Электронные ключи. Диодные и транзисторные схемы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электронные ключи. Диодные и транзисторные схемы

При передачи электронных сигналов по цепям, часто возникает необходимость в управлении процессом следования импульсов от источника к нагрузке. Процесс управления заключается в периодическом включении, выключении и переключении электрических цепей.

Рассмотрим схему (рис.1а), содержащую генератор импульсов G с внутренним сопротивлением R_вн, электронный прибор, осуществляющий управление передачей сигнала ЭК ( электронный ключ) и нагрузку R_н.

Коммутация осуществляется за счет изменения внутреннего сопротивления ЭК (рис.2):

- при замкнутом ЭК его внутреннее сопротивление должно равняться нулю;

- при разомкнутом ЭК его внутреннее сопротивление должно стремиться к бесконечности.

Роль ЭК выполняет полупроводниковый прибор, управляемый внешним, часто дополнительным сигналом.

Т.о. электронный ключ - это устройство, внутреннее сопротивление которого скачкообразно изменяется под действием внешнего сигнала и предназначается для коммутации электрических цепей.

ЭК может включаться в цепь коммутации как последовательно с нагрузкой (рис.1а), так и параллельно ей (рис.1б).

ЭК характеризуется следующими параметрами:

1. Быстродействие - время переключения из одного состояния в другое, колеблется от 0,01мкс до 1мкс. Конечное значение времени переключения обусловлено как инерционностью самого ЭК, так и неидеальностью управляющего сигнала.

2. Пороговое напряжение - напряжение, вблизи которого происходит переключение ЭК. Конкретное значение порогового напряжения определяется точкой излома характеристики ключа(рис.1в).

3. Чувствительность - определяется перепадом напряжений управляющего сигнала, вызывающим бесперебойное переключение ключа - единицы вольт.

4. Помехоустойчивость - свойство ключа противостоять воздействию помех.

5. Сопротивление замкнутого ключа - десятки и сотни ом.

6. Ток утечки - токи при выключенном ключе - десятки наноампер.

В качестве полупроводниковых элементов в ЭК применяются диоды, биполярные и полевые транзисторы. В последнее время диоды вытесняются транзисторами, а из последних чаще используются полевые транзисторы.

Диодные ключи.

Применение диодов в ЭК основано на их односторонней проводимости. Использование диодов позволяет получить высокое быстродействие и точность коммутации. На рис.2а приведена схема последовательного диодного ключа.

Е_см подзапирает диод небольшим напряжением и обеспечивает помехоустойчивость ключа. Диод VD1 откроется тогда, когда входное напряжение U_вх будет больше U_см. В рассматриваемом диодном ключе не требуется управляющее напряжение - его роль выполняет коммутируемый сигнал. На рис.2б приведена статическая характеристика, и эпюры работы ключа.

На рис.3 приведена схема двухдиодного ключа.

Если управляющее напряжение равно нулю, то ключ разомкнут. При подаче положительного открывающего импульса диоды отпираются и ключ замкнут. Применение диодов Шотки обеспечивает такому ключу частоту переключения до тысяч мегагерц и коммутацию токов в несколько ампер. Промышленностью выпускаются несколько микросхем двухдиодных ключей. Схема диодного коммутатора 265ПП1 приведена на рис.4.

Ключи на биполярных транзисторах.

Ключи на транзистотах более качественно решают задачи коммутации и поэтому применяются значительно чаще. Схема простейшего ЭК на биполярном транзисторе приведена на рис. 5.

Как видно из рисунка, схема аналогична схеме транзисторного резистивного усилителя с общим эмиттером. Однако режимы работы транзистора существенно различны. Если для усиления сигнала рабочая точка должна находится в активной области, то в ЭК транзистор находится либо в режиме насыщения, либо в режиме отсечки. Если ключ разомкнут, то транзистор находится в режиме отсечки, если замкнут - открытый транзистор находится в режиме насыщения. Управляющий импульс изменяет состояние транзистора на противоположное, заставляя рабочую точку быстро пробегать активную область характеристик. Смещающее напряжение Е_см устанавливает необходимый режим работы ЭК. Для более подробного рассмотрения этого процесса нарисуем семейство выходных характеристик транзистора. Зададимся значением нагрузки R_н, и проведем нагрузочную прямую U_к=-Е_к+I_кR_к, пересекающую ось напряжений в точке Е_к, а ось токов в точке - Е_к/R_к (рис.6). Пересечение нагрузочной прямой с кривыми U_КБ=0 и I_Б=0 даст две граничные точки, между которыми находится активная область. При работе транзистора в ключевом режиме рабочая точка может находиться либо левее точки насыщения, либо правее точки отсечки. В первом случае сопротивление транзистора мало (единицы ОМ) и ключ замкнут. Во втором - сопротивление имеет максимально возможную величину, и соответствует разомкнутому состоянию ключа. И в первом, и во втором случаях ЭК практически не потребляет энергию. Кроме того, оба состояния характеризуются относительно высокой помехоусточивостью. Именно эти обстоятельства делает ключевой режим привлекательным во многих электронных устройствах. коммутация диод импульс сопротивление

Время нахождения рабочей точки между граничными положениями стремятся сделать как можно меньше, т.к. во-первых, в этом случае состояние ключа не соответствует ни одному из рабочих состояний, во-вторых, в ЭК выделяется мощность, пропорционая времени переключения. Уменьшить время переключения можно либо схемотехнически, либо применяя более высокочастотные транзисторы. Рассмотрим подробнее схемотехнические решения. Инерционность ЭК обусловлена процессами накопления и рассасывания неосновных носителей в базе транзистора и, в меньшей степени, действием емкостей переходов. Для снижения времени рассасывания следует в начальный момент переключения подать в базу импульс тока (пунктир на рис.7), существенно превышающий значение тока, используемое для обычной работы ключа (сплошная линия на рис.7).

Наиболее просто это достигается включением в базовую цепь форсирующего конденсатора (рис.8). Режимы насыщения и отсечки не зависят от конденсатора, как стационарные режимы. Во времена фронта и среза запускающего импульса имеют место переходные быстрые процессы, в течение которых конденсатор шунтирует R_ф. За счет шунтирования создается кратковременный импульс тока базы большой величины (cм.рис.7б). Тем самым ускоряется ввод транзистора в насыщение при замыкании ключа и ускоряется процесс рассасывания неосновных носителей при размыкании ключа.

Другой, способ повышения быстродействия ключа заключается в применении нелинейной отрицательной обратной связи. В этом случае в схеме 8 вместо RC цепи используют диод. При отсутствии управляющего импульса на входе ЭК диод закрыт и не влияет на работу ключа. При подаче импульса диод в определенный момент открывается, ограничивая напряжение U_КБ на почти нулевом уровне. Тем самым исключается накопление избыточных зарядов в области базы и при выключении транзистора отсутствует режим рассасывания объемного заряда. (Следует помнить, что граница насыщенного режима определяется условием U_КБ =0).

На практических занятиях мы подробно ознакомимся с методикой расчета транзисторных ЭК.

В качестве нелинейных элементов в ЭК могут применяться и полевые транзисторы. Т.к. ток в полевом транзисторе обусловлен движением основных носителей заряда, то отсутствует проблема с рассасыванием неосновных носителей. Полевые транзисторы могут быть любых типов. Однако преимущественно применяются МДП-транзисторы с индуцированным каналом. Обусловлено это, прежде всего, тем, что полярности входного и выходного напряжений совпадают. Это позволяет последовательно соединять несколько ключей. Рассмотрим схему простейшего ЭК на полевом МДП-транзисторе, приведенную на рис.9а.

Из схемы видно, что ЭК подсоединен к нагрузке параллельно. R_с является балластным сопротивлением, ограничивающим ток стока VT. При подаче на вход ЭК напряжения меньше порогового (U_вх < U_пор) транзистор заперт, ток стока равен нулю, а U_вых = Е_п. При подключении нагрузки величина выходного напряжения упадет: U_вых = . Из формулы следует, что для получения максимального U_вых следует уменьшать R_c.

При U_вх > U_пор транзистор открывается, и ток стока определяется выражением:

I_c =E_n/(R_с+R_{си отк}),

где R_{си отк} - сопротивление канала открытого МПД-транзистора. Выходное напряжение в этом случае U_вых = I_c R_{си отк}. ( См. рис.9б). Для получения минимального U_вых (оно должно быть много меньше, чем в первом случае) необходимо увеличивать R_c.

Т.о. для оптимизации выходного напряжения ключа R_c должно удовлетворять противоречивым требованиям.

Исследуем быстродействие ключа.

Можно показать, что быстродействие ЭК на полевом МДП-транзисторе определяется в большей степени параметрами внешней цепи (постоянной R_cС_н ), нежели параметрами транзистора. Повысить быстродействие ЭК можно, либо увеличив управляющее напряжение, либо уменьшив R_c. Но увеличение управляющего напряжения ограничено напряжением питания, а уменьшение R_c, как мы видели ранее, нежелательно. Частично справиться с указанными трудностями, можно заменив R_c вторым МДП-транзистором. Кроме того, изготовление такого ЭК более технологично, нежели МДП-транзистор с нагрузочным резистором. На рис.10 приведена схема ЭК с нагрузочным МДП-транзистором.

Транзистор VT1 является активным, а VT2 - нагрузочным. При U_вх < U_пор VT1 закрыт и через транзисторы протекает ток не более 1нА. При этом U_вых почти равно U_п, а U_си2 почти =0. При U_вх > U_пор VT1 открыт и напряжение U_вых =0 (на практике это напряжение лежит в пределах 50-100 mV). Процесс разряда C_н аналогичен рассмотренному процессу в ключе с балластным сопротивлением R_c. После окончания управляющего импульса ток стока VT1 практически мгновенно уменьшается до нуля и начинается процесс зарядки С_н. Т.к. U_си2Е_п, то начальный ток заряда значительно больше, чем в схеме с R_c. Т. о. Удается существенно сократить время зарядки нагрузочного конденсатора.

Дальнейшим развитием ЭК на полевых транзисторах является КМОП-ключ. КМОП-ключ приведен на рис.11 и выполнен на комплементарных МДП-транзистоах. Транзисторы VT1 и VT2 имею противоположные проводимости каналов, т.е. являются взаимодополняющими (комплементарными). Стоки обоих транзисторов объединены и образуют вход. Для эффективной работы ЭК напряжение питания выбирают из условия: Е_п <|U _{зи пор1}|+|U_{зи пор2} |.(1)

Пусть на входе ключа отсутствует сигнал: U_вх =0. Тогда VT1 заперт, т.к. U_вх < U_{пор 1} . К затвору VT2 приложено напряжение |U _{зи 2}| = |U_п| > |U _{зи пор2}|, приводящее к открытию VT2.

При этом U_си1 = Е_п, U_си2 = 0. Пусть в момент t₀ на вход подается импульс с длительностью фронта t_ф. В момент t₁ VT2 закрывается, до момента t₂ закрыт и VT1. Напряжение на выходе не изменится т.к. ток в нагрузке отсутствует. В момент t₂ открывается VT1 и начинается разряд конденсатора. Процесс разрядки конденсатора идет быстрее, чем в рассмотренных ранее схемах, т.к. он разряжается через VT1, а VT2 заперт (аналогично очень большому R_c). В момент t₄ процесс разрядки закончен, и выходное напряжение равно нулю. Следует отметить, что в интервале t₀ -t₄ ЭК не потребляет энергии от источника питания. При прохождении среза импульса через ЭК в момент t₆ закроется VT1, u_вых будет поддерживаться за счет энергии на выходном конденсаторе. При дальнейшем уменьшении входного напряжения в момент t₇ открывается VT2, что приводит к перезарядке С_н. Напряжение на выходе ключа начнет увеличиваться. Процесс перезарядки через VT2 идет так же быстро, как и при включении ЭК, т.к. VT1 закрыт. Заканчивается процесс зарядки в момент t₉, когда ток VT2 падает до нуля. Отличительной особенностью рассмотренного ЭК является отсутствие момента, когда оба транзисторы включены (при выполнении неравенства (1)), а, следовательно, отсутствует и сквозной ток. Достоинства комплементарного ключа:

- ключ практически не потребляет энергии от источника питания;

- напряжения ключа в закрытом и открытом состоянии резко отличаются;

- повышенное быстродействие.

Описанные достоинства и технологичность изготовления явились причиной широкого применения КМОП-ключей. Ключи на полевых комплементарных транзисторах входят в состав микросхем серий 590,591,176,561,1564.

Расчет ТК (схема на рис.8б, для расчета взят транзистор р-п-р).

Задано: Е_п=12В, R_к =600, отношение к коэф насыщения тр-ра В/s=20, базовое граничное U_бг =0,3В, I_к0мах=0,1мА, R_вх=300, сопр в цепи запуска R_э=200, Е_з⁺ =0,2В, Е_з^- =3В,

1. Находим стационарный ток базы при насыщении I_б=sЕ_п/ВR_к = 0,05*12/600=1мА

2. Находим параметр = I_к0мах R_вх/ U_бг=0,1 и параметры ⁺=-/2+/2+²/4 = 0,225, ^- =2*^{+ =}0,45

3. Находим сопротивление управляющей цепи R_у = R_вх/⁺ = 300/0.225=1330

4. Находим перепад управляющего напряжения Е_у =I_б(R_у+R_вх)+ U_бг/(1-^-) =1*(1,33+0.3)+0,3/0,55=2,18В.

5. Находим сопр. в цепи управл. R_у+R_з= R_уЕ_з /Е_у=1,33*2,8/2,18 = 1,7к, R= 1,7-R_з=1,5к. R_см= R_уЕ_з/(Е_з -Е_у)= 6к

6. Начальное смещение Е_б=I_б(R_у+R_вх)(1+ R_см/(R+R_з) - Е_з⁺ R_см/(R+R_з)= 8,2В

7. Рассчитаем делитель напряжения. R₁ = R_б R_к/Е_б=8,8к, R₂= R₁* Е_б/( Е_к -Е_б)=19к

Размещено на Allbest.ru