. Другими словами, транзистор усиливает ток базы в 99 раз. Этот коэффициент обозначают буквой ?
. Коэффициент усиления равен отношению тока коллектора к току базы
:

? = Iк/Iб

На базу транзистора можно подать и переменное напряжение. Но, необходимо, чтобы транзистор работал в линейном режиме
. Для нормального функционирования в линейном режиме транзистору следует подать на базу постоянное напряжение смещения и подвести переменное напряжение, которое он будет усиливать. Таким образом транзисторы усиливают слабые напряжения, поступающие к примеру с микрофона, до уровня, который способен привести в действие громкоговоритель. Если коэффициент усиления не достаточен, можно использовать несколько транзисторов или их последовательных каскадов. Чтобы при соединении каскадов не нарушать режимов работы каждого из них по постоянному току (при которых обеспечивается линейность), используют разделительные конденсаторы. Биполярные транзисторы обладают электрическими характеристиками, обеспечивающими им определенные преимущества по сравнению с другими усилительными компонентами.

Как мы уже знаем, существуют еще (кроме биполярных) и униполярные транзисторы
. Коротко рассмотрим два их них – полевые
и однопереходные
транзисторы. Как и биполярные они бывают двух типов и имеют по три вывода:

Электродами полевых транзисторов являются: затвор
– З, сток
– С, соответствующий коллектору и исток
– И, отождествляемый с эмиттером. Полевые транзисторы с n- и p- каналом различаются по направлению стрелки затвора. Однопереходные транзисторы, которые иногда называют двухбазовыми диодами, в основном используются в схемах генераторов импульсных периодических сигналов.

Имеется три фундаментальных схемы включения транзисторов в усилительном каскаде:

?

с общим эмиттером
(а)

?

с общим коллектором
(б)

?

с общей базой
(в)

Биполярный транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером
, в зависимости от выходного сопротивления источника питания R1 и сопротивления нагрузки Rн усиливает входной сигнал и по напряжению, и по току. Коэффициент усиления биполярного транзистора обозначается как
h31э
(читается: аш-два-один-э, где э – схема с общим эмиттером), и у каждого транзистора он разный. Величина коэффициента h31э (его полное название – статический коэффициент передачи тока базы h31э
) зависит только от толщины базы транзистора (ее изменить нельзя) и от напряжения между коллектором и эмиттером, поэтому при небольшом напряжении (менее 20 В) его коэффициент передачи тока при любом токе коллектора практически неизменен и незначительно увеличивается при увеличении напряжения на коллекторе.

Коэффициент усиления по току
– Кус.i
и коэффициент усиления по напряжению
– Кус.u
биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, зависит от отношения сопротивления нагрузки (на схеме обозначено как Rн) и источника сигнала (на схеме обозначено как R1). Если сопротивление источника сигнала в h31э
раза меньше сопротивления нагрузки, то коэффициент усиления по напряжению чуть меньше единицы (0,95…0,99), а коэффициент усиления по току равен h31э.
Когда сопротивление источника сигнала более чем в h31э
раза меньше сопротивления нагрузки, то коэффициент усиления по току остается неизменным (равным h31э
), а коэффициент усиления по напряжению уменьшается. Если же, наоборот, входное сопротивление уменьшить, то коэффициент усиления по напряжению становится больше единицы, а коэффициент усиления по току, при ограничении протекающего через переход база-эмиттер транзистора тока, не изменяется. Схема с общим эмиттером – единственная схема включения биполярного транзистора, которая требует ограничения входного (управляющего) тока. Можно сделать несколько выводов:
– базовый ток транзистора нужно ограничивать, иначе сгорит или транзистор, или управляющая им схема; – с помощью транзистора, включенного по схеме ОЭ, очень легко управлять высоковольтной нагрузкой низковольтным источником сигнала. Через базовый, а следовательно и коллекторный переходы протекает значительный ток при напряжении база-эмиттер всего 0,8…1,5 В. Если амплитуда (напряжение) больше этого значения – нужно поставить между базой транзистора и выходом управляющей схемы токоограничивающий резистор (R1). Рассчитать его сопротивление можно по формулам:

Ir1=Irн/h31э
R1=Uупр/Ir1
где:

Irн
– ток через нагрузку, А; Uупр
– напряжение источника сигнала, В; R1
– сопротивление резистора, Ом.

Еще одна особенность схемы с ОЭ – падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора можно практически уменьшить до нуля. Но для этого надо значительно увеличивать базовый ток, что не очень выгодно. Поэтому такой режим работы транзисторов используют только в импульсных, цифровых схемах.

Транзистор
, работающий в схеме усилителя аналогового сигнала
, должен обеспечивать примерно одинаковое усиление сигналов с разной амплитудой относительно некоторого “среднего” напряжения. Для этого его нужно немножко “приоткрыть”, постаравшись не “переборщить”. Как видно из рисунка ниже (левый):

ток коллектора и падение напряжения на транзисторе при плавном увеличении тока базы вначале изменяются почти линейно
, и лишь потом, с наступлением насыщения
транзистора, прижимаются к осям графика. Нас интересуют только прямые части линий (до насыщения) – очевидно, что они символизируют линейное усиление сигнала, то есть, при изменении управляющего тока в несколько раз во столько же раз изменится и ток коллектора (напряжение в нагрузке).

Форма аналогового сигнала показана на рисунке выше (справа)
. Как видно из графика, амплитуда сигнала постоянно пульсирует относительно некоего среднего напряжения Uср, причем она может как увеличиваться, так и уменьшаться. Но биполярный транзистор реагирует только на увеличение входного напряжения (вернее тока). Вывод: нужно сделать так, чтобы транзистор даже при минимальной амплитуде входного сигнала был немножко приоткрыт. При средней амплитуде Uср он откроется чуть сильнее, а при максимальной Umax откроется максимально. Но при этом он не должен входить в режим насыщения (см.рис. выше) – в этом режиме выходной ток перестает линейно зависеть от входного, в следствии чего происходит сильное искажение сигнала.

Обратимся снова к форме аналогового сигнала. Так как и максимальная и минимальная амплитуды входного сигнала относительно средней примерно одинаковы по величине (и противоположны по знаку), то нам нужно подать на базу транзистора такой постоянный ток (ток смещения – Iсм), чтобы при “среднем” напряжении на входе транзистор был открыт ровно наполовину. Тогда при уменьшении входного тока транзистор будет закрываться и ток коллектора будет уменьшатся, а при увеличении входного тока он будет открываться еще сильнее.

Базовые интегральные ТТЛ-схемы с резистором в коллекторе выходного транзистора. Схема И—НЕ с тремя состояниями

Базовые интегральные ТТЛ-схемы
имеют два вида выходов (рис. 1): с резистором в коллекторе выходного
транзистора и с открытым коллектором. Выход с открытым коллектором, во-первых,
позволяет иметь много параллельных выходов, что обеспечивает логическое сложение
выходных функции схем при подаче напряжения питания на группу соединенных
вместе выходов через резистор соответствующего сопротивления, которое зависит
от числа соединенных выходов и числа подключенных к ним входов последующих
элементов. Во-вторых, выход с открытым коллектором дает возможность
использовать ТТЛ-схемы в качестве усилителей индикации.

Рис. 1 Базовые интегральные
ТТЛ-схемы с резистором в коллекторе выходного транзистора (а), с открытым
коллектором (в) и их условные обозначения (б, г)

Основной особенностью элементов
ТТЛ является использование в них многоэмиттерных транзисторов (МЭТ). Если на
все входы МЭТ VT1 поданы напряжения, соответствующие уровню логической
единицы, то ток через резистор R1 течет в базу транзистора VT2, а
затем усиленный ток с эмиттера VT2 поступает в базу выходного инвертирующего
транзистора VT4, открывая его; при этом транзистор VT3 будет
закрыт и напряжение на выходе у будет соответствовать уровню логического нуля.
Если хотя бы на одном входе МЭТ появится входное напряжение, соответствующее
уровню логического нуля, то откроется соответствующий переход база—эмиттер, МЭТ
перейдет в состояние насыщения и потенциал его коллектора станет близким к
нулю. Следовательно, VT2 закроется, VT3 откроется, а на
выходе у схемы установится напряжение, соответствующее уровню логической
единицы                                                           

Схема на рис. 1, на транзисторах VT2—VT4 реализован
сложный инвертор, осуществляющий операцию «НЕ», что позволило обеспечить высокую
нагрузочную способность, достаточное быстродействие и помехоустойчивость схемы,
поскольку ток в выходной цепи в закрытом состоянии схемы создается малым
выходным сопротивлением эмиттерного повторителя, собранного на транзисторе VT3, а в
открытом состоянии ток, поступающий в схему, обеспечивается малым выходным
сопротивлением открытого транзистора VT4.

Рис   2 Схема   И—НЕ   с  
тремя состояниями   (а)

Кроме рассмотренных ТТЛ-схем,
выпускаются схемы с тремя состояниями для обеспечения совместной работы с
линиями магистралей (рис. 2). Название этих схем может ввести в заблуждение,
так как на самом деле они не являются логическими элементами с тремя уровнями
напряжений. Это самые обычные логические схемы, которые имеют третье состояние
выхода — «обрыв». Они совмещают в себе все преимущества элементов с резистором
в цепи нагрузки и способность работать на общую шину, которой обладает схема с
открытым коллектором. Схемы с тремя состояниями имеют отдельный запирающий
вход С, с помощью которого они могут устанавливаться в третье состояние
независимо от того, какие сигналы действуют на логических входах Ввиду
улучшенных характеристик их используют обычно в качестве шинных формирователей
вместо схем с открытым коллектором. Устанавливать нагрузочный резистор в этом
случае не требуется.

Схема, изображенная на рис. 2, а,
реализует функцию И—НЕ и работает следующим образом. Для управления
транзисторами VT3 и VT4 тут введена дополнительная управляющая цепь,
которая называется управлением (вход С). Этот вход через диод VD2 подключен
к базе транзистора VT3, а также к эмиттеру МЭТ VT1.

Когда на вход С поступает
напряжение, соответствующее уровню логического нуля, транзисторы VT3 и VT4 закрыты
(VT3 закрыт потому, что на его базе в этом случае будет низкий потенциал,
a VT4 из-за
того, что на эмиттер VT1 подан логический нуль). Если на вход-С
подать высокий потенциал, то диод VD2 будет закрыт и транзистор VT3 будет
работать как в обычной ТТЛ-схеме. Таким образом, когда на вход С подан высокий
потенциал, состояние схемы будет определяться другими входами и она работает
как обычная ТТЛ-схема, реализующая функцию И—НЕ.

Схемы повторения и некоторые
инверторы служат для подачи более высоких питающих напряжений, превышающих
заданное для серии ТТЛ напряжение 5В, а также для увеличения нагрузочной способности
вентилей свыше типового значения.

Преимуществами схем на
КМОП-транзисторах являются малая потребляемая мощность, высокое быстродействие
и повышенная помехоустойчивость. В основе всех логических КМОП-схем лежит
КМОП,-инвертор (рис. 3, а). Здесь VT1 — транзистор с каналом n-типа, VT2 — с
каналом р-типа. Затворы обоих транзисторов объединены, на них подается
управляющее напряжение. Подложки соединены с истоками.

При поступлении на вход напряжения
высокого уровня (логической единицы) открывается транзистор VT1, a VT2 закрывается.
Наоборот, при подаче на вход напряжения, соответствующего уровню логического
нуля, открывается транзистор VT2, a VT1 закрывается. Высокое быстродействие таких
схем реализуется за счет того, что в цепях заряда и разряда паразитных емкостей
схемы включены малые сопротивления открытых транзисторов. Схема, реализующая
функцию ИЛИ—НЕ показана на рис. 4. При поступлении на вход А напряжения, соответствующего
уровню логической единицы, открывается транзистор VT1 и закрывается
VT4, в результате чего напряжение на выходе будет соответствовать уровню
логического нуля (у = 0). При подаче на входы А и В напряжения,
соответствующего уровню

Шинные формирователи

Мультиплексоры предназначены для
объединения нескольких выходов в тех случаях,
когда заранее известно сколько выходов нужно
объединять. Часто это неизвестно. Более того,
часто количество объединяемых микросхем
изменяется в процессе эксплуатации устройств.
Наиболее яркий пример — это компьютеры, в которых
в процессе эксплуатации изменяется объем
оперативной памяти, количество портов
ввода-вывода, количество дисководов. В таких
случаях невозможно для объединения нескольких
выходов воспользоваться логическим элементом
«ИЛИ».

Для объединения нескольких выходов на один
вход в случае, когда заранее не известно сколько
микросхем нужно объединять, используется два
способа:

1. монтажное ИЛИ;
2. шинные формирователи.

Исторически первой схемой объединения выходов
были схемы с открытым коллектором (монтажное
«ИЛИ»). Схема монтажного «ИЛИ» приведена
на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема монтажного «ИЛИ».

Такое объединение микросхем называется шиной и
позволяет объединять до 10 микросхем на один
провод. Естественно для того, чтобы микросхемы не
мешали друг другу только одна из микросхем
должна выдавать информацию на общий провод.
Остальные микросхемы в этот момент времени
должны быть отключены от шины (то есть выходной
транзистор должен быть закрыт). Это
обеспечивается внешней микросхемой управления
не показанной на данном рисунке.

На принципиальных схемах такие элементы
обозначаются как показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Обозначение микросхемы с открытым
коллектором на выходе

Недостатком приведенной схемы объединения
нескольких микросхем на один провод является
низкая скорость передачи информации,
обусловленная затягиванием переднего фронта.
Это явление связано с различным сопротивлением
заряда и разряда паразитной Јмкости шины. Заряд
паразитной Јмкости происходит через
сопротивления R1 и R2, которые много больше
сопротивления открытого транзистора. Величину
этого сопротивления невозможно уменьшить меньше
некоторого предела, определяемого напряжением
низкого уровня, который определяется в свою
очередь допустимым током потребления всей схемы
в целом. Временная диаграмма напряжения на шине с
общим коллектором приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Временные диаграммы напряжения на
входе и выходе микросхемы с открытым
коллектором.

Естественным решением этой проблемы было бы
включение транзистора в верхнее плечо схемы, но
при этом возникает проблема сквозных токов, из-за
которой невозможно соединять выходы цифровых
микросхем непосредственно. Причина
возникновения сквозных токов поясняется на
рисунке 4.

Рисунок 4. Путь протекания сквозного тока при
непосредственном соединении выходов цифровых
микросхем.

Эта проблема исчезает, если появляется
возможность закрывать транзисторы как в верхнем,
так и в нижнем плече выходного каскада. Если в
микросхеме закрыты оба транзистора, то такое
состояние выхода микросхемы называется третьим
состоянием или z-состоянием выхода микросхемы.
Такая возможность появляется в
специализированных микросхемах с третьим
состоянием на выходе микросхемы. Принципиальная
схема выходного каскада микросхемы с тремя
состояниями на выходе микросхемы приведена на
рисунке 5.

Рисунок 5. Принципиальная схема выходного
каскада микросхемы с тремя состояниями на выходе

На принципиальных схемах такие элементы
обозначаются как показано на рисунке 6.

Рисунок 6. Обозначение микросхемы с тремя
состояниями на выходе

Часто в микросхеме, содержащей элементы с тремя
состояниями выходного каскада  объединяют
управляющие сигналы всех элементов в один провод.
Такие микросхемы называют шинными
формирователями и изображают на схемах как
показано на рисунке 7.

Рисунок 7. Обозначение шинного формирователя.

[Назад] [Содержание] [Вперёд]

сигналов с открытым коллектором (Примечание к приложению) | LabJack

Это примечание к приложению написано для всех LabJack, кроме U12. U12 имеет подтягивающие резисторы 1 МОм, а не 100 кОм на всех других устройствах.

Открытый коллектор (также называемый открытым стоком, NPN или PNP) — очень распространенный тип цифрового сигнала. Вместо того, чтобы обеспечивать 5 вольт с низким импедансом и землю, как двухтактный или сигнальный, сигнал с открытым коллектором обеспечивает открытие и землю. Этот тип сигнала можно рассматривать как переключатель, соединенный с землей.Различные термины используются несколько вольно, и часто все варианты просто называются «открытый коллектор», но наиболее распространено следующее:

.

Открытый коллектор = NPN = Переключение между открытым и низким уровнем.

Открытый сток = PNP = Переключение между открытым и высоким.

Поскольку цифровые входы LabJack имеют внутренний подтягивающий резистор 100 кОм, который удерживает их на высоком уровне, когда ничего не подключено, сигнал NPN является естественным и, как правило, может быть подключен непосредственно к входу. Когда сигнал NPN неактивен, он не подает никакого напряжения, и подтягивающий резистор подтягивает цифровой вход к высокому логическому уровню.Когда сигнал NPN активен, он подает 0 вольт, что подавляет подтяжку и переводит цифровой вход в низкий логический уровень. Иногда устанавливается внешнее подтягивающее напряжение (например, 4,7 кОм от Vs к цифровому входу) для увеличения скорости и силы (т. е. большей устойчивости к электромагнитным помехам) состояния высокого логического уровня.

Рис. 1. Общее подключение открытого коллектора (NPN) к цифровому входу

Rground обычно равен 0 Ом, но иногда используется последовательный резистор, чтобы предотвратить протекание больших токов на землю.

Серия

R обычно имеет сопротивление 0 Ом, за исключением случаев, когда необходимо создать RC-фильтр нижних частот или если необходимо ограничить ток при напряжении, значительно превышающем 5 вольт. Если есть некоторая неопределенность в отношении того, является ли сигнал на самом деле открытым коллектором или может ли он управлять напряжением выше 5 вольт, используйте Rseries 22 кОм, как описано в примечаниях к приложению Driven Signals.

Rpullup (внешний подтягивающий резистор) обычно не требуется, но используется гораздо чаще, чем Rground и Rseries. Иногда добавляется сопротивление 4,7 кОм, если требуется более сильное подтягивание, чтобы избежать ложных минимумов из-за электромагнитных помех.Единственным недостатком добавления этого внешнего подтягивающего резистора является то, что VS должен генерировать небольшой дополнительный ток, а переключатель NPN должен поглощать этот дополнительный ток, но он составляет всего около 1 мА при 4,7 кОм.

Без дополнительных резисторов рисунок 1 упрощается до рисунка 2, который является наиболее распространенным соединением:

Рис. 2. Типичное подключение открытого коллектора (NPN) к цифровому входу

Для переключателя PNP требуется Rpulldown (а не Rpullup) от цифрового входа к GND.Добавьте подтягивающий резистор 4,7 кОм, который перекрывает внутренний подтягивающий резистор 100 кОм и поддерживает низкий уровень на цифровом входе, когда PNP неактивен (разомкнут). Когда PNP активен (высокий уровень), он подавляет понижение и поддерживает высокий уровень на цифровом входе. Обратите внимание, что если высокое напряжение PNP больше 5 вольт, Rseries необходим для защиты цифрового входа, как обсуждалось ранее. В этом случае Rseries в сочетании с Rpulldown создает делитель напряжения (а также внутреннюю подтяжку 100 кОм до 3,3 В, но мы проигнорируем это для приблизительных расчетов).Rseries=10k и Rpulldown=4,7k означают коэффициент усиления примерно x0,32, поэтому входной сигнал 12 В будет разделен до ~ 3,8 вольт. Rseries=22k и Rpulldown=4,7k означают усиление около x0,18, поэтому входной сигнал 24 В будет разделен до ~ 4,3 В.

Другим вариантом для коммутаторов PNP является LJTick-Divider.

Наше старейшее устройство, U12, имеет подтягивающее сопротивление 1 МОм, а не 100 кОм на каждой цифровой линии. Мы рекомендуем всегда использовать подтягивающий резистор 4,7 кОм (до +5 В) с сигналами NPN или 4.Подтягивающий резистор 7 кОм (к GND) с сигналами PNP.

Выше упоминалось о защите от напряжения выше 5 вольт. Фактические ограничения можно найти в Приложении А к техническому описанию каждого устройства. U12 начинает фиксацию при VS+0,3, в то время как U3, U6, UE9, T4 и T7 начинают фиксацию при фиксированном напряжении 5,8 В, поэтому следует рассмотреть возможность добавления последовательного резистора для напряжений, превышающих эти уровни.

Обратите внимание, что отдельное заземление LabJack часто не требуется для каждого сигнала.Любые сигналы, питаемые от одного и того же внешнего источника или иным образом относящиеся к одному и тому же внешнему заземлению, должны по возможности использовать одно заземление с LabJack.

Использование датчиков с выходами с открытым коллектором

Большинство промышленных датчиков предназначены для подключения к модулям ввода ПЛК с обозначением источника или получателя. Датчики представлены терминами, соответствующими NPN и PNP соответственно. Однако в некоторых случаях появляются необычные термины.

Одной из наиболее запутанных является идея «выходов с открытым коллектором», которые часто встречаются на устройствах кодирования. Простое объяснение может помочь определить, как использовать датчики такого типа.

Использование датчиков с выходами с открытым коллектором

Датчики

являются неотъемлемой частью любой системы управления. Стратегии подключения могут немного различаться в зависимости от марок и типов используемых датчиков. К счастью, разнообразие стилей проводки не слишком разнообразно.

Это позволяет техническому специалисту найти и подключить эквивалентный датчик, даже если это не тот номер детали, который указан в техническом описании.

Существует несколько общеизвестных терминов, используемых в дискретных (цифровых) датчиках, в частности PNP и NPN. Эти датчики предназначены для согласования с входными клеммами приемника и истока на контроллере соответственно.

Существует менее распространенный термин, который появляется, в частности, на кодирующих устройствах, но в некоторых других случаях. Поскольку он менее распространен, не так много внимания уделяется определению того, что это такое и как оно работает, и, что наиболее важно, тому, как подключать устройства.Этот термин называется «Открытый коллекционер».

Модель транзистора

Название Коллектор происходит от модели транзистора, поэтому имеет смысл начать определение с краткого рассмотрения того, как транзистор подключен внутри датчика.

На левой стороне схема энкодера (не показана, но состоящая из светодиодных излучателей/детекторов по мере необходимости и сравнительных усилителей) использует 24 вольта и землю, подаваемую разъемом питания, и выводит небольшое напряжение на сигнальную схему через Базовый вывод транзистора.

Эта сигнальная схема справа представляет собой NPN-транзистор, который соединяет вход ПЛК с землей. Вход ПЛК напрямую подключен к коллекторному контакту транзистора. Это обеспечивает название «Открытый коллектор», поскольку провод разомкнут на конце жгута проводов, пока он не будет подключен к ПЛК. Соединение с землей — это контакт эмиттера транзистора.

Когда сигнал датчика высокий, транзистор пропускает ток от ПЛК к земле. Когда сигнал датчика низкий, транзистор выключается, и ток больше не может течь от ПЛК.

Ни в коем случае ток не протекает от датчика к ПЛК. Это означает, что датчик будет считаться тонущим датчиком.

Соединения с внешним миром по-прежнему состоят из +V, сигнальной земли и сигнального провода, как показано на схеме. Точно так же, как и большинство других 3-проводных датчиков. Что касается энкодеров, большинство из них будет иметь жгут проводов, состоящий из более чем одного выхода. Вы по-прежнему будете подключать +V и сигнальную землю, но у вас будет дополнительное количество сигнальных проводов.

В этих случаях с несколькими сигнальными проводами убедитесь, что ваш входной модуль может вместить достаточное количество энкодеров. Например, если к энкодеру подключено 3 сигнальных провода, модуль с 8 входами может включить только 2 энкодера. Если энкодер имеет пять сигнальных проводов, этот модуль с 8 входами может работать только с одним энкодером.

Инкрементный энкодер с открытым коллектором. Изображение предоставлено SICK Sensors.

Важно знать, что в конструкции датчиков с открытым коллектором всегда используется NPN-транзистор, что делает их такими же, как и все другие датчики типа Sinking.Это означает, что вы должны использовать входной модуль Sourcing, который встречается немного реже, чем модули Sinking.

Основная причина использования NPN-транзисторов в этих приложениях заключается в том, что ПЛК может подавать любое напряжение на этот коллектор по мере необходимости, даже если сам датчик подключен к источнику питания 24 В.

Если контроллер представляет собой 12-вольтовую систему, коллектор соединит эти 12 вольт с землей. Если это 5-вольтовая или другая 24-вольтовая система, она все равно вернется на землю в любом случае.Альтернативой является транзистор PNP, который будет ограничен только подачей напряжения источника. Таким образом, если бы у вас была 12-вольтовая система управления, вам пришлось бы найти 12-вольтовый источник питания только для этого датчика, что не очень практично.

Соединения модуля

Для энкодеров специальные модули высокоскоростных счетчиков считывают сигналы, поскольку эти сигналы энкодеров могут меняться очень быстро.

Для получения подробной информации об этом типе модуля обратитесь к дистрибьютору предпочитаемой вами системы управления и спросите о HSC (высокоскоростном счетчике) и их возможностях.Если вы планируете использовать кодер типа Open Collector, убедитесь, что входы HSC являются источниками.

Для стандартного 3-проводного датчика с указанным выходом «Открытый коллектор» сигнальный провод от кабеля может подключаться непосредственно к входной клемме ПЛК, но опять же с риском повторения. Это должен быть входной модуль источника.

Хороший урок, который можно извлечь из этих необычных обстоятельств подключения, заключается в том, что часто бывает полезно понять, почему что-то работает, чтобы использовать это правильно. Иногда возникает соблазн найти быстрый ответ или схему подключения, но это решает проблему только на данный момент.Дополнительные усилия для изучения теории чего-то более сложного могут открыть новые возможности для разработки более совершенных систем и решений в будущем.

Открытый коллектор / Коллектор Offener / Открытый дренаж

Der Open-Collector (OC) ist der unbeschaltete Kollektor-Anschluss eines Transistors am Ausgang eines integrierten Schaltkreises (IC). Mit «unbeschaltet» ist offen (англ. открытый) gemeint.
Der Open-Collector ist einer von mehreren Ausgangstypen für digitale integrierte Schaltkreise.Dazu gehören TTL, CMOS und weitere Schaltkreisfamilien. Отключите TTL-ICs, wie heute üblich, CMOS-ICs verwendet werden, dann spricht man von Open-Drain-Ausgängen (vom Feldeffekttransistor abgelitet). Die Funktion und die Bedeutung sind identisch mit dem Open-Collector.
Фон der Schaltung ее, ist der Open-Collector Ein NPN-Transistor, dessen Emitter auf Masse Liegt und der Collector als Ausgang dient. Der Kollektor des Transistors wird dabei ohne weitere innere Beschaltung an den Ausgang des integrierten Schaltkreises geführt.Dadurch ist es möglich, den Ausgang des integrierten Schaltkreises ohne weitere Beschaltung auf Masse zu ziehen. Ist der Transistor nicht durchgesteuert, ist der Ausgang hochohmig. Spannung Liegt Keine an.

Beschaltung des Open Collector

Der Open-Collector verhält sich wie ein Schaltausgang. Allerdings ist nicht definiert, wie logisch HIGH und LOW zu 1 und 0 zugeordnet sind. Er wird deshalb gerne dazu verwendet einen Ausgang ein beliebiges Spannungsniveau zu schalten.Dadurch ist es möglich auf eine Spannungs- bzw. Pegelanpassung zu verzichten. Durch den Verzicht des Kollektorwiderstands ist es sogar möglich mehrere Open-Collector-Ausgänge zusammenzuschalten. Dies nennt man eine Wired-OR-Verknüpfung (активный закрытый) или Wired-AND-Verknüpfung (активный открытый).

Открытый коллектор с вытягивающейся широкой подставкой

Soll der Open-Collector-Ausgang wie ein normaler Ausgang mit Spannungspotential funktionieren, dann muss der Open-Collector-Ausgang mit einem Pullup-Widerstand beschaltet werden.Erst dann kommt im anderen logischen Zustand eine Spannung heraus. Nachteilig ist dabei der große Unterschied der Ausgangsimpedanz. Bei logisch LOW (Transistor geschlossen) sind es es praktisch 0 Ohm, bei logisch HIGH (Transistor offen) entspricht die Ausgangsimpedanz dem Wert des Kollektorwidestands. Bei höheren Schaltfrequenzen wirkt sich das deshalb störend aus, weil die ansteigende Flanke weniger steil verläuft als die fallde. Das kommt von der parasitären Kapazität, die am Ausgang angeschlossen ist.

Открытый коллектор с реле

Wenn ein digitaler Schaltkreis ein Relais ansteuern muss, dann ist ein Open-Collector-Ausgang dazu besonders gut geeignet. Ohne weitere Beschaltung des Ausgangs, kann ein Relais (mit Freilaufdiode) и den Ausgang geschaltet werden.

Weitere verwandte Темы:

Электроник-Fibel

Электроник einfach und leicht verständlich

Die Elektronik-Fibel ist ein Buch über die Grundlagen der Elektronik, Bauelemente, Schaltungstechnik und Digitaltechnik.

Das will ich haben!

Электронный набор «Starter Edition»

Elektronik erleben mit dem Elektronik-Set «Starter Edition»

Perfect for Einsteiger und Widereinsteiger

• Elektronik-Einstieg ohne Vorkenntnisse
• Schnelles Verständnis für Bauteile und Schaltsymbole
• Ohne Lötkolben Experimentieren: Bauteile einfach stecken

Дополнительная информация Электронный набор Jetzt Bestellen

Электронный набор «Basic Edition»

Umfangreiches Elektronik-Sortiment

• Убер 1.300 электронных компонентов: Универсальные широкополосные, конденсаторные, диодные, транзисторные и универсальные светодиоды в различных источниках света.
• Anschlussbelegung, Kennzeichnung und wichtige Kennwerte: Mit dabei für alle Bauteile im Elektronik-Guide als PDF-Datei zum Download.
• Für jeden Elektroniker: Als sinnvolle Erstausstattung für Einsteiger oder für alte Hasen, die mal wieder ihren Bestand auffüllen oder ergänzen Wollen.

Bauteilliste ansehen Elektronik-Set jetzt bestellen

Часто задаваемые вопросы по открытому коллектору/открытому дренажу

Часто задаваемые вопросы по открытому коллектору/открытому дренажу

Что такое схема с открытым коллектором/открытым стоком?

Открытый коллектор/открытый сток – это технология, которая позволяет
устройства для двусторонней связи по одному проводу.

Устройства с открытым коллектором/открытым стоком потребляют (пропускают) ток при низком напряжении
активное (логический 0) состояние или имеют высокий импеданс (ток не течет) в своих
Высоковольтное неактивное (логическая 1) состояние. Эти устройства обычно работают
с внешним подтягивающим резистором, который удерживает сигнальную линию на высоком уровне до тех пор, пока
устройство на проводе потребляет достаточно тока, чтобы снизить линию. Много устройств
можно подключить к сигнальному проводу. Если все устройства, подключенные к проводу
находятся в неактивном состоянии, подтяжка будет удерживать провод в высоком
Напряжение.Если одно или несколько устройств находятся в активном состоянии, сигнальный провод
напряжение будет низким.

Сигнальный провод с открытым коллектором/открытым стоком также может быть двунаправленным.
Двунаправленный означает, что устройство может как выводить, так и вводить сигнал на
провод одновременно. Помимо контроля состояния своего
контакт, который подключен к сигнальному проводу (активному или неактивному), устройство
также может определять уровень напряжения сигнального провода. Хотя выход
устройства с открытым коллектором/открытым стоком может находиться в неактивном (высоком) состоянии,
провод, подключенный к устройству, может находиться в активном (низком) состоянии из-за
активности другого устройства, подключенного к проводу.

Двунаправленный характер устройства с открытым коллектором/открытым стоком
что делает эту схему столь важной для соединения многих устройств на
общая линия. Шина I2C и SMBus используют этот метод для подключения
до 127 устройств.

Открытый сток относится к выводу стока полевого МОП-транзистора. Открытый коллектор
та же концепция на биполярном устройстве.

Не можете найти здесь ответ на свой вопрос? Тогда отправьте свой вопрос по электронной почте
к нам по адресу support@mcc-us.ком

I ² C на расстоянии одного щелчка мыши ^TM

A Сравнение общих выходных сигналов энкодера

Когда дело доходит до выбора энкодера для приложения управления движением, необходимо сделать несколько вариантов. Инженер, определяющий датчик, должен решить, требуется ли для его применения инкрементальный, абсолютный или коммутационный энкодер. После того, как они узнают, какой тип им нужен, необходимо рассмотреть длинный список других параметров, таких как: разрешение, схема монтажа, размер вала двигателя и многое другое.Кроме того, иногда упускают из виду, что необходим тип выходного сигнала энкодера. Ответ не всегда ясен, поэтому в этом посте мы рассмотрим три основных типа выходных сигналов практически любого энкодера: открытый коллектор, двухтактный и дифференциальный линейный драйвер. Эти три типа выходных данных описывают физический уровень цифровой связи.

Независимо от того, является ли это квадратурным выходом инкрементного энкодера, выходом полюса двигателя коммутационного энкодера или последовательным интерфейсом, который использует определенный протокол, все эти сигналы являются цифровыми и имеют высокое и низкое состояния.Это означает, что для энкодера 5 В сигналы всегда будут переключаться между 0 В (земля), что является низким или двоичным 0, и 5 В, что является высоким или двоичной 1. В этом посте мы сосредоточимся на выходах инкрементного энкодера, которые обеспечивают основная прямоугольная волна.

Типовой цифровой прямоугольный сигнал 5 В

Выходы с открытым коллектором

Большинство поворотных энкодеров на рынке будут иметь выход с открытым коллектором. Это означает, что на выходе цифрового сигнала может быть низкий уровень на землю, а когда сигнал должен быть высоким, выход просто отключается.Выход называется открытым коллектором, потому что вывод коллектора на транзисторе остается открытым или отключенным, когда входной сигнал высокий.

Биполярный переходной транзистор, используемый в энкодерах с открытым коллектором

. Для взаимодействия с этим устройством требуется внешний резистор, чтобы «подтянуть» коллектор до желаемого высокого уровня напряжения. Это полезный тип вывода, если инженер пытается подключиться к системе с разными уровнями напряжения. Коллектор может быть поднят, чтобы соответствовать более низким или более высоким уровням напряжения, чем работает энкодер.

Подтягивающий резистор, добавленный к энкодеру с открытым коллектором

извне. Однако недостатки этого интерфейса часто перевешивают возможность изменения уровней напряжения энкодера. Добавление внешних резисторов к энкодерам с открытым коллектором не представляет особой сложности, и во многие готовые контроллеры они уже встроены, но эти внешние резисторы потребляют ток для работы и влияют на выходной сигнал, изменяя его характеристики в зависимости от частоты. Снова рассмотрим прямоугольную волну инкрементного энкодера, только на этот раз увеличенную очень близко к одному из изменений его состояния.Нам нравится думать о наших цифровых сигналах как о мгновенном переходе от низкого уровня к высокому, но мы, конечно, знаем, что все требует времени. Мы называем эту временную задержку скоростью нарастания.

Крупный план прямоугольной волны с более низкой скоростью нарастания

В случае выходов с открытым коллектором на скорость нарастания влияет сопротивление подтягивающего резистора, поскольку резистор действует как R в RC-цепи синхронизации. Более низкие скорости нарастания означают пониженную скорость работы энкодера (и/или пониженное разрешение в случае инкрементальных энкодеров).Скорость нарастания можно улучшить с помощью резисторов с меньшим значением (более сильные подтяжки), но этот компромисс означает, что система потребляет больше энергии, поскольку этот подтягивающий резистор должен потреблять через себя больший ток, когда сигнал низкий.

Двухтактные выходы

Лучший ответ на недостатки интерфейса с открытым коллектором — двухтактная конфигурация. В двухтактном режиме используются два транзистора вместо одного. Верхний транзистор работает как активный подтягивающий, а нижний транзистор работает так же, как транзистор в конфигурации с открытым коллектором.Двухтактные конфигурации обеспечивают быстрые цифровые переходы с более высокой скоростью нарастания, чем это возможно при использовании резисторов, обрабатывающих сигнальные линии. Без резисторов, рассеивающих мощность, этот тип выхода также потребляет меньше энергии. Это делает двухтактный выход гораздо лучшим вариантом для приложений с батарейным питанием, где доступная мощность имеет большое значение.

Конфигурация двухтактного транзистора

Все несимметричные энкодеры AMT компании CUI Devices используют двухтактный тип выхода. Для сопряжения с выходами моделей кодировщика AMT не требуется никаких внешних подтягивающих устройств.Это значительно упрощает тестирование и создание прототипов, поскольку для запуска и запуска требуется меньше расходных материалов. Важно отметить, что в техническом описании выход кодера AMT обозначен как CMOS . Это просто указывает, как интерфейсное устройство должно интерпретировать высокие и низкие уровни напряжения, которые оно видит на двухтактном выходе. Эти верхние и нижние значения варьируются в зависимости от устройства, поэтому следует обращаться к техническому описанию желаемого продукта.

Выходы драйвера дифференциальной линии

Несмотря на то, что двухтактные энкодеры обеспечивают повышение производительности по сравнению с их предшественниками с открытым коллектором, они не всегда подходят для каждого проекта из-за их несимметричных выходов.Если приложение требует большой протяженности кабелей или если используемые кабели будут подвержены большому количеству электрических шумов и помех, лучшим выбором будет энкодер с выходом дифференциального линейного драйвера. Дифференциальные выходы генерируются с той же конфигурацией транзисторов, что и двухтактные выходы, но вместо одного генерируемого сигнала генерируются два сигнала. Эти сигналы называются дифференциальной парой; один из сигналов совпадает с исходным сигналом, а другой является полной противоположностью исходному сигналу, поэтому его иногда называют дополнительным сигналом .

При несимметричном выходе приемник всегда соотносит передаваемый сигнал с общей землей. Однако на больших расстояниях, где напряжение имеет тенденцию к падению, а скорость нарастания уменьшается, часто возникают ошибки сигнала. В дифференциальном приложении хост генерирует исходный несимметричный сигнал, который затем поступает на дифференциальный передатчик. Этот передатчик создает дифференциальную пару для передачи по кабелю. При генерировании двух сигналов приемник больше не соотносит уровень напряжения с землей, а вместо этого соотносит сигналы друг с другом.Это означает, что вместо того, чтобы искать конкретные уровни напряжения, приемник всегда смотрит на разницу между двумя сигналами. Затем дифференциальный приемник реконструирует пару сигналов обратно в один несимметричный сигнал, который может быть интерпретирован хост-устройством с использованием соответствующих логических уровней, требуемых хостом. Этот тип интерфейса также позволяет устройствам с разными уровнями напряжения работать вместе посредством связи между дифференциальными приемопередатчиками. Все это работает вместе, чтобы преодолеть ухудшение сигнала, которое могло бы произойти с несимметричным приложением при больших расстояниях кабеля.

Выходной сигнал энкодера управляется дифференциальным драйвером и реконструируется приемником

Однако ухудшение сигнала — не единственная проблема, возникающая при прокладке больших расстояний. Чем длиннее кабели внутри системы, тем выше вероятность того, что электрические шумы и помехи попадут на кабели и, в конечном счете, в электрическую систему. Когда помехи проникают в кабели, они проявляются в виде напряжений различной величины. В системах с энкодерами с несимметричным выходом это может привести к тому, что принимающая сторона системы будет считывать ложные высокие и низкие логические значения, что приведет к ошибочным данным о местоположении.Это массовая проблема! К счастью, интерфейсы дифференциальных драйверов хорошо приспособлены для борьбы с этим шумом. CUI Devices обычно рекомендует использовать драйвер дифференциальной линии для кабелей длиной более 1 метра.

При использовании драйверов дифференциальной линии требуется витая пара. Кабели с витой парой состоят из сигналов A и A-, переплетенных вместе с определенным количеством витков на заданном расстоянии. С этим типом кабеля шум, создаваемый на одном сигнальном проводе, в равной степени распространяется на парный провод.Если на сигнале А возникает всплеск напряжения, он в равной степени применяется к сигналу А-. Поскольку дифференциальный приемник вычитает сигналы друг из друга, чтобы получить реконструированный сигнал, он будет игнорировать шум, одинаково отображаемый на обоих проводах. Способность дифференциального приемника игнорировать напряжения, одинаковые на обеих сигнальных линиях, называется подавлением синфазного сигнала . Из-за своих возможностей подавления шума интерфейсы драйверов дифференциальных линий широко используются в промышленных и автомобильных приложениях.

Дифференциальный приемник игнорирует все, что является общим для обоих сигналов

Понимая различные типы выходных сигналов энкодера, их преимущества и недостатки, инженер может лучше выбрать оптимальный тип выходного сигнала для своего приложения. Все кодировщики AMT от CUI Devices предлагаются с двухтактными выходами для низкого энергопотребления и простоты установки. Варианты дифференциального драйвера линии также доступны во многих моделях для более требовательных приложений.

Дополнительные ресурсы

Есть комментарии по этому посту или темам, которые вы хотели бы видеть в будущем?

Отправьте нам письмо по адресу cuiinsights@cuidevices.ком

Конфигурация с открытым стоком | Ахил Джайн

Что такое открытый дренаж/открытый коллектор?

Open Drain — это тип программируемой конфигурации выходного порта с двухтактной, только входной и квази-двунаправленной конфигурациями. Открытый коллектор/открытый сток – это схема, позволяющая нескольким устройствам обмениваться данными в двух направлениях по одному проводу. Это в основном режим, который обеспечивает только операцию вытягивания вниз.

открытый коллектор/открытый сток  – это тип вывода, распространенный во многих интегральных схемах (ИС). Вместо вывода сигнала определенного напряжения или тока выходной сигнал подается на базу внутреннего NPN-транзистора, коллектор которого вынесен (открыт) на вывод микросхемы. Эмиттер транзистора внутренне соединен с заземляющим контактом. Если выходным устройством является MOSFET, выход называется с открытым стоком , и он работает аналогичным образом.

Простая схема открытого коллектора интегральной схемы (ИС).

Функция:

Устройства с открытым стоком потребляют (пропускают) ток в своем низковольтном активном (логический 0) состоянии или имеют высокий импеданс (ток не течет) в своем высоковольтном неактивном (логическая 1) состоянии. Эти устройства обычно работают с внешним подтягивающим резистором, который удерживает сигнальную линию на высоком уровне до тех пор, пока устройство на проводе не поглотит достаточный ток, чтобы опустить линию на низкий уровень. К сигнальному проводу можно подключить множество устройств.Если все устройства, подключенные к проводу, находятся в неактивном состоянии, подтяжка будет удерживать провод под высоким напряжением. Если одно или несколько устройств находятся в активном состоянии, напряжение на сигнальном проводе будет низким.

Сигнальный провод с открытым коллектором/открытым стоком также может быть двунаправленным. Двунаправленный означает, что устройство может одновременно выводить и вводить сигнал по проводу. В дополнение к контролю состояния своего вывода, подключенного к сигнальному проводу (активный или неактивный), устройство также может определять уровень напряжения сигнального провода.Хотя выход устройства с открытым коллектором/открытым стоком может находиться в неактивном (высоком) состоянии, провод, подключенный к устройству, может находиться в активном (низком) состоянии из-за активности другого устройства, подключенного к выходу. провод.

Двунаправленный характер устройства с открытым коллектором/открытым стоком делает эту схему столь важной для соединения многих устройств на общей линии. Шина I2C и SMBus используют этот метод для подключения до 127 устройств.

Где он работает?

Используется в выходных портах контроллеров для уменьшения выходной схемы.Если выходной порт установлен в режим с открытым стоком , то нам не требуется какая-либо схема для снижения выходного значения вывода.

Конфигурация выхода с открытым стоком отключает все подтягивания и управляет подтягивающим транзистором вывода порта только тогда, когда защелка порта содержит логический «0». Для использования в качестве логического выхода порт, сконфигурированный таким образом, должен иметь внешний подтягивающий резистор, обычно резистор, подключенный к VDD. Вытягивание для этого режима такое же, как и для квази-двунаправленного режима.

Конфигурация выхода с открытым стоком

Чтобы использовать контакт аналогового входа в качестве цифрового входа с высоким импедансом при включенном компараторе, этот контакт должен быть сконфигурирован в режиме с открытым стоком, а соответствующий бит регистра порта должен быть установлен в 1.

Протоколы, использующие Open Drain в качестве физической реализации:

Протоколы

I2C и SPI используют открытый сток в качестве физической реализации.

На физическом уровне линии SCL и SDA представляют собой вводы-выводы с открытым стоком и подтягивающими резисторами.Подтягивание такой линии к земле расшифровывается как логический ноль, а освобождение линии и ее свободное течение — как логическая единица. На самом деле устройство на шине I²C «гонит только нули».

На электрическом уровне конфликт вообще отсутствует, если несколько устройств пытаются одновременно поместить любой логический уровень на линии шины I²C. Если один из драйверов попытается записать логический ноль, а другой — логическую единицу, то структура с открытым стоком и подтягиванием гарантирует, что ярлыка не будет, и шина действительно увидит прохождение логического нуля по шине.Другими словами, в любом конфликте всегда «побеждает» логический ноль.

Однако бывают ситуации, когда ведомое устройство I²C не может работать с тактовой частотой, заданной ведущим, и ему необходимо немного замедлиться. Это делается с помощью механизма, называемого растяжением тактовой частоты, и стало возможным благодаря особой структуре с открытым стоком / подтягиванием линии шины I²C.

Вот так:

Нравится Загружается…

Выход с открытым стоком по сравнению с двухтактным выходом

Микроконтроллеры используют выводы для взаимодействия с внешним миром.Как правило, выводы представляют собой физические точки на корпусе интегральной схемы (ИС) (ИС) , где можно выполнить подключение к печатной плате. За каждым выводом (внутри микросхемы) находится специальная схема, используемая для его управления. Эта схема (обычно называемая контактной площадкой) может быть сконфигурирована так, чтобы вывод мог взаимодействовать с различными типами цифровых и аналоговых схем. Выбор правильной конфигурации выводов является важной частью проектирования встраиваемой системы. В этой статье мы рассмотрим наиболее распространенные типы выходных конфигураций и их применение.

Чтобы объяснить особенности каждой конфигурации выхода, мы должны сначала ввести следующие термины:

Штырь с высоким импедансом (High-Z, Hi-Z) устраняет его влияние на электрическую цепь, к которой он подключен. Он не управляется активно и является «плавающим», если им не управляет другое внешнее устройство или схема (pull-up/pull-down).

Плавающий штифт — Штырь является «плавающим», если он не подключен и не приводится в действие схемой внутри интегральной схемы.Уровень его напряжения не определен и непредсказуем. Вывод с высоким импедансом, который не приводится в действие схемой подтягивания или вытягивания, называется плавающим.

Подтягивающие и подтягивающие резисторы – Эти резисторы используются для установки определенного уровня (логический 0 или логическая 1) на плавающем выводе. Подтягивающий резистор подключен к источнику питания, поэтому он может подтягивать плавающий контакт к высокому логическому уровню. Подтягивающий резистор соединяет плавающий контакт с землей (логический 0).

Двухтактный

Двухтактный — наиболее распространенная конфигурация выхода.Как следует из названия, двухтактный выход может управлять двумя выходными уровнями. Один из них подтягивается к земле (вытягивающий/втекающий ток от нагрузки), а другой подталкивается к напряжению источника питания (выталкивает/источник тока к нагрузке). Двухтактный выход может быть реализован с помощью пары переключателей. Практическая реализация в интегральной схеме предполагает использование транзисторов.

На рис. 1 показана реализация двухтактного вывода с использованием PMOS и NMOS-транзистора. Слева показана операция во время фазы выталкивания , а справа — операция во время фазы вытягивания .

Рис. 1. Упрощенная схема двухтактного выхода. Транзистор PMOS активирован, и ток течет через него от VDD к выходному контакту. Транзистор NMOS неактивен (открыт) и не проводит ток.

Этот тип выхода не позволяет подключать несколько устройств вместе в конфигурации шины, как выход с открытым стоком. Конфигурация push-pull чаще всего используется в интерфейсах с однонаправленными линиями (передача по линии идет только в одном направлении — SPI, UART и т. д.).

Поскольку двухтактные выходы постоянно управляются (высокий или низкий уровень), они обеспечивают лучшую производительность, когда речь идет о наклонах генерируемых выходных цифровых сигналов.

Следует отметить, что выходной контакт, сконфигурированный как двухтактный, в большинстве случаев может быть динамически переконфигурирован, чтобы стать входным. Это достигается за счет закрытия обоих транзисторов, что обеспечивает состояние высокого импеданса на линии. Затем линия может управляться другими внешними устройствами и восприниматься с помощью специальной логики внутри интегральной схемы.

Открытый сток

В конфигурации с открытым стоком логика, стоящая за штифтом, может привести его только к заземлению (логический 0). Другое возможное состояние: высокий импеданс (Hi-Z) .Реализация предполагает использование одного транзистора. Если его дренажная клемма открыта (устройство выключено), контакт остается плавающим в состоянии Hi-Z. Приведение его к высокому логическому уровню требует использования дополнительной схемы или компонента. В большинстве случаев используется внешний подтягивающий резистор (существуют микроконтроллеры, которые обеспечивают внутренние подтягивающие резисторы для конфигураций с открытым стоком).

На рис. 2 мы видим выход с открытым стоком. Он реализован с использованием N-канального МОП-транзистора, который притягивает выходной контакт к земле, когда транзистор открыт, и оставляет его плавающим, когда транзистор выключен.

Рис. 2 Схема выхода с открытым стоком

Выходы с открытым стоком чаще всего используются в коммуникационных интерфейсах, где несколько устройств подключены к одной линии (например, I2C, One-Wire и т. д.). Когда все выходы устройств, подключенных к линии, находятся в состоянии Hi-Z, линия переводится на уровень логической 1 по умолчанию с помощью подтяжки. Любое устройство может перевести линию в логический 0, используя выход с открытым стоком, и все устройства могут видеть этот уровень.

При использовании подтягивающего резистора с выходной конфигурацией с открытым стоком необходимо учитывать несколько моментов линия образует фильтр нижних частот.В зависимости от номинала резистора и емкости линии может наблюдаться видимая разница в наклонах нарастающих фронтов по сравнению с падающими фронтами. Спадающий фронт более резкий, так как он достигается за счет использования транзистора с очень низким внутренним сопротивлением. Однако нарастающий фронт формируется подтягивающим резистором, и вышеупомянутый эффект фильтрации нижних частот более выражен.

Рис. 1 Фронты прямоугольного сигнала, генерируемого выходом с открытым стоком

Потребляемая мощность и шумовые помехи – При выборе значения подтягивающих резисторов существует компромисс.Когда устройство на линии управляет уровнем логического 0, это вызывает протекание более высокого тока через подтягивающие резисторы с более низкими значениями, и это увеличивает потребление энергии. Однако выбор резисторов с более высокими значениями, в свою очередь, приведет к тому, что через резистор будет протекать меньший ток, и это облегчит улавливание внешних помех (шума) на линии.

Резюме

• Двухтактный выход лучше всего подходит для коммуникационных интерфейсов с однонаправленными линиями (например,g SPI, UART и т. д.). Открытый сток обычно используется для двунаправленных однолинейных коммуникационных интерфейсов, когда к одной линии подключено более двух устройств (например, I2C, One-Wire и т. д.) резисторы, которые используются.
• Обычно двухтактный выход имеет более быстрый наклон, чем выход с открытым стоком.