Всего на сайте:
282 тыс. 988 статей

Главная | Электроника

Электронный ключ  Просмотрен 54

Электронный ключ предназначен для коммутации (переключения) тока в нагрузке. Если ключ идеален, то его сопротивление в разомкнутом состоянии равно бесконечности, а в замкнутом равно нулю. Электронный ключ отличается от идеального.В полупроводниковой ключевой схеме роль ключа выполняет биполярный транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, или полевой, включенный по схеме с общим истоком. Раньше широко применялись схемы на диодах (рис.2.26).

Диодный ключ при отсутствии управляющего напряжения заперт. При подаче на аноды диодов положительного управляющего напряжения диоды отпираются и ключ замыкается. Напряжение смещения диодного ключа определяется разностью прямых напряжений на диодах D1 и D2. При подобранных диодах напряжение смещения лежит в пределах 1...5 мВ. Время коммутации определяется быстродействием диодов. Для диодных ключей обычно используются диоды Шоттки или кремниевые эпитаксиальные диоды с тонкой базой. В этих диодах слабо выражены эффекты накопления носителей и их инерционность в основном определяется перезарядом барьерной емкости. Дифференциальное сопротивление открытого диодного ключа равно сумме дифференциальных сопротивлений диодов и может лежать в пределах от 1 до 50 Ом.

Основным недостатком такого ключа является прямое прохождение управляющего сигнала через нагрузку Rн и источник сигнала ес. Для снижения напряжения помехи эту схему целесообразно использовать при малых сопротивлениях источника сигнала и сопротивления нагрузки. Кроме того, желательно увеличивать сопротивление Ry для снижения тока в цепи управления. Однако следует учитывать, что снижение тока управления приводит к увеличению дифференциального сопротивления диодов.


Ключи на биполярных транзисторах более совершенны, чем диодные ключи и значительно чаще используются в электронных схемах. Простейший ключ на одном биполярном транзисторе приведен на рис. 2.27. Он состоит из ключевого транзистора Т1 и схемы управления на транзисторе Т2. По структуре транзисторный ключ похож на двухдиодный ключ, изображенный на рис. 2.26.

При отсутствии тока базы транзистор Т1 закрыт и ключ разомкнут, а при протекании через базу тока управления iб>iб.нас ключ замкнут. В этом случае коллекторный и эмиттерный переходы открыты и действуют так же, как открытые диоды в схеме рис. 2.26.

Рассмотрим процессы в транзисторе, происходящие при работе в ключевом режиме (рис.2.28).

Управление таким ключом (рис. 2.28,а) осуществляет сигнал Uвх. При Uвх=0 ток базы IБ тоже равен нулю и состояние схемы определяется точкой В (рис. 2.28,б) пересечения нагрузочной прямой с выходной характеристикой транзистора при IБ=0. Транзистор находится в состоянии отсечки, что равносильно разомкнутому ключу, и выходное напряжение, определяемое потенциалом точки К, равно UКЭ отс , т. е. несколько меньше, чем Ек. При Uвх,, достаточном для создания базового тока IБнас , переводящего транзистор в режим насыщения, напряжение Uкэ составляет доли вольт. В этом случае состояние схемы определяется точкой А, что равносильно замкнутому ключу, и выходное напряжение равно Uкэ нас, т. е. несколько выше нулевого уровня. Таким образом, транзистор ведет себя как неидеальный ключ.

Переключение транзистора из одного состояния в другое происходит не мгновенно, для этого требуется пусть небольшое, но конечное время. Именно это время определяет быстродействие всех цифровых устройств.

При протекании тока через биполярный транзистор в базе происходит накопление неосновных носителей. Причем чем больше коллекторный ток, тем больше носителей к этому моменту должно быть накоплено в базе, т. е. в базе создается заряд qб. После того, как управляющее напряжение Uбэ становится запирающим, коллекторный ток Iк продолжает еще некоторое время оставаться неизменным за счет избытка носителей в базе. Этот отрезок времени tр называют временем рассасывания неосновных носителей из области базы.

Лишь после времени tр происходит переход транзистора из состояния насыщения в состояние отсечки и ток Iк снижается до уровня Iко, соответствующего запертому состоянию ключевой схемы (точка В на вольт-амперных характеристиках).

Этап рассасывания можно устранить, если транзистору после отпирания создать режим, когда он находится на границе между состоянием насыщения и активным режимом работы. Для этого в интегральных схемах используется диод Шоттки, включенный параллельно база-коллекторному переходу транзистора. Такая структура называется транзистором Шоттки (рис. 2.29,а, б).

Напомним, что в активном режиме переход база – коллектор транзистора смещен в обратном направлении, т.е. потенциал базы, подключенной к Uвх, много ниже потенциала коллектора. С увеличением тока транзистора потенциал коллектора понижается и, приближаясь к насыщению, становится ниже потенциала базы. При этом в базе начинают накапливаться избыточные неосновные носители, повышая степень насыщения транзистора. Если бы в схеме на рис. 2.29, а отсутствовал диод, то с увеличением тока потенциал точки b понизился бы настолько, что наступило насыщение транзистора. Этого в схеме не происходит, так как при незначительном (менее 0,1 В) понижении потенциала точки b относительно точки а отпирается диод Шоттки и избыточный заряд удаляется из области базы в коллектор. Диод Шоттки в интегральном исполнении представляет собой контакт металла с коллекторной областью транзистора и составляет единую структуру.

Ключи на полевых транзисторах с управляющими pn-переходами и с изолированным затвором в настоящее время получили преимущественное распространение в различных интегральных микросхемах. Прежде всего это связано с такими достоинствами этих ключей, как малые токи утечки, низкое потребление по цепи управления, отсутствие напряжения смещения, технологичность производства.

На быстродействие ключей существенным образом влияют переходные процессы в транзисторах. В этом отношении преимущественное применение находят полевые транзисторы с изолированным затвором, паразитные емкости у которых меньше. Наибольшее распространение получили ключи на комплементарной (согласованной) паре полевых транзисторов, один из которых имеет канал р-типа а другой – канал п-типа.

Особенностью ключей на полевых транзисторах с изолированным затвором является сильная зависимость сопротивления открытого канала от коммутируемого сигнала, что приводит к модуляции проводимости канала входным сигналом и возникновению дополнительных нелинейных искажений. Для снижения искажений, вызванных модуляцией проводимости канала, в таких ключах ограничивают уровень входных сигналов и используют сравнительно большое сопротивление нагрузки ключа. Аналогичный эффект имеется и в полевых транзисторах с управляющим рп-переходом, однако для его снижения на затвор подают сигнал управления, зависящий от входного сигнала.

На рис. 2.30 приведена схема ключа на полевом транзисторе Т1 с управляющим рп-переходом и каналом p-типа. Схема управления выполнена на транзисторе Т2, а ее питание производится от источника напряжения Е. Диод D необходим для того, чтобы напряжение затвор – исток оставалось равным нулю при любых значениях входных сигналов.

Для исключения модуляции проводимости канала входным сигналом затвор через сопротивление R3, связан с напряжением источника сигнала ес.

Устройство управления работает следующим образом. Если напряжение управления равно нулю, то транзистор Т2 заперт и напряжение +Е через сопротивление R2 и диод D подводится к затвору транзистора Т1, который запирается его. В результате этого ключ будет замкнут. Если напряжение управления включает транзистор Т2, то анод диода D через насыщенный транзистор Т2 соединяется с общей шиной, в результате чего напряжение на затворе Т1 снижается почти до нуля и транзистор Т1 отпирается, что эквивалентно замыканию ключа.

Ключи на полевых транзисторах с управляющим рп-переходом входят в состав микросхем ряда серий: 284, КР504 и, др. Так, микросхема 284 КН1 содержит три ключа на полевых транзисторах с управляющим рп-переходом и каналом п-типа. Каждый ключ имеет параметры: сопротивление замкнутого ключа 250 Ом, ток утечки 10 нА, максимальная частота коммутации 1МГц.

Ключи на полевых транзисторах с изолированным затвором и индуцированным каналом р- и п-типа получили самое широкое распространение при создании коммутаторов. Основной особенностью этих ключей является то, что в исходном состоянии при нулевом напряжении на затворе они заперты. Обогащение канала носителями зарядов происходит только при подаче на затвор напряжения, превышающего пороговое напряжение. Токи утечки ПТИЗ определяются токами, которые протекают в закрытом транзисторе от истока и стока к подложке и имеют значение 1...10 нА при нормальной температуре. С повышением температуры они ведут себя как обратные токи 1011... 1013Ом, что при малой толщине диэлектрика под затвором (около 1 мкм) приводит к необходимости защиты от статического электричества. Одной из таких мер является установка защитных стабилитронов или диодов между затвором и каналом, однако это приводит к увеличению тока затвора, особенно с повышением температуры.

Ключи на ПТИЗ с каналом р-типа выпускаются в виде отдельных элементов и в составе сложных коммутаторов. Так, микросхемы 168КТ2 содержат сдвоенные ключи без схем управления. Такие ключи имеют пороговое напряжение от 3 до

6 В, прямое сопротивление не более 100 Ом, время включения и выключения около 0,3...0,5 мкс. Отсутствие в этой микросхеме устройств управления усложняет ее применение. Кроме отдельных транзисторов в качестве ключей широкое распространение получили схемы (рис.2.31), содержащие параллельное соединение двух ПТИЗ с разным типом проводимости канала (комплементарные транзисторы).

В таких ключах устранены многие недостатки ключей на одиночных транзисторах: устранена модуляция сопротивления канала входным сигналом, снижены помехи из цепи управления, сопротивление ключа в открытом состоянии и уменьшен ток утечки.

Для одновременного переключения транзисторов из включенного состояния в выключенное сигнал управления подается на затвор одного транзистора непосредственно, а на затвор другого – через инвертор.

При увеличении входного напряжения сопротивление р-канального транзистора увеличивается, а n-канального транзистора уменьшается. В результате этого параллельное соединение этих транзисторов имеет почти неизменное сопротивление r0, в открытом состоянии, как показано на рис. 2.31,а. Поскольку транзисторы ключа управляются сигналами противоположной полярности, то импульсы помех взаимно компенсируются, что позволяет снизить уровень входных сигналов.

Ключи на комплементарных транзисторах широко используются в интегральных микросхемах. Они входят в состав микросхем серии К590, К591, К176, К561 и I564. Их сопротивление в открытом состоянии равно 20…100 Ом, они имеют время включения от 10 до 100 нс, обеспечивают выходной ток до 10 мА и потребляют по цепи питания мощность менее 1 мкВт.

 


Предыдущая статья:Классификация компараторов. Следующая статья:Коммутаторы аналоговых сигналов
page speed (0.014 sec, direct)