Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Φυσικής Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Δίοδοι, BJT και MOSFET ως Διακόπτες Επιμέλεια Διαφανειών: Δ. Μπακάλης Πάτρα, Φεβρουάριος 2009 Ιδανικός διακόπτης ΙΔΑΝΙΚΟΣ ΔΙΑΚΟΠΤΗΣ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΣ ΔΙΑΚΟΠΤΗΣ Ο ιδανικός διακόπτης εμφανίζει μηδενική αντίσταση όταν είναι κλειστός και άπειρη αντίσταση όταν είναι ανοικτός. Ένας πραγματικός διακόπτης δεν είναι ιδανικός, καθώς: Όταν ο διακόπτης είναι κλειστός, εμφανίζει μη μηδενική αντίσταση (R sc ) Όταν ο διακόπτης είναι ανοικτός, εμφανίζει πεπερασμένη αντίσταση (R so ) Ο διακόπτης εμφανίζει αδράνεια κατά την αλλαγή κατάστασης Δίοδοι, BJT και MOSFET ως διακόπτες 2 Δίοδοι, BJT και MOSFET ως Διακόπτες 2
Δίοδος ΙΔΑΝΙΚΗ ΔΙΟΔΟΣ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΗ ΔΙΟΔΟΣ Η δίοδος μπορεί να λειτουργήσει ως πραγματικός διακόπτης ελεγχόμενος από την πολικότητα της εφαρμοζόμενης τάσης στα άκρα της. Εμφανίζει και τα 3 προβλήματα των πραγματικών διακοπτών. Δίοδοι, BJT και MOSFET ως διακόπτες 3 Δίοδοι, BJT και MOSFET ως Διακόπτες 3 Διπολικό τρανσίστορ BJT NPN Τρανσίστορ PNP Τρανσίστορ Το διπολικό τρανσίστορ μπορεί να λειτουργήσει, εκτός από την ενεργό περιοχή, μεταξύ του κόρου και της περιοχής αποκοπής. Η λειτουργία του BJT ελέγχεται από το ρεύμα της βάσης I b. Δίοδοι, BJT και MOSFET ως διακόπτες 4 Δίοδοι, BJT και MOSFET ως Διακόπτες 4
Περιοχές λειτουργίας BJT Δίοδοι, BJT και MOSFET ως διακόπτες 5 Δίοδοι, BJT και MOSFET ως Διακόπτες 5 BJT ως διακόπτης Κύκλωμα αντιστροφέα To BJT μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως διακόπτης όταν λειτουργεί μεταξύ κόρου (κλειστός διακόπτης) και αποκοπής (ανοικτός διακόπτης). Οι χρόνοι μετάβασης εξαρτώνται από τις χωρητικότητες των επαφών pn. Δίοδοι, BJT και MOSFET ως διακόπτες 6 Δίοδοι, BJT και MOSFET ως Διακόπτες 6
Κυματομορφές εισόδου - εξόδου t on = t d + t r t off = t s + t f t d = χρόνος καθυστέρησης t r = χρόνος ανόδου t f = χρόνος καθόδου t s = χρόνος αποθήκευσης Δίοδοι, BJT και MOSFET ως διακόπτες 7 Δίοδοι, BJT και MOSFET ως Διακόπτες 7 Βελτίωση των χρόνων μετάβασης Τυπικοί χρόνοι: t d = 35ns, t r = 35ns, t f = 50ns, t s = 175ns. Ο μεγάλος χρόνος αποθήκευσης οφείλεται στο επιπλέον φορτίο που συγκεντρώνεται στην περιοχή της βάσης όταν το τρανσίστορ είναι στον κόρο. Οι χρόνοι μπορούν να μειωθούν είτε εφαρμόζοντας στη βάση κατάλληλο παλμό αντίθετης πολικότητας από εκείνον που φέρνει το τρανσίστορ σε αγωγή είτε συνδέοντας παράλληλα προς την αντίσταση R B πυκνωτή μικρής χωρητικότητας. Δίοδοι, BJT και MOSFET ως διακόπτες 8 Δίοδοι, BJT και MOSFET ως Διακόπτες 8
MOS MOS τύπου N MOS τύπου P Η λειτουργία του MOS τρανσίστορ ελέγχεται από την τάση της πύλης. To MOSτρανσίστορ λειτουργεί ως ελεγχόμενη από τάση αντίσταση: Όταν είναι σε αποκοπή η αντίσταση είναι άπειρη Όταν είναι σε αγωγή η αντίσταση είναι της τάξης εκατοντάδων Ω. Δίοδοι, BJT και MOSFET ως διακόπτες 9 Δίοδοι, BJT και MOSFET ως Διακόπτες 9 Περιοχές λειτουργίας MOS MOS τύπου N MOS τύπου P Δίοδοι, BJT και MOSFET ως διακόπτες 10 Δίοδοι, BJT και MOSFET ως Διακόπτες 10
MOS ως διακόπτης Κύκλωμα nmos αντιστροφέα R V DD g d V out V pulse s Όταν V IN = L, τότε το τρανσίστορ είναι σε αποκοπή V OUT = H. Όταν V IN = H, τότε το τρανσίστορ είναι σε αγωγή V OUT = L. Δίοδοι, BJT και MOSFET ως διακόπτες 11 Δίοδοι, BJT και MOSFET ως Διακόπτες 11 MOS ως διακόπτης Κύκλωμα CMOS αντιστροφέα Δίοδοι, BJT και MOSFET ως διακόπτες 12 Δίοδοι, BJT και MOSFET ως Διακόπτες 12
Βιβλιογραφία 1. Ηλεκτρονικά Ψηφιακά Κυκλώματα, Θ. Δεληγιάννης, Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών, 2005 2. Ψηφιακή Σχεδίαση Αρχές και Πρακτικές, J. Wakerly, Εκδόσεις Κλειδάριθμος, 2002 3. Σημειώσεις Ψηφιακών Ηλεκτρονικών, Δ. Λιούπης και Μ. Στεφανιδάκης, Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής, Παν/μιο Πατρών Δίοδοι, BJT και MOSFET ως διακόπτες 13 Δίοδοι, BJT και MOSFET ως Διακόπτες 13