 |
Дискретные электронные цепи
|
|
|
|
Основой всех электронных схем является нелинейный элемент, который может работать в ключевом режиме.
В статическом режиме ключевая схема находится либо в положении “замкнуто” (включено), либо “разомкнуто” (выключено). Переход из одного состояния в другое осуществляется под воздействием управляющих импульсов или уровней напряжения.
Различают цифровые и аналоговые ключевые схемы.
Цифровые применяются для формирования и преобразования последовательностей импульсов в виде кодов.
Аналоговые ключи применяются для включения и отключения непрерывных во времени сигналов.
Основные области применения цифровых ключей – дискретная автоматика, цифровая связь, вычислительная техника и т.д.
Электронные элементы, используемые в ключевых схемах, делятся на два типа:
1. Элементы, ключевые свойства которых обеспечиваются заданием их режима работы (диоды, транзисторы)
2. Элементы, ключевые свойства которых вытекают из их принципа действия (двухбазовые диоды, тиристоры, туннельные диоды).
Их отличительная особенность – наличие участка на ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
Основным инженерным методом анализа процессов в импульсных нелинейных цепях является метод линейной аппроксимации.
Основные требования, предъявляемые к ключевым приборам, следующие.
1. Минимальное сопротивление (остаточное напряжение) во включенном, замкнутом состоянии Rвх→ 0.
2. Максимальное (Rвых → ∞) сопротивление в выключенном состоянии и пренебрежимо малые токи утечки.
3. Высокое быстродействие ключа.
4. Небольшое пороговое напряжение, в окрестности которого сопротивление ключа резко меняется.
5. Высокая чувствительность.
|
|
|
6. Высокая помехоустойчивость.
7. Высокая надежность ключа и большой рабочий ресурс.
В реальном ключе величины Rзам и Rоткл отличаются от своих идеальных значений, поэтому и ВАХ реальных электронных ключей в той или иной мере отличаются от идеальных.
| Uкл |
| Iкл |
| Rзам = 0 |
| Rоткл = ∞ |
Рис.5.1. Вольт – амперная характеристика идеального ключа.
5.1.1. Диодные ключи
Наиболее широко используются плоскостные диффузионные диоды с небольшой барьерной емкостью (Сбар = 1...3pF) и относительно большим допустимым обратным напряжением (Uобр = 70...100V).
Наиболее широко в импульсной технике применяются две схемы диодных ключей:
| Uвх |
| Rн |
| Uвых |
| E0 |
| R0 |
| VD1 |
| Rвн |
| Rвн |
| VD1 |
| Rсм |
| Rн |
| Eсм |
| Uвых |
| Uвх |
а) б)
Рис.5.2. Схемы диодных ключей: а) без смещающей ЭДС, б) со смещающей ЭДС.
Для схемы а) можно считать, что Rвн ≈ 0 и тогда она приводится к базовой схеме:
| Rэ |
| Uвых |
| Uвх |
| VD1 |
| Eэ |
Рис.5.3. Эквивалентная схема ключа, соответствующая рис.5.2.а.
Здесь
т.к. Rн и R0 включены параллельно относительно (+ Uвых).
Запертое или открытое состояние диода зависит от соотношения Uвх и Еэ. Возможны три случая:
1. Uвх > Еэ и диод заперт и Uвых ≈ Еэ при Rэ << Rобр
2. Uвх < Еэ диод открыт и Uвых ≈ Uвх при Rэ >> Rпр
3. Uвх = Еэ, ID = 0 и Uвых = Uвх
| Rэ |
| Eэ |
| Uвх1 |
| Uвх2 |
| Uвых |
| Uвх3 |
Рис.5.4. Диодный ключ, реализующий логическую функцию И.
Во втором схемном решении б) возможны два варианта:
1. Uвх > Есм и диод открыт Uвых ≈ Uвх.
2. Uвх < Есм и диод закрыт 
Если Rсм << Rн, то Uвых ≈ Uвх.
|
|
|
Источник смещения применяется, если ключевая схема используется в качестве ограничителя импульсных сигналов.
При Есм = 0 ключ реализует логическую функцию ИЛИ, т.к. высокий уровень сигнала на выходе будет в том случае, если хотя бы один из входных сигналов – высокого уровня.
| Rн |
| Uвых |
| Uвх3 |
| Uвх2 |
| Uвх1 |
Рис.5.5. Диодный ключ, реализующий логическую функцию ИЛИ.
5.1.2. Транзисторные ключи на биполярных транзисторах
Транзисторный ключ на биполярном транзисторе является самым распространенным элементом импульсных устройств. Наиболее типичной схемой транзисторного ключа (ТК) является схема с ОЭ:
| +Eк |
| VT1 |
| Uвх |
| –Eк |
| Rк |
| Rб |
| Iб |
| Iк |
Рис.5.6. Схема транзисторного ключа на БТ.
В статическом режиме ТК может находиться в одном из двух состояний:
1. Ключ открыт при Uвх > 0 и Uвых = 0
2. Ключ закрыт Uвх ≈ 0 и Uвых ≈ –Ек
В ТК транзистор работает в следующих режимах: режим отсечки, нормальный активный режим, режим насыщения. Иногда рассматривают и четвертый – инверсный режим, однако он мало чем отличается от активного (при этом меняется полярность источника питания и эмиттер и коллектор меняются местами). При переходе ТК из одного режима в другой возникает переходный процесс.
Статические характеристики ТК.
1. В режиме отсечки (ТК закрыт) оба перехода (эмиттерный и коллекторный) обратно смещены – Uэп < 0 и Uкп < 0, Iэ ≈ 0, Iк = Iко граница этого режима Uэп = 0. Iб3 = – Iко.
2. В нормальном активном режиме напряжение на эмиттере относительно базы становится положительным и он прямо смещается Uэп > 0. Коллекторный переход остается обратно смещенным Uкп < 0.
На границе отсечки
Iэ = βIко; Iк = (1+β)·Iко; Iб = –Iко. (5.3)
т.е. с ростом потенциала эмиттера растут токи Iэ и Iк, а ток базы остается неизменным.
В активном режиме
Iэ = Iк + Iб (5.4)
и коэффициент передачи тока базы
3. В режиме насыщения (ключ открыт) оба перехода прямо смещены Uэп > 0, Uкп > 0, транзистор представляет собой малое сопротивление. Этот режим наступает при увеличении тока базы до величины, при которой коллекторный ток перестает расти – Iк = Iкнас.
| E |
| Uкэ |
| Отсечка |
| Активная область |
| Насыщение |
| Iк |
|
|
|
|
Рис.5.7. Динамическая нагрузочная характеристика БТ.
Обычно для компенсации разброса параметров транзистора базовый ток увеличивают в γ раз:
В режиме насыщения дифференциальные сопротивления пренебрежимо малы, поэтому транзистор можно рассматривать как эквипотенциальную точку.
| Uвх |
| + |
| Rб |
| Iбн |
| Iэ |
| Uкн |
| +Eк |
| –Eк |
| Rк |
| Iкн |
| – |
Рис.5.8. Схема замещения транзисторного ключа в
замкнутом состоянии.
Uкн – несколько десятков милливольт.
5.1.3. Динамические режимы ключа
Переходные режимы ТК возникают при его включении и выключении. Процесс включения можно разбить на три этапа: задержка фронта, формирование фронта при отпирании транзистора и накопление избыточного заряда в базе. Первый этап, связанный с перезарядкой барьерных емкостей Ск и Сэ пренебрежимо мал, им обычно пренебрегают.
Процесс выключения делят на два этапа – рассасывание избыточного заряда базы и формирование фронта при запирании (срез импульса).
Диаграммы переходного режима ТК:
| t |
| t2 |
| Uвх |
| Eб2 |
| t4 |
| t3 |
| t1 |
| Iб |
| Eб1 |
| Iбн |
| Iб1 |
| t |
| Iко |
| Iб2 |
| Iк |
| –βIб2 |
| tф |
| Iко |
| tр |
| tс |
| t |
| Iкнас= βIбнас |
| βIб1 |
Рис.5.9. Временные диаграммы переходного процесса ТК.
В момент t1 на вход ключа подан скачок отрицательного напряжения Еб1, вызывающий положительный скачок базового тока
С этого момента начинается формирование фронта коллекторного тока.
где постоянная времени 
Ток коллектора стремится к установившемуся значению βIб1, но достигнув значения Iкнаспри токе базы:
попадает в режим насыщения и практически не меняется:
Формирование фронта Iк заканчивается и начинается процесс накопления заряда в базе до момента t3, когда на вход подается положительный запирающий сигнал Еб2. Этот сигнал вызывает отрицательный ток базы Iб2 = Еб2 / Rб, протекающий в противоположном направлении. Этот ток не может мгновенно уменьшиться до Iко, пока не рассосется избыточный заряд до момента t4 и только после этого ток Iб2, начинает убывать по закону экспоненты.
|
|
|
Срез коллекторного тока начинает формироваться только в момент t4 после окончания процесса рассасывания избыточных неосновных носителей заряда базы (дырок). Чем больше время рассасывания tр, тем больше задержка начала формирования среза Iк.
Время рассасывания может быть уменьшено за счет форсировки отрицательного тока базы – Iб2 и уменьшения степени насыщения γ.
Анализ физики процессов при переключении ТК показывает, что:
1. Для уменьшения времени переходных процессов отпирания и запирания ТК, т.е. для повышения быстродействия, необходимо форсировать ток базы Iб >> Iбн.
2. Для уменьшения времени рассасывания избыточного заряда в базе степень насыщения должна быть минимальной γ = (1,2...1,4).
Эти выводы лежали в основе решений повышения быстродействия ТК, к которым относятся:
а. динамическая форсировка режимов включения и отключения с помощью RC – цепей;
б. применение фиксирующих диодов;
в. использование нелинейной ОС;
г. применение переключателей тока.
Транзисторный ключ с нелинейной обратной связью является наиболее эффективным с точки зрения повышения быстродействия ТК. ООС между коллектором и базой вводится посредством включения диода Шоттки.
Как известно, диоды Шоттки имеют малое время восстановления т.к. в них не происходит накопления неосновных носителей (их просто нет).
Диод отпирается при более низких напряжениях между коллектором и базой, когда транзистор находится еще в активной зоне, не происходит увеличения тока базы и тока коллектора, транзистор остается на границе активного режима и режима насыщения (γ ≤ 1).
| –Eк |
| VD1 |
| Uвх |
| Rб |
| VT1 |
| Uвых |
| +Eк |
| Rк |
Рис.5.10. Транзисторный ключ с диодом Шоттки.
В настоящее время интенсивно внедряются в устройства автоматики, микроэлектроники, вычислительной техники транзисторные ключи на полевых транзисторах. Их существенными преимуществами перед ТК на биполярных транзисторах являются:
1. малое остаточное напряжение на открытом ключе;
2. высокое сопротивление в закрытом состоянии и очень малый в этом состоянии ток;
3. малая мощность, потребляемая от источника управляющего напряжения;
4. хорошая электрическая развязка между входом и выходом;
5. возможность коммутации электрических сигналов очень малого уровня;
6. высокая технологичность в микросхемотехническом исполнении;
7. малая площадь, занимаемая на кристалле (1 полевой транзистор ~ 0,00063 мм2, а биполярный ~ 0,016 мм2).
Полевые транзисторы с управляемым p-n переходом в основном применяются в аналоговых переключаемых цепях, а ПТ с индуцированным каналом (МДП) – в интегральных ключевых схемах.
|
|
|
На длительность переходных процессов включения и выключения ПТ с управляемым p-n переходом влияют:
1. емкости Сзс и Сзи;
2. величина входного отпирающего сигнала Uвх, от которой зависит длительность динамической отсечки;
3. сопротивления Rвн и Rc.
| –Eк |
| + |
| – |
| Uвх |
| VT1 |
| Rс |
| Uвых |
| +Eс |
| Uзи3 |
| Uзи2 |
| Uзи1 |
| Uзи = 0 |
| Iс |
| Imax |
| Iн |
|
| Uсиотк |
| E |
| Uси |
а) б)
Рис.5.11. Схема ключа на полевом транзисторе (а) и его диаграммы (б).
Типовые ПТ такого типа КП103 имеют время переключения 1-2 мкс.
Базовая схема ключа на МДП транзисторе с индуцированным каналом имеет вид:
| Uвых |
| Rн |
| Rвх |
| Uвх |
| – |
| + |
| +Eк |
| И |
| З |
| С |
| Rс |
| –Eк |
а)
| Iс |
| –Uзи |
| Uпор |
| Uси = const |
| Uвыхотк |
| Ucи |
|
| R`c > Rc |
| –Uзип |
| –Uзи2 |
| U`выхотк |
| Iс |
| E = Uвыхзак |
|
|
б) в)
Рис.5.12. Схема ключа на МДП-транзисторе (а) и его характеристики (б, в).
Как и в ПТ с управляемым p-n переходом, в МДП с индуцированным каналом переходные процессы связаны с перезарядом межэлектродных емкостей – Сзи, Сзс и Ссп (сток-подложка).
Ключевые схемы на МДП транзисторах p-типа очень дешевы и технологичны.
Для уменьшения сопротивления открытого ключа необходимо увеличивать сопротивление цепи стока R`c > Rc, при этом U`выхотк< Uвыхотк.
Однако при этом растет выходное сопротивление.
В настоящее время получили широкое распространение в цифровой электронике ключи на комплементарных МДП – транзисторах:
| Сн |
| Uвх |
| VT1 |
| Uзи1х |
| И1 |
| З1 |
| С1 |
| Uси1 |
| С2 |
| Uвых |
| Uис2 |
| И2 |
| +Ec |
| Uиз2х |
| VT2 |
| З2 |
Рис.5.13. Схема ключа на комплементарных МДП – транзисторах.
Здесь использованы взаимодополняющие друг друга транзисторы: VТ1 с каналом n-типа и VТ2 с каналом p-типа. Пороговые напряжения обоих транзисторов положительные: Uзи1пор> 0 и Uиз2пор> 0.
При Uвх = 0 транзистор VТ1 закрыт, а VТ2 – открыт. При этом Uси1 ≈ Ес и Uис2 ≈ 0.
Если Uвх > Uзипор1, тогда транзистор VТ1 открыт. При этом, если Uвх > Еc – Uизпор2, тогда VТ2 – закрыт. Очевидно, что Uси1 ≈ 0, Uси2 = Ес.
Для нормальной работы ключа необходимо, чтобы Ес < Uзипор1+Uизпор2и тогда не возникает ситуация, когда оба транзистора включены.
Комплементарный ключ имеет два основных достоинства:
1. Как в открытом, так и в закрытом состоянии ключ практически не потребляет ток от источника питания.
2. Выходные напряжения ключа в открытом состоянии (Uвых ≈ 0) и закрытом состоянии (Uвых ≈ Ес) резко отличаются, что обеспечивает высокую помехоустойчивость ключа.
Кроме того, комплементарный ключ отличается повышенным быстродействием.
|
|
|
