Импульсные (ключевые) устройства

Импульсные (ключевые) устройства

В современной информационной электронике импульсный принцип построения систем занимает доминирующее положение по сравнению с аналоговым. На базе импульсной техники выполняются системы управления и регулирования, устройства измерения и отображения информации. На ней основана цифровая вычислительная техника.

Рис. а) Параметры реальных импульсов б) Идеализированные временные диаграммы тока в) выходное напряжение идеального ключа

Обычно импульсы следуют периодически с периодом Т, которому соответствует частота повторения F=1/Т. Отношение периода Т к длительности t_и импульсов называют скважностью: q = Т/t_и.Скважность обычно колеблется в пределах от 2 – 10 (автоматика, вычислительная техника) до 10000 (радиолокация).

Реальные импульсы характеризуют следующими основными параметрами (рис.а):

-длительностью импульса t_и обычно определяемой на уровне 0, 1 А;

-длительностью фронта импульса t_ф – временем нарастания импульса от 0, 1 до 0, 9 А;

-длительностью среза импульса t_с – временем убывания импульса от 0, 9 до 0, 1 А;

-спадом вершины импульса ∆ А.

В состав многих импульсных устройств входят электронные ключи. Основу любого электронного ключа составляет активный элемент (полупроводниковый диод, транзистор, операционный усилитель), работающий в ключевом режиме. Ключевой режим характеризуется двумя состояниями ключа: “Включено” – “Выключено”. Качество электронного ключа определяется следующими основными параметрами:

· падением напряжения на ключе в замкнутом состоянии u₃;

· током через ключ в разомкнутом состоянии i_р;

· временем перехода ключа из одного состояния в другое (временем переключения) t_пер. Чем меньше значения величин U, i_ри t_пер, тем выше качество ключа.

Простейший тип электронных ключей – диодные ключи. В качестве активных элементов в них используют полупроводниковые или электровакуумные диоды. На рис.3.6, а - приведена схема последовательного диодного ключа, а на рис.б – его передаточная характеристика

Рис. а) Схема – б) передаточная характеристика последовательного диодного ключа с нулевым уровнем включения

При положительном входном напряжении диод открыт и через него течет ток; R_пр– прямое сопротивление диода. Обычно R_пр < < R, тогда U_вых≈ U_вх. При входном отрицательном напряжение обратного тока через диод нет, R_обр> > R

Используя выше приведенный принцип анализа работы диодных ключей можно построить различные ключевые схемы. Для примера на рис. приведены схемы и передаточные характеристики параллельного и двойного диодных ключей. Диодные ключи не позволяют электрически разделить управляющую и управляемую цепи, что часто требуется на практике.

В этих случаях используют транзисторные ключи.

Статический режим.

В статическом режиме ключ может быть закрыт (транзистор находится в режиме отсечки), либо открыт (транзистор находится в режиме насыщения). Ключ закрыт, когда напряжение на входе меньше напряжения логического нуля Uвх⁰. Для кремниевого транзистора оно составляет 0.4–0.5 В.
Если входное напряжение равно нулю, транзистор находится в состоянии отсечки. В этом режиме Ik = Iб~0, Uk ~Ek. Сопротивление закрытого ключа составляет сотни кОм.

Если на входе действует импульс напряжения такой величины, чтобы транзистор находился в режиме насыщения, то ток базы

В режиме насыщения ток коллектора возрастает до наибольшего значения:

Напряжение Uкэ в режиме насыщения составляет 0.1–0.3 В, а выходное сопротивление – несколько десятков ом. Для насыщения транзистора необходимо, чтобы ток базы стал больше минимального значения, при котором начинается насыщение транзистора:

Глубину насыщения транзистора характеризуют коэффициентом или степенью насыщения, который определяет, во сколько раз реальный ток базы превосходит минимальное значение, при котором имеет место режим насыщения:

Величину коэффициента насыщения выбирают от 1.5 до 3.
Транзистор должен входить в режим насыщения, когда входное напряжение превышает напряжение логической единицы . Для ключей на биполярных транзисторах

Основной статической характеристикой транзисторного ключа служит передаточная характеристика – зависимость его выходного напряжения от входного. Она приведена на рис. 4-2. Рабочими являются участки переходной характеристики, соответствующие отсечке и насыщению.

Рис. 4-2 Передаточная характеристика ключа

Пример расчета инвертора на БТ. Рассчитать сопротивление в цепи базы транзисторного ключа на рис. 4-1, при котором транзистор находится в состоянии насыщения. Значения элементов: , , , . Коэффициент насыщения .
Решение. Поскольку транзистор находится в состоянии насыщения, . Ток коллектора

Минимальный ток базы, при котором транзистор переходит в насыщение,

Сопротивление резистора в цепи базы, обеспечивающее коэффициент насыщения ,

Ключ на полевом транзисторе

В аналоговых ключах используют транзисторы и с управляющим p-n-переходом и МДП-транзисторы с индуцированным каналом. В цифровых ключах обычно используют МДП-транзисторы с индуцированным каналом. МОП транзисторы, используемые в цифровой электронике, делятся на два типа.

- Мощные силовые, используются в импульсных преобразователях напряжения и в цепях питания.

- Транзисторы логического уровня – используются как ключи, которые коммутируют различные сигналы.

Ключи на полевых транзисторах отличаются малым остаточным напряжением при малых токах. Они могут коммутировать слабые сигналы (в единицы микровольт и меньше). Это следствие того, что выходные характеристики полевых транзисторов проходят через начало координат.

МОП транзистор — прибор, управляемый напряжением (потенциалом), затвор отделен слоем диэлектрика, по сути это конденсатор и через него не протекает постоянный ток, поэтому он не потребляет ток управления в статике, но во время переключения требуется приличный ток для заряда-разряда емкости. МОП транзистор имеет хоть и небольшое, но активное сопротивление в открытом состоянии Rси. Это сопротивление уменьшается с ростом отпирающего напряжения и становится минимальным при определенном напряжении затвор-исток, 4.5В или 10В. Полевой транзистор – это резистор, сопротивление которого управляется напряжением Vзи.

Vзи – управляющее напряжение, Vз-Vи. Если измерять относительно общего минуса, то: для n канального Vзи> 0, для p канального Vзи< 0. У силовых транзисторов управляющее напряжение, при котором будет минимальное сопротивление – 10 вольт и больше. У низковольтных, которые управляются логическими уровнями микросхем, оно составляет 1- 4.5 вольт для разных транзисторов. Общее правило: чем выше напряжение – тем транзистор лучше откроется, но это напряжение не должно превышать максимально допустимого Vзи(max).

Рис. Классическая схема включения MOSFET в ключевом режиме.

Для n-канального: исток на землю, сток через нагрузку к плюсу. Для открывания транзистора, на затвор нужно подать положительное напряжение, подтянуть к плюсу питания.

Для p-канального: исток на плюс питания, сток через нагрузку на землю. Для открывания транзистора, на затвор нужно подать отрицательное напряжение, подтянуть к минусу питания (земле).

В статическом состоянии ключ на полевом транзисторе потребляет очень малый ток управления. Однако этот ток увеличивается при увеличении частоты переключения. Очень большое входное сопротивление ключей на полевых транзисторах фактически обеспечивает гальваническую развязку входных и выходных цепей. Это позволяет обойтись без трансформаторов в цепях управления. Ключи на полевых транзисторах часто менее быстродействующие в сравнении с ключами на биполярных транзисторах.

Ключ на МДП-транзисторе с индуцированным каналом n-типа и резистивной нагрузкой представлена на рис.3.18. Емкость нагрузки С_н моделирует емкость устройств, подключенных к транзисторному ключу. При нулевом входном сигнале транзистор заперт и и_сн = E_с. Если напряжение и_вх больше порогового напряжения U_{зи.порог} транзистора, то он открывается и напряжение и_си уменьшается. В статическом состоянии по цепи управления ток не потребляется.

Выходное остаточное напряжение (U_ост) зависит от R_Н и при больших R_Н может быть меньше, чем в ключах на биполярных транзисторах. Быстродействие ключей на полевых транзисторах определяется перезарядом паразитных емкостей - сопротивлением R_c, емкостью С_н и частотными свойствами транзистора.

Ключ с нелинейной нагрузкой.

Роль нелинейной нагрузки здесь выполняет транзистор T₂, у которого затвор соединен со стоком и который является двухполюсником. В этой схеме транзистор T₂ называют нагрузочным, а транзистор T₁ – активным. Нагрузочный транзистор имеет разное сопротивление при открытом или запертом активном транзисторе. При соединении затвора со стоком транзистор Т₂ работает на пологом участке характеристики. В запертом состоянии активного транзистора остаточный ток имеет значение 10^-9А и максимальное напряжение на выходе близко к напряжению питания (сопротивление нагрузочного транзистора мало). В открытом состоянии активного транзистора рабочая точка лежит на квазилинейном участке характеристики активного транзистора Т₁. Остаточное напряжение в этой точке мало. Поэтому питающее напряжение можно считать полностью приложенным к нагрузочному транзистору (сопротивление конечно). Остаточное напряжение при этом подбирается пределах 50-100мВ.

Существуют также повторяющие ключи, у которых понижению входного напряжения соответствует понижение выходного напряжения. Повторяющий ключ выполняют по схеме эмиттерного повторителя.