Динамический режим работы ключа

Переходные процессы в ключах на биполярных транзисторах определяются:

- наличием емкостей эмиттерного и коллекторного переходов. При переключениях происходит заряд и разряд этих емкостей.

- накоплением и рассасыванием неосновных носителей в базе при переходе транзистора в режимы насыщения и отсечки.

Рассмотрим упрощенно процессы в транзисторе при действии на входе прямоугольного импульса (рис. 4-3). На интервале времени 0 – t₁ ключ закрыт. Процесс открывания ключа можно разделить на три этапа: задержка фронта, формирование фронта и накопление избыточного заряда в базе. Задержка фронта коллекторного тока t_зад – это интервал времени между моментом начала действия импульса и моментом, когда ток коллектора достигает значения, равного 0, 1 I_Кнас. Задержка фронта обусловлена зарядом барьерной емкости эмиттерного перехода.

 

          Рис. 4-3                                                      

С момента начала отпирания транзистора начинается формирование фронта выходного импульса (интервал t_ф на рис. 4-3). Когда ток коллектора достигает уровня I _Кнас, напряжение на коллекторе уменьшается до величины U_КЭнас. Ток базы достигает величины I_Бнас и продолжает увеличиваться, в базе происходит накопление неосновных носителей.

Чем больше величина тока базы, тем быстрее ток коллектора достигнет тока коллектора насыщения и тем меньше будет длительность фронта. Превышение входным током базы уровня I_Бнас создает в базе транзистора накопление избыточного заряда, которое будет влиять на процесс закрывания транзисторного ключа. Общее время включения t_вкл складывается из времени задержки и длительности фронта: .

После окончания действия входного импульса начинается рассасывание избыточного заряда в базе. За счет этого коллекторный ток не меняется в течение времени t_р. Затем начинается спад коллекторного тока. Одновременно растет напряжение коллектора. Общая длительность выключения

, здесь – время спада коллекторного тока.
Для уменьшения задержки, связанной с перезарядкой емкостей биполярного транзистора, сопротивление резисторов выбирают небольшим (порядка нескольких килоом). Однако основным фактором, ограничивающим быстродействие ключа на рис. 4-3, является насыщение транзистора. Время рассасывания t_р существенно превышает остальные временные интервалы. Чем больше коэффициент насыщения s, тем больше время рассасывания. При s=1 избыточного заряда нет, следовательно, не потребуется время на рассасывание.

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.

 

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: