Transistor como un interruptor accionado por una onda cuadrada

El transistor LTspice "predeterminado" está idealizado. Los reales no son tan buenos :)

Los transistores bipolares se denominan "interruptores", pero no son interruptores literales como lo es un interruptor de palanca, no son contactos mecánicos.

Tal vez sin darse cuenta, ha configurado el transistor como un interruptor de base común, y eso tiene posibilidades de funcionar aceptablemente; solo necesita algo de carga, la salida no puede flotar.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Los valores de los componentes dependen de los parámetros del transistor y deben ajustarse en la práctica. No es la mejor manera de implementar un cambio, pero ciertamente funciona lo suficientemente bien como para ser útil para algo.

La idea general para los interruptores de base común es tener una amplia amplitud de excitación de base. Idealmente, la unidad base sería una fuente de corriente.

A continuación se muestran las formas de onda de entrada, salida y control del circuito anterior. La amplitud de la forma de onda de control se reduce un 50 % para que encaje mejor en el gráfico.

La distorsión no lineal es de aproximadamente 0,5%. Las formas de onda residuales de entrada, salida y distorsión se representan a continuación.

El aislamiento de salida a 1kHz en el estado apagado está más allá de la fidelidad de CircuitLab, presumiblemente mejor que -70dB; esto también puede depender mucho del transistor utilizado.

Otra forma de lograr una acción de conmutación sería cortocircuitar una fuente de alta impedancia.

Por ejemplo:

^{simular este circuito}

La salida cambia a 0V cuando está apagada:

El aislamiento cuando está APAGADO es de aproximadamente -66dB, o aproximadamente 1 en 2000.

Una forma más confiable de implementar un interruptor bipolar sería convertir la señal de entrada en una corriente, luego cambiar la corriente entre dos resistencias y tomar la salida de una sola resistencia.

^{simular este circuito}

La acción de conmutación es limpia:

Los residuos de distorsión son <0,1%:

Una realización práctica del circuito interruptor requiere un convertidor de tensión-corriente (V->I) y una fuente de corrientes de polarización, como se muestra a continuación.

^{simular este circuito}

Las diversas corrientes se derivan de una referencia de 100uA. El espejo actual utilizado es un espejo Wilson mejorado de 4 transistores. El transistor adicional amortigua las corrientes base y permite el paralelismo de múltiples etapas de salida de corriente en un espejo.

Un LM334 podría generar la renta de corte de referencia. Otra opción sería REF200, pero cuesta un orden de magnitud más.

El convertidor V->I utiliza un amplificador operacional de salida unipolar para mantener 3V en el emisor de Q23. R8 carga el voltaje de entrada usando 3V como referencia, convirtiéndolo en corriente. La corriente pasa por Q23.

Tal vez podría haber un transistor en cascodo detrás de Q23 para aumentar la precisión sin ralentizar la respuesta, pero a 5 V no hay mucha caída de voltaje con la que trabajar; tendría que ser un cascodo invertido.

Q23 y el cascode, si lo hay, se beneficiarían de la compensación de corriente base para mejorar la precisión de la ganancia. Q23 también podría ser un mosfet de bajo voltaje y alta transconductancia.

Luego, la corriente se resta de la referencia de 300 uA e ingresa al par de dirección de corriente Q1-Q2. Cuando se enciende el interruptor, Q2 conduce y pasa la corriente a través de la resistencia de carga de salida R5. La dirección actual también podría ser realizada por mosfets, devolviendo la ganancia a 1.000 si se combina con un mosfet Q23.

La ganancia de voltaje del interruptor es de aproximadamente 0,983. Tanto la impedancia de entrada como la de salida son de 10 kOhm.

Las formas de onda de la acción de conmutación se encuentran a continuación.

La distorsión está por debajo del 0,1%. Como se muestra a continuación, es de aproximadamente 0,06 % a 1 kHz.

El aislamiento APAGADO a 1kHz es -90dB según CircuitLab. En la práctica, esperaría al menos -80dB con un diseño cuidadoso.

Dada la impedancia de salida relativamente alta, la salida necesitaría una etapa de amortiguación.

Se puede lograr una distorsión más baja haciendo funcionar el interruptor a una ganancia más baja, digamos 0.2, y haciendo que la etapa de búfer agregue la ganancia nuevamente.

El convertidor V->I podría hacerse con una bomba de corriente Howland de amplificador operacional, pero eso requeriría buenas resistencias y un buen amplificador operacional para ser mejor que el circuito discreto. A 30 kHz, necesitaría un amplificador operacional con GBW a 10 MHz para mantener una distorsión razonable, si le importa eso.

Un amplificador operacional podría proporcionar la ganancia y el almacenamiento en búfer de la salida del interruptor, por supuesto.

Hacer que un transistor actúe como un buen interruptor requiere un poco de trabajo por parte de los circuitos circundantes :)

La idea de que los transistores se comportan como interruptores es extremadamente engañosa. Sí, se pueden "encender" y "apagar" para los circuitos digitales, pero esto es completamente diferente a un interruptor mecánico, como señaló Kuba. Lo más parecido a un interruptor mecánico que usa transistores se llama puerta de paso .

Recuerda siempre:

• Los transistores tipo P (como PNP o pMOS) generan corriente.
• Los transistores de tipo N (como NPN o nMOS) drenan la corriente.

En el siguiente circuito, QN es un transistor nMOS, mientras que QP es un transistor pMOS. QP se puede usar para 'enviar' corriente desde la alimentación (VDD) a vo, mientras que QN se puede usar para 'recibir' corriente desde vo a tierra. Cada corriente de transistor en este circuito se controla principalmente con su respectivo voltaje de puerta a fuente.

(Fuente de la imagen: Circuitos microelectrónicos, sexta edición de Sedra & Smith, Figura 13.17 El inversor CMOS, como se incluye en la pregunta anterior: Pregunta basada en el inversor CMOS de Sedra&Smith, Circuitos microelectrónicos , Autor - MaxFrost )

Es posible que también haya oído que los transistores también se comportan como "amplificadores". Esto también es cierto. A medida que continúe aprendiendo sobre los transistores, encontrará que operan en una de tres regiones (dependiendo de los voltajes en la puerta, la fuente y el drenaje):

• Corte (o simplemente apagado )
• Triodo (o simplemente encendido )
• Saturación (o activación )

Triodo y Cutoff se usan principalmente en circuitos digitales, mientras que la región de saturación se usa en circuitos analógicos.

(Fuente de la imagen: Inst Tools - Transistor Cut off, Saturation & Active Regions )

No funcionará particularmente bien con un NPN, pero necesita una resistencia desplegable en la salida, quizás 1kΩ. Con eso, la señal de la puerta aún se alimentará a través de la base de la NPN; es mejor aumentar los 2.2k a más de 10 kΩ para minimizar esto.