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 uвых = Е (рис. 19.25,б). Если же ключ замкнут, то i = Е/r, uвых =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 tпep, т. е. временем перехода из одного состояния в другое; током через ключ в разомкнутом состоянии ip; падением напряжения на ключе в замкнутом состоянии uзамк. Совершенство ключа будет тем выше, чем меньше tпep, iр, uзамк. 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 uвх диод открыт и через него протекает ток i = uвх(Rпр + R), где Rпр — прямое сопротивление диода. В этом случае выходное напряжение uвых = Ri = Ruвх/(Rпp + R). Как правило, Rпp << R, поэтому uвых ≈ uвх.
При отрицательном входном напряжении обратный ток через диод i = uвх/(Rобр + R) незначителен, так как Rо6р >> R и uвых ≈ Ruвх/Ro6p << uвх, где Rо6р — 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 Ек (рис. 19.27). В этом случае при uвх > Eк диод открыт и uвых ≈ uвх, а при uвх < Eк — диод закрыт и uвых = Eк.
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), uвых ≈ 0. При отрицательном входном напряжении через диод практически ток не протекает (ключ разомкнут), uвых ≈ uвх.
Для изменения нулевого уровня включения последовательно с диодом подключают источник напряжения смещения Ек (рис. 19.29). При открытом диоде выходное напряжение uвых незначительно отличается от Ek, если Rпp << R (здесь Rпр - сопротивление диода в прямом направлении, равное 1 — 1,5 Ом). Действительно, для схемы рис. 19.29 можно записать
При выполнении условия Rпp/R << 1 можно считать, что uвых ≈ Ек.
Если полярность включения диода изменить, то при положительном входном сопротивлении uвх > Ек диод закрывается и выходное напряжение почти повторяет входное. Уровень ограничения в диодном параллельном ключе определяется, как в предыдущем случае, напряжением Eк. Время переключения диодных ключей tпep, определяющее их быстродействие, зависит от паразитных емкостей p-n-перехода и емкостей монтажа, а также от времени выключения диода tвыкл, 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 (Кu >> 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 EБ. 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 IКо. Ток IКо образуется неосновными носителями заряда. Напряжение на коллекторе транзистора UКЭ = EK - IKRK, т. е. оно несколько меньше напряжения источника питания. Рабочая точка А (рис. 19.30, б) пересечения нагрузочной прямой с характеристикой, соответствующей току базы iБ = - IKо, является точкой отсечки и соответствует закрытому состоянию транзистора. В режиме отсечки по цепи +EБ, RБ, коллекторный переход Т, RK, - EK, 0, - EБ протекает обратный ток. Для обеспечения надежности режима отсечки необходимо, чтобы соблюдалось неравенство
(19.15)
где IKomax - 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 UKЭнac, значение которого зависит от тока базы транзистора. Таким образом, в режиме насыщения через транзистор протекает ток насыщения цепи коллектора IКнас, представляющий собой максимальный ток через нагрузку RH, который может проходить при данных значениях напряжения источника питания цепи коллектора Eк и сопротивления нагрузки RH: IKнас ≈ EK/RH. 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 uвых ≈ UКЭотс - UКЭнас ≈ EK - IKoRK - IКЭнас ≈ ЕK, так как IKoRK и UКЭнас 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.
