L11 Elektronische Schalter
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L11 Elektronische Schalter http://wwwdevel.efi.fh-nuernberg.de/elearning/cgi-bin/print_lessons.pl?uid=siegl&sid=643820376d... E LEKTRONIK 2 – S CHALTUNGSTECHNIK L11-1/8 L11 Elektronische Schalter © Prof. Dr.-Ing. Johann Siegl a) L11 Elektronische Schalter Nichtlineare Halbleiterbauelemente eignen sich dazu Spannungen und Ströme zu schalten. In Abhängigkeit der Steuergröße lassen sich Spannungs- und Stromgrößen in einem geeigneten Netzwerk schalten. Schalter Die Digitaltechnik kennt im allgemeinen nur zwei Werte. Die Zwei- AUS wertigkeit wird mit Binär bezeichnet. Elektronische Schalter wandeln ein EIN zeitkontinuierliches Steuersignal in ein binäres (1, 0) Ausgangssignal. Ein elektronischer Schalter wirkt wie ein herkömmlicher Schalter, der von einer Steuergröße geschaltet wird. Bild L11-1a zeigt das Grundprinzip eines elektronischen Schalters. Ist der Schalter geschlossen, so wirkt der b) Widerstand R ON; im offenen Zustand R OFF. Der Schaltkreissimulator kennt den spannungsgesteuerten Schalter in Form des S-Elementes. Durch Attribute am S-Element wird festgelegt, bei welcher Steuerspannung der Schalter im Zustand EIN (geschlossen) bzw. AUS (offen) ist. Der Idealfall ist R ON = 0 und R OFF = ∞. Ist der Schalter AUS, so liegt am Ausgang näherungsweise U B an. Im EIN-Zustand wird näherungsweise das Bezugspotenzial Ground auf den Ausgang geschaltet. Im EIN-Zustand fließt ein Querstrom von ca. 5V/R 2. Bild L11-1b zeigt die I/U-Kennlinie mit der Lastgeraden. Die Schnittpunkte der Lastgeraden mit R ON bzw. R OFF ergeben den EIN- bzw. AUS-Zustand. Bild L11-1: Elektronischer Schalter a) Prinzipdarstellung b) I/U-Kennlinie 1 von 8 15.03.2008 11:42 L11 Elektronische Schalter http://wwwdevel.efi.fh-nuernberg.de/elearning/cgi-bin/print_lessons.pl?uid=siegl&sid=643820376d... E LEKTRONIK 2 – S CHALTUNGSTECHNIK L11-2/8 L11 Elektronische Schalter © Prof. Dr.-Ing. Johann Siegl L11.1 Der Bipolartransistor als elektronischer Schalter a) L11.1 Der Bipolartransistor als elektronischer Schalter In Bild L11-2a ist eine beispielhafte Testanordnung für einen Bipolartransistor als Querschalter dargestellt. Ist die Steuerspannung U 1 > 0,7V, so zieht der Transistor Q 1 Strom. Innerhalb weniger 10mV oberhalb Schalter AUS der Schwelle (0,7V) wird der Maximalstrom EIN (Gl. L11-1) erreicht, wenn der Transistor in den Sättigungsbereich übergeht (U CE = U CE,sat ≈ 0,1V). Im Sättigungszustand ist der Transistor übersteuert. Ein b) Maß für die Übersteuerung ist das Verhältnis ü von dem tatsächlichen Basisstrom I B zu dem fiktiven Basisstrom I CÜ/B der fließen würde, wenn der Transistor normal betrieben wäre: (Gl. L11-2) Im Übersteuerungsfall vermindert sich die Stromverstärkung des Transistors. Bei 2,7V Eingangsspannung ist im Beispiel der Basisstrom I B = 2mA, der maximal mögliche Kollektorstrom I CÜ beträgt 1mA. In diesem Fall ist B = 0,5. Im Normalbetrieb wäre B ca. 100 bis 200. Bild L11-2: Bipolartransistor als Querschalter a) Testanordnung b) I/U-Kennlinie und Übertragungskennlinie 2 von 8 15.03.2008 11:42 L11 Elektronische Schalter http://wwwdevel.efi.fh-nuernberg.de/elearning/cgi-bin/print_lessons.pl?uid=siegl&sid=643820376d... E LEKTRONIK 2 – S CHALTUNGSTECHNIK L11-3/8 L11 Elektronische Schalter © Prof. Dr.-Ing. Johann Siegl L11.1 Der Bipolartransistor als elektronischer Schalter Bei Übersteuerung (EIN-Zustand) des Bipolartransistors wird die Basiszone mit überschüssigen Minoritätsträgern (beim npn-Transistor sind a) das Elektronen) überschwemmt. Soll der Transistor in den AUS-Zustand (Sperrzustand) Minoritätsträger übergeführt aus der werden, Basis so müssen ausgeräumt die werden, überschüssigen um eine von beweglichen Ladungsträgern freie Raumladungszone entstehen zu lassen. Solange die Überschussladungen nicht ausgeräumt sind, verbleiben die 0,7V an der Basis/Emitter-Diode. Im Beispiel fließt ein Ausräumstrom von 0,7mA bei U 1 = 0. Der Ausräumstromfluß dauert solange bis die Überschussladungen abgeführt sind (Speicherzeit). Erst nach der b) Speicherzeit geht der Transistor in den Sperrzustand über, es wird dann U BE = 0. Experiment L11-1: SCHALT_BJT_SVerhalten1 Schaltverhalten eines Bipolartransistors als Querschalter Bild L11-3: Schaltverhalten eines Bipolartransistors als Querschalter 3 von 8 15.03.2008 11:42 L11 Elektronische Schalter http://wwwdevel.efi.fh-nuernberg.de/elearning/cgi-bin/print_lessons.pl?uid=siegl&sid=643820376d... E LEKTRONIK 2 – S CHALTUNGSTECHNIK L11-4/8 L11 Elektronische Schalter © Prof. Dr.-Ing. Johann Siegl L11.1 Der Bipolartransistor als elektronischer Schalter Gegentaktschalter: In TTL-Schaltkreisen ist "Totem-Pole"-Gegentaktschalter. Beim Lastwiderstand Transistor R2 durch den der Ausgangskreis Gegentaktschalter Q4 ersetzt. ist Die ein a) b) der beiden Ausgangstransistoren werden gegenphasig durch Q 2 angesteuert. Im Sperrzustand von Q 2 strebt der Knoten 4 gegen das Groundpotenzial und Knoten 5 gegen das Versorgungspotenzial. Bei U 3 → 0 is Q 2 gesperrt, damit sperrt Q 3 und Q 4 ist normal betrieben. Wird U 1a und U 1b > 2V, so wird U 3 = 1,4V und Q 2 geht über den Normalbetrieb (kurzzeitig) in den Sättigungsbetrieb über, Q 3 wird übersteuert, solange der Ausgangsstrom I 2 (Sink-Current) nicht zu groß ist. Damit Q 4 sicher sperrt, wird eine Diode im Emitterpfad von Q 4 eingefügt. Der Längstransistor Q 1 ist ein Multi-Emittertransistor. Er besteht im Prinzip aus zwei parallel geschalteten Transistoren. Ist U 1a und/oder U 1b → 0, so fließt ein Eingangsstrom aus der Eingangsschnittstelle heraus in der Größe von ca. 1mA. In diesem Fall wird Q 1 übersteuert, er führt U CE,sat, damit strebt U 3 → 0. Bild L11-4: "Totem Pole"-Gegentaktschalter mit Steuerkreis a) TTL-Grundgatter (inaktive Schaltungsteile sind grau gekennzeichnet) U 3 = 1,4V bei U 1a und U 1b > 2V U 3 = 0 bei U 1a und/oder U 1b → 0 b) Multi-Emittertransistor Sind beide Eingänge U 1a und U 1b > 2V, so wird Q 1 invers betrieben. Am Eingang fließt der Strom B I · 0,7mA in die Eingangsschnittstelle hinein. Die inverse Stromverstärkung B I liegt speziell beim Multi-Emittertransistor bei ca. B I ≈ 0,05. 4 von 8 15.03.2008 11:42 L11 Elektronische Schalter http://wwwdevel.efi.fh-nuernberg.de/elearning/cgi-bin/print_lessons.pl?uid=siegl&sid=643820376d... E LEKTRONIK 2 – S CHALTUNGSTECHNIK L11-5/8 L11 Elektronische Schalter © Prof. Dr.-Ing. Johann Siegl L11.1 Der Bipolartransistor als elektronischer Schalter Treibt ein Ausgang einer Logikfunktion mehrere Eingänge anderer a) Logikfunktionen, so ergeben sich die in Bild L11-5 skizzierten Verhältnisse an der "inneren" Schnittstelle. Bei "0" an Knoten 2 muss der Transistor Q 3 n-Eingänge treiben. Es fließt der Strom (Gl. L11-3) Liegt der Knoten 2 auf logisch "1", so fließt I 2(1) in entgegengesetzter Richtung, wie auch der Strom I ein(1) in entgegengesetzter Richtung fließt. b) (Gl. L11-4) In beiden Fällen darf eine Obergrenze des Stromes I 2(0) bzw. I 2(1) nicht überschritten werden. Man nennt den Faktor n Ausgangsauffächerung (Fan-Out). Bild L11-5: Schnittstelle zwischen einem Ausgang und n-Eingängen "1" an Knoten 1 → "0" an Knoten 2 "0" an Knoten 1 → "1" an Knoten 2 a) Auszug aus der Logikschaltung b) "Innere" Schnittstelle bei TTL 5 von 8 15.03.2008 11:42 L11 Elektronische Schalter http://wwwdevel.efi.fh-nuernberg.de/elearning/cgi-bin/print_lessons.pl?uid=siegl&sid=643820376d... E LEKTRONIK 2 – S CHALTUNGSTECHNIK L11-6/8 L11 Elektronische Schalter © Prof. Dr.-Ing. Johann Siegl L11.2 Der Feldeffektransistor als elektronischer Schalter L11.2 Der Feldeffektransistor als elektronischer Schalter In ähnlicher Weise wie der Bipolartransitor lässt sich a) b) c) d) der Feldeffekt-transistor als elektronischer Schalter verwenden. Bild L11-6a zeigt die Testanordnung mit einen N-MOS FET vom Anreicherungstyp. Die Steuerspannung ist U1 = U GS. In Bild L11-6b ist die Strom-übertragungskennlinie I D = f(U GS) für die gegebenen Parameter des FET dargestellt. Die Lastgerade und die I/U-Kennlinie des FET verdeutlicht Bild L11-6c. Der Widerstand R ON beträgt im Beispiel ca. 160Ω, der Widerstand R OFF liegt bei einem Sperrstrom von 10nA bei U GS = 0 bei ca. 500MΩ. Die Übertragungskennline U 2 = f(U 1) des elektronischen Schalters ist in Bild L11-6d dargestellt, sie zeigt die drei möglichen Betriebszustände des FET (Sperrbetrieb, Stromquellenbetrieb und Widerstandsbetrieb). Bild L11-6: Der N-MOS Feldeffekttransistor vom Anreicherungstyp als Querschalter a) Testanordnung b) Stromübertragungskennlinie c) I/U-Kennlinie des FET d) Übertragungskennlinie 6 von 8 15.03.2008 11:42 L11 Elektronische Schalter http://wwwdevel.efi.fh-nuernberg.de/elearning/cgi-bin/print_lessons.pl?uid=siegl&sid=643820376d... E LEKTRONIK 2 – S CHALTUNGSTECHNIK L11-7/8 L11 Elektronische Schalter © Prof. Dr.-Ing. Johann Siegl L11.2 Der Feldeffektransistor als elektronischer Schalter Gegentaktschalter mit komplementären MOS-Transistoren – CMOS: Besonders vorteilhaft lässt sich ein Gegentaktschalter mit a) b) c) d) komplementären MOS-Transistoren realisieren. Bild L11-7a zeigt das Grundprinzip. Der Transistor M 1 ist ein N-MOS FET vom Anreicherungstyp, der Transistor M 2 ein P-MOS FET ebenfalls vom Anreicherungstyp. Damit liegt die Steuerspannung des P-MOS FET zwischen dem Eingangsknoten 1 und der Versorgungsspannung. Ist die Eingangsspannung U 1 gegeben und ist U B = 5V, so wird stets (Gl. L11-5) Bei U 1 = 0V ist der Transistor M 1 gesperrt und M 2 ist mit U GS,M2 = -5V leitend. Bei U 1 = 5V ist M 1 leitend und M 2 ist gesperrt. In Bild L11-7b sind die Stromübertragungskennlinien von M 1 und M 2 dargestellt. Dabei wird angenommen, dass die Stromergiebigkeit des N-MOS FET identisch ist mit der des P-MOS FET. Bild L11-7c zeigt die Gegentaktschalter. Nur im Übergangsbereich von U 1 = 2V bis U 1 = 3V führen beide Transistoren Strom. Näherungsweise lassen sich die Transistoren M 1 und M 2 durch die Schalter S 1 und S 2 ersetzen. Im AUS-Zustand schaltet S 2 die Versorgungs-spannung an den Ausgang, im EIN-Zustand schaltet S 1 Ground auf den Ausgang. Im Übergangsbereich von U 2 = 0,5V bis 4,5V sind beide Transistoren Stromquelle. Es ergibt sich somit eine hohe Verstärkung ΔU2/ΔU1. Bild L11-7: Komlementäre MOS-Gegentaktschalter (CMOS) a) Testschaltung b) Stromübertragungskennlinie c) Schalter-Ersatzanordnung d) Spannungsübertragungskennlinie 7 von 8 15.03.2008 11:42 L11 Elektronische Schalter http://wwwdevel.efi.fh-nuernberg.de/elearning/cgi-bin/print_lessons.pl?uid=siegl&sid=643820376d... E LEKTRONIK 2 – S CHALTUNGSTECHNIK L11-8/8 L11 Elektronische Schalter © Prof. Dr.-Ing. Johann Siegl L11.2 Der Feldeffektransistor als elektronischer Schalter Schaltzeiten beim CMOS-Gegentaktschalter: Grundsätzlich ist ein Ausgang a) durch die parasitären Eingangskapazitäten der Lastkreise, durch die Kapazitäten der Anschlussleitungen und nicht zuletzt durch die Eingangskapazitäten der MOS-Transistoren kapazitiv belastet. Bild L11-8 zeigt einen CMOS-Inverter mit kapazitiver Last C 2. Bei abrupter Umschaltung von U 1 = 5V auf U 1 = 0V, muss die kapazitive Last C 2 aufgeladen werden. Unmittelbar nach dem Umschaltvorgang ist M 1 gesperrt und M 2 "Stromquelle", da M 2 eine hinreichend große Spannung U SD aufweist. Der P-MOS Transistor liefert einen Ladestrom I D,M2 für C 2, der aber aufgrund der endlichen Stromergiebigkeit begrenzt ist. Zunächst b) ändert sich die Spannung an der Kapazität C 2 wegen des konstanten Ladestromes linear. Unterschreitet U SD,M2 die Grenze U DSP,M2 = 3V, so arbeitet er im "Widerstandsbereich". Im Weiteren erfolgt der Aufladevorgang gemäß einem RC-Glied. Für schnelle Schaltungsanwendungen muss auf geringe kapazitive Lasten (u.a. kurze Leitungen) geachtet werden. Experiment L11-2: SCHALT_FET_SVerhalten1 Schaltzeiten bei einem CMOS-Inverter mit kapazitiver Last Bild L11-8: Schaltzeiten beim CMOS a) CMOS-Inverter mit kapazitiver Last b) Schaltzeiten wenn U 1 von 5V auf 0V wechselt 8 von 8 15.03.2008 11:42
