Электронные ключевые схемы на диодах и транзисторах

 

Диодные и транзисторные ключевые схемы (ключи) являются важ­нейшими элементами импульсных схем и логических элементов. Основ­ное назначение электронных ключей состоит в коммутации (замыкании и размыкании) электрических цепей под воздействием управляющих сигналов. Ключевой режим характеризуется двумя состояниями: «Вклю­чено» и «Отключено». На рис. 19.25, а, б, в показаны принципиальная схема и временные диаграммы идеального ключа в замкнутом и разомкнутом состояниях соответственно. Если ключ разомкнут, то i = 0, а u_вых = Е (рис. 19.25,б). Если же ключ замкнут, то i = Е/r, u_вых =0 (рис. 19.25, в). В реальных ключевых схемах токи и уровни выходного напряжения зависят от типа и параметров применяемых диодов и транзисторов.

Совершенство и качество электронного ключа характеризуются тремя основными параметрами: временем переключения t_пep, т. е. временем перехода из одного состояния в другое; током через ключ в разомкнутом состоянии i_p; падением напряжения на ключе в замкнутом состоянии u_замк. Совершенство ключа будет тем выше, чем меньше t_пep, i_р, u_замк. Так как ключ имеет два устойчивых состояния, то в разомкнутом состоянии электрическое сопротивление ключа очень велико (стремится к бесконечности); при замкнутом состоянии ключа сопротивление его практически равно нулю. Быстродействие ключа характеризуется ско­ростью перехода ключа из одного устойчивого состояния в другое.

Диодные ключи. На рис. 19.26 приведена схема последовательного диодного ключа. При положительном входном напряжении u_вх диод открыт и через него протекает ток i = u_вх(R_пр + R), где R_пр — прямое сопротивление диода. В этом случае выходное напряжение u_вых = Ri = Ru_вх/(R_пp + R). Как правило, R_пp << R, поэтому u_вых ≈ u_вх.

При отрицательном входном напряжении обратный ток через диод    i = u_вх/(R_обр + R) незначителен, так как R_о6р >> R и u_вых ≈ Ru_вх/R_o6p << u_вх, где R_о6р — обратное сопротивление диода.

Уровень входного напряжения, определяющего отпирание или за­пирание диода (рис. 19.26), соответствует нулевому значению. Для из­менения уровня включения в цепь ключа подключают источник напря­жения смещения Е_к (рис. 19.27). В этом случае при u_вх > E_к диод открыт и u_вых ≈ u_вх, а при u_вх < E_к — диод закрыт и u_вых = E_к.

Переключение диодного ключа из одного состояния в другое происходит не мгновенно, так как существует собственная емкость диода, а при высотах частотах — емкости монтажа схемы и нагрузки, которые шунтируют вход и выход ключа.

На рис. 19.28 показана схема параллельного диодного ключа с нулевым уровнем включения. При положительном входном напряжении диод открыт и через него протекает ток (ключ замкнут), u_вых ≈ 0. При отрицательном входном напряжении через диод практически ток не протекает (ключ разомкнут), u_вых ≈ u_вх.

Для изменения нулевого уровня включения последовательно с диодом подключают источник напряжения смещения Е_к (рис. 19.29). При открытом диоде выходное напряжение u_вых незначительно отли­чается от E_k, если R_пp << R (здесь R_пр - сопротивление диода в прямом направлении, равное 1 — 1,5 Ом). Действительно, для схемы рис. 19.29 можно записать

При выполнении условия R_пp/R << 1 можно считать, что u_вых ≈ Е_к.

Если полярность включения диода изменить, то при положительном входном сопротивлении u_вх > Е_к диод закрывается и выходное напряже­ние почти повторяет входное. Уровень ограничения в диодном парал­лельном ключе определяется, как в предыдущем случае, напряжением E_к. Время переключения диодных ключей t_пep, определяющее их быстро­действие, зависит от паразитных емкостей p-n-перехода и емкостей монтажа, а также от времени выключения диода t_выкл, определяемого временем рекомбинации носителей заряда.

Транзисторные ключи. Режим работы транзистора, при котором он находится в установившемся состоянии либо в области отсечки, либо в области насыщения, называется ключевым. Качество транзисторного ключа определяется минимальным падением напряжения на нем в замкну­том состоянии, минимальным током в разомкнутом состоянии, а также скоростью перехода из одного состояния в другое. В зависимости от назна­чения транзисторного ключа и режимов его работы схема ключа видо­изменяется.

Некоторые типы транзисторных ключей имеют самостоятельное назначение и применяются в качестве бесконтактных прерывателей. Транзисторный ключ является основным элементом более сложных импульсных устройств регенеративного типа. Например, два транзистор­ных ключа, охваченных положительной обратной связью, образуют мультивибратор или триггер. В ключевых устройствах транзистор, как правило, включается по схеме с общим эмиттером (рис. 19.30, а), так как при таком включении транзистор потребляет сравнительно не­большую мощность из цепи управления и обеспечивает хорошие формирующие свой­ства за счет значительного коэффициента передачи по напряжению (К_u >> 1).

Выходные характеристики транзисторного ключа показаны на рис. 19.30, б. Для того чтобы в отсутствие управляющего импульса напря­жения транзистор надежно находился в отключенном состоянии (режим отсечки), между базой и эмиттером включают специальный источник питания E_Б. Выключенное состояние транзистора р-n-р-типа обеспечи­вается подачей на базу положительного запирающего напряжения от этого источника. В этом случае коллекторный ток транзистора минимален и равен обратному току коллекторного перехода I_Ко. Ток I_Ко образуется неосновными носителями заряда. Напряжение на коллекторе транзистора U_КЭ = E_K - I_KR_K, т. е. оно несколько меньше напряжения источника питания. Рабочая точка А (рис. 19.30, б) пересечения нагрузочной прямой с характеристикой, соответствующей току базы i_Б = - I_Kо, является точкой отсечки и соответствует закрытому состоянию транзистора. В режиме отсечки по цепи +E_Б, R_Б, коллекторный переход Т, R_K, - E_K, 0, - E_Б протекает обратный ток. Для обеспечения надежности режима отсечки необходимо, чтобы соблюдалось неравенство

 (19.15)

где I_Komax - максимальный обратный ток коллекторного перехода при наибольшей допустимой температуре окружающей среды. Область отсечки на выходных характеристиках транзистора заштрихована и обозначена I.

Для перевода транзистора в режим насыщения (заштрихованная область II на рис. 19.30, б), т. е. в режим, когда транзистор р-n-р-типа открыт, подают импульс такого входного напряжения и такой поляр­ности, при которых отрицательный потенциал был бы на базе (точка F на рис. 19.30, а), а положительный — на общем выводе 1'-2'. Амплитуда подаваемого импульса должна быть такой, чтобы транзистор был пол­ностью открыт и через него протекал достаточный ток базы (рабочая точка В на рис. 19.30, б). В режиме насыщения напряжение на транзисторе (на выходе ключа) разно U_KЭнac, значение которого зависит от тока базы транзистора. Таким образом, в режиме насыщения через транзистор про­текает ток насыщения цепи коллектора I_Кнас, представляющий собой максимальный ток через нагрузку R_H, который может проходить при данных значениях напряжения источника питания цепи коллектора E_к и сопротивления нагрузки R_H: I_Kнас ≈ E_K/R_H. Когда транзистор находится в насыщенном состоянии, за счет инжекции носителей в базу в ней происходит накапливание избыточных неосновных носителей (дырок в транзисторе р-n-р-типа). Из-за этого выключение транзистора не может произойти сразу, так как требуется определенное время на рассасы­вание этих носителей в базе, что снижает быстродействие отключения транзисторного ключа. Итак, биполярный транзистор нельзя считать безынерционным прибором.

При переходе транзистора из режима отсечки в режим насыщения на выходе ключа (точка 2-2') создается перепад напряжения u_вых ≈ U_КЭотс - U_КЭнас ≈ E_K - I_KoR_K - I_КЭнас ≈ Е_K, так как I_KoR_K и U_КЭнас практи­чески очень малы. Время выключения значительно больше, чем время включения, и составляет сотни наносекунд — единицы микросекунд. Время выключения тем больше, чем глубже насыщение. Однако при глубоком насыщении уменьшается время включения, поэтому для увеличения быстродействия импульсных схем следует избегать глубо­кого насыщения транзистора, для чего в цепь базы включают соответ­ствующий ограничивающий резистор.

Иногда для ускорения выключения транзистора к его коллектору подключают полупроводниковый диод, отпирающийся при насыще­нии транзистора и ограничивающий глубину насыщения. Следует от­метить, что если транзистор работает в ключевом режиме, то его выводы коллектор — эмиттер можно использовать в качестве бесконтактного выключателя.

 

Контрольные вопросы

1. Назовите основные характеристики импульсного режима работы формирующих устройств.

2. Сравните электрические схемы простейшей интегрирующей и дифференцирующей цепи.

3. Какова форма выходного сигнала простейшей интегрирующей цепи?

4. Какие элементы и приборы используются в линиях задержки?

5. Какие устройства называются линейными формирующими цепями?

6. Назовите основные достоинства и недостатки ограничителей на полупроводниковых диодах и активного ограничи­вающего прибора.

7. Назовите основные характеристики, определяющие качество электронных ключевых схем на диодах и транзисторах.