Transistor als Schalter, der von einer Rechteckwelle angesteuert wird

Der „Standard“-LTspice-Transistor ist idealisiert. Echte sind nicht so gut :)

Bipolartransistoren werden „Schalter“ genannt , aber sie sind keine wörtlichen Schalter wie ein Kippschalter – sie sind keine mechanischen Kontakte.

Vielleicht haben Sie den Transistor versehentlich als Schalter in Basisschaltung eingerichtet, und das hat eine Chance, akzeptabel zu funktionieren - Sie brauchen nur etwas Last, der Ausgang kann nicht schweben.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Die Bauteilwerte hängen von den Parametern des Transistors ab und müssen in der Praxis angepasst werden. Es ist nicht die beste Art, einen Switch zu implementieren, aber es funktioniert sicherlich gut genug, um für etwas nützlich zu sein.

Die allgemeine Idee für Schalter mit gemeinsamer Basis besteht darin, eine ausreichende Amplitude der Basisansteuerung zu haben. Idealerweise wäre das Basislaufwerk eine Stromquelle.

Unten sind die Eingangs-, Ausgangs- und Steuerwellenformen der obigen Schaltung. Die Amplitude der Steuerwellenform wird um 50 % herunterskaliert, damit sie besser in das Diagramm passt.

Die nichtlineare Verzerrung beträgt etwa 0,5 %. Die Eingangs-, Ausgangs- und Verzerrungsrestwellenformen sind unten dargestellt.

Die Ausgangsisolation bei 1 kHz im ausgeschalteten Zustand liegt jenseits der Wiedergabetreue von CircuitLab, vermutlich besser als -70 dB - dies kann auch stark vom verwendeten Transistor abhängen.

Eine andere Möglichkeit, eine Schaltaktion zu erreichen, wäre das Kurzschließen einer Quelle mit hoher Impedanz.

Zum Beispiel:

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Der Ausgang schwingt auf 0 V, wenn er ausgeschaltet ist:

Die Isolation im ausgeschalteten Zustand beträgt etwa -66 dB oder etwa 1 zu 2000.

Ein zuverlässigerer Weg, einen bipolaren Schalter zu implementieren, wäre, das Eingangssignal in einen Strom umzuwandeln, dann den Strom zwischen zwei Widerständen zu schalten und den Ausgang nur von einem Widerstand zu nehmen.

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Das Schaltverhalten ist sauber:

Die Verzerrungsreste sind <0,1 %:

Eine praktische Realisierung des Schaltkreises erfordert einen Spannungs-Strom-Wandler (V->I) und eine Quelle für Bias-Ströme, wie unten gezeigt.

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Die verschiedenen Ströme werden von einer 100uA-Referenz abgeleitet. Als Stromspiegel wird ein verbesserter 4-Transistor-Wilson-Spiegel verwendet. Der zusätzliche Transistor puffert die Basisströme und ermöglicht die Parallelschaltung mehrerer Stromausgangsstufen in einem Spiegel.

Ein LM334 könnte die Referenzschnittmiete generieren. Eine andere Option wäre REF200, aber es kostet eine Größenordnung mehr.

Der V->I-Wandler verwendet einen Operationsverstärker mit unipolarem Ausgang, um 3 V am Emitter von Q23 aufrechtzuerhalten. R8 lädt die Eingangsspannung mit 3 V als Referenz und wandelt sie in Strom um. Der Strom fließt durch Q23.

Vielleicht könnte sich hinter Q23 ein Kaskodentransistor befinden, um die Genauigkeit zu erhöhen, ohne die Reaktion zu verlangsamen, aber bei 5 V gibt es keinen großen Spannungsabfall, mit dem man arbeiten kann – es müsste eine invertierte Kaskode sein.

Q23 und die Kaskode, falls vorhanden, würden von einer Basisstromkompensation profitieren, um die Verstärkungsgenauigkeit zu verbessern. Q23 könnte auch ein Niederspannungs-Mosfet mit hoher Steilheit sein.

Der Strom wird dann von der 300uA-Referenz subtrahiert und tritt in das Stromsteuerungspaar Q1-Q2 ein. Wenn der Schalter eingeschaltet ist, leitet Q2 und leitet den Strom durch den Ausgangslastwiderstand R5. Die Stromsteuerung könnte auch durch Mosfets erfolgen, was die Verstärkung auf 1.000 zurückbringt, wenn sie mit einem Mosfet Q23 kombiniert wird.

Die Spannungsverstärkung des Schalters beträgt etwa 0,983. Sowohl die Eingangs- als auch die Ausgangsimpedanz betragen 10 kOhm.

Die Schaltaktionswellenformen sind unten.

Die Verzerrung liegt unter 0,1 %. Wie unten gezeigt, beträgt er etwa 0,06 % bei 1 kHz.

Die AUS-Isolation bei 1 kHz beträgt laut CircuitLab -90 dB. In der Praxis würde ich bei sorgfältigem Layout mindestens -80 dB erwarten.

Angesichts der relativ hohen Ausgangsimpedanz würde der Ausgang eine Pufferstufe benötigen.

Eine geringere Verzerrung kann erreicht werden, indem der Schalter mit einer niedrigeren Verstärkung betrieben wird, z. B. 0,2, und die Pufferstufe die Verstärkung wieder hinzufügen lässt.

Der V-> I-Wandler könnte mit einer Howland-Strompumpe mit Operationsverstärker ausgeführt werden, aber das würde gute Widerstände und einen guten Operationsverstärker erfordern, um besser zu sein als die diskrete Schaltung. Bei 30 kHz benötigen Sie einen Operationsverstärker mit GBW bis 10 MHz, um eine angemessene Verzerrung aufrechtzuerhalten, wenn Sie sich darum kümmern.

Ein Operationsverstärker könnte natürlich die Verstärkung und Pufferung des Schaltausgangs bereitstellen.

Einen Transistor zu bekommen, der als guter Schalter fungiert, erfordert ein wenig Arbeit von der umgebenden Schaltung :)

Die Vorstellung, dass sich Transistoren wie Schalter verhalten, ist äußerst irreführend. Ja, sie können für digitale Schaltkreise ein- und ausgeschaltet werden, aber das ist völlig anders als ein mechanischer Schalter, wie Kuba betonte. Das, was einem mechanischen Schalter mit Transistoren am nächsten kommt, wird Pass-Gate genannt .

Immer daran denken:

• Transistoren vom P-Typ (z. B. PNP oder pMOS) liefern Strom.
• N-Typ- Transistoren (wie NPN oder nMOS) ziehen Strom.

In der folgenden Schaltung ist QN ein nMOS-Transistor, während QP ein pMOS-Transistor ist. QP kann verwendet werden, um Strom von der Stromversorgung (VDD) an vo zu „senden“, während QN verwendet werden kann, um Strom von vo an Masse zu „empfangen“. Jeder Transistorstrom in dieser Schaltung wird primär durch seine jeweilige Gate-Source-Spannung gesteuert.

(Bildquelle: Microelectronic Circuits, Sixth Edition von Sedra & Smith, Abbildung 13.17 The CMOS Inverter – wie in vorheriger Frage enthalten: CMOS Inverter-basierte Frage von Sedra&Smith, Microelectronic Circuits , Autor – MaxFrost )

Sie haben vielleicht auch gehört, dass sich Transistoren auch als „Verstärker“ verhalten. Das gilt auch. Wenn Sie sich weiter mit Transistoren beschäftigen, werden Sie feststellen, dass sie in einem von drei Bereichen arbeiten (abhängig von den Spannungen an Gate, Source und Drain):

• Cutoff (oder einfach aus )
• Triode (oder einfach an )
• Sättigung (oder Aktivierung )

Triode und Cutoff werden hauptsächlich in digitalen Schaltungen verwendet, während der Sättigungsbereich in analogen Schaltungen verwendet wird.

(Bildquelle: Inst Tools - Transistor Cutoff, Saturation & Active Regions )

Mit einem NPN funktioniert es nicht besonders gut, aber Sie benötigen einen Pulldown-Widerstand am Ausgang - vielleicht 1 kΩ. Damit wird das Gate-Signal immer noch durch die Basis des NPN geleitet - es ist besser, die 2,2 k auf über 10 kΩ zu erhöhen, um dies zu minimieren.