Электронные ключи

11

Ключи на биполярных транзисторах имеют ряд недостатков, ограничивающих их применение:

−Ограниченное быстродействие, вызванное конечной скоростью рассасывания неосновных носителей в базе;

−Значительная мощность, потребляемая цепями управления в статическом режиме;

−При параллельном включении биполярных транзисторов необходимо применение выравнивающих резисторов в цепях эмиттеров, что приводит к снижению КПД схемы;

−Термическая неустойчивость, определяемая ростом тока коллектора при увеличении температуры транзистора.

Вопросы для самостоятельной проработки

1.Как рассчитать длительность седьмого этапа (рис. 4) ?

2.Почему в процессе задержки выключения транзистора не учитывается разряд (перезаряд) входной емкости транзистора ?

3.Как определить входную емкость транзистора на этапе задержки включения, на этапе включения ?

4.Что такое эффект Миллера ?

5.Почему при параллельном включении биполярных транзисторов необходимо применение выравнивающих резисторов ?

6.Как определить оптимальную емкость конденсатора в форсирующей цепочке ?

Задачи для самостоятельного решения

1.Определить мощность статических потерь для ключа по схеме рис.3 при следующих параметрах RR =100Ом, β =100 , U КЭнас =0.2B , U КП =5B . На вход ключа поступает последовательность импульсов с периодом T = 2мс и длительностью τ =500мкс. Принять I КБО =0 , U БЭотс =0.5В, U ВХмакс = 4В.

2.Определить мощность, рассеиваемую на коллекторе, если изменения напряжения на коллекторе соответствуют рисунку 6.

Схема ключа соответствует рис. 3, RR =100Ом, U КП =5B .

12

1.3Электронные ключи на полевых транзисторах

Внастоящее время происходит активное вытеснение биполярных транзисторов из области ключевых устройств. В значительной мере альтернативой служат полевые транзисторы. Полевые транзисторы не потребляют статической мощности по цепи управления, в них отсутствуют неосновные носители, а, значит, не требуется время на их рассасывание, наконец, рост температуры приводит к уменьшению тока стока, что обеспечивает повышенную термоустойчивость.

Из всего многообразия полевых транзисторов для построения электронных ключей наибольшее распространение получили МДП - транзисторы с индуцированным каналом (в иностранной литературе – обогащенного типа). Транзисторы этого типа характеризуются пороговым напряжением, при котором возникает проводимость канала. В области малых напряжений между стоком и истоком (открытый транзистор) можно представить эквивалентным сопротивлением (в отличие от насыщенного биполярного транзистора – источника напряжения). Справочные данные на ключевые транзисторы этого типа включают параметр RСИоткр - сопротивление сток-исток в открытом состоянии.

Для низковольтных транзисторов величина этого сопротивления составляет десятые – сотые доли Ом, что обуславливает малую мощность, рассеиваемую на транзисторе в статическом режиме. К сожалению, RСИоткр заметно увеличивается

при увеличении максимально допустимого напряжения сток-исток.

Рисунок 7 – Ключ на МДП транзисторе с индуцированным затвором

Необходимо учитывать, что режим насыщения для МДП-транзистора принципиально отличается от режима насыщения биполярного транзистора. Переходные процессы в ключах на полевых транзисторах обусловлены переносом носителей через канал и перезарядом междуэлектродных емкостей, емкостей нагрузки и монтажа. Так как электроны обладают более высоким быстродействием, чем дырки, то n-канальные транзисторы обладают лучшим быстродействием по сравнению с р-канальными.

В схемотехнике ключевых устройств на полевых транзисторах чаще других используется схема с общим истоком, представленная на рис.7а. Когда транзистор закрыт, через него протекает неуправляемый (начальный) ток стока. При открытом транзисторе ток через транзистор должен определяться величи-

Следует также иметь в виду, что величина U 0 снижается с ростом температуры.

изготовителя и стремиться к тому, чтобы источник управляющего сигнала в цепи затвора имел минимальное внутреннее сопротивление.

При необходимости увеличения коммутируемой мощности возможно параллельное включение полевых транзисторов (рис.10). При этом необходимо использовать транзисторы с близкими значениями пороговых напряжений и устанавливать в цепи затвора сопротивления, призванные уменьшить взаимное влияние транзисторов друг

Рисунок 10 - Схема параллельного на друга при выключении («звон»). включения ПТ

1.4 Цифровые ключи на IGBT транзисторах

Преимущества, обеспечиваемые работой активных элементов в ключевом режиме, прежде всего экономичность, привели к широкому распространению мощных ключевых устройств. Широко известны импульсные источники питания, ключевые стабилизаторы и регуляторы, генераторы, работающие в ключевом режиме, а также широкий спектр устройств, использующих различные виды импульсной модуляции: ШИМ, АИМ и т.д. При проектировании таких устройств необходимо учитывать некоторые специфические особенности их работы.

Уровень современного развития отечественной и зарубежной элементной базы ставит перед разработчиком вопрос выбора подходящего активного элемента. Современный инженер может выбирать из трех основных видов транзисторов: биполярные, полевые и так называемые IGBT – транзисторы (Insulated Gate Bipolar Transistor), представляющие собой комбинацию двух предыдущих типов: по входу такой транзистор ведет себя как полевой, а по выходу – как биполярный. В отечественной литературе эти приборы именуются биполярными транзисторами с изолированным затвором (БТИЗ). Типичные представители

15

этого семейства могут коммутировать токи в десятки ампер при напряжениях порядка киловольта. Биполярные транзисторы работают при напряжениях до 1.5 кВ и коммутируют токи в несколько десятков ампер, полевые транзисторы работают при более низких значениях напряжения (обычно менее 1000В) и коммутируют токи до сотни ампер.

Эквивалентная схема IGBT – транзистора представлена на рис. 11. Интересно, что коллектору IGBT соответствует эмиттер эквивалентного биполярного транзистора, а эмиттеру – наоборот, коллектор. По сравнению с полевым транзистором, IGBT имеет два важных преимущества (наиболее актуальных для создания мощных ключевых устройств). Во-первых, эквивалентная крутизна IGBT значительно превышает крутизну полевого транзистора, во-вторых, по сравнению с ПТ, силовая цепь IGBT имеет значительно меньшее сопротивление в открытом состоянии. В плане быстродействия IGBT превосходят биполярные транзисторы, но уступают полевым.

Ведущий производитель IGBT - фирма International Rectifier классифицирует свою продукцию по следующим категориям:

−W – (warp speed) 75…150 кГц;

−U – (ultra fast speed) 10…75 кГц;

−F – (fast speed) 3…10 кГц;

−S – (standard speed) 1…3 кГц

Применение IGBT имеет свои особенности, хотя основные процессы определяются рассмотренными выше факторами, характерными для биполярных и полевых транзисторов. В частности, актуально требование по dU КЭ / dt , нарушение которого может привести к так называемому «защелкиванию», (потеря возможности запирания) аналогичному процессу отпирания тиристора.

Для IGBT важно ограничение обратного напряжения коллекторэмиттер (типовое значение 1520В).

В справочных данных на IGBT указываются параметры заряда затвора (QЗЭ , QЗ , QЗК ), с помощью которых можно оценить параметры схемы управления, однако, на их основе не удается предсказать время переключения транзистора, так как на него влияют еще и процессы рассасывания неосновных носителей в базе. Для

оценки времени переключения полезны параметры: время спада/нарастания, время задержки выключения. IGBT, аналогично полевым транзисторам, можно

16

включать параллельно для увеличения коммутируемой мощности, соблюдая при этом соответствующие рекомендации.

Вопросы для самостоятельной проработки

1.Перечислите известные типы полевых транзисторов , нарисуйте их характеристики. Какие параметры характерны для различных типов полевых транзисторов ?

2.Чем отличаются процессы насыщения полевого и биполярного транзистора ?

3.Чем обусловлено наличие плоских участков на графике U ЗИ (рис. 8) ?

dU

4. Выведите формулу U ЗИ ( dtСИ ) .

5. Какова роль резисторов в цепи затвора полевых транзисторов при их параллельном включении ?

Задачи для самостоятельного решения

1.Определите время задержки включения полевого транзистора, если внутреннее сопротивление источника сигнала Ri =10Ом, емкость СЗИ =10пФ, пороговое напряжение U ПОР =3В, амплитуда отпирающего импульса U =5B .

2.Используя данные предыдущей задачи, определить энергию, затрачиваемую на отпирание транзистора, если QВКЛ =50нКл.

3.Определить максимальную величину dUdtСИ , если известны элементы пара-

зитной структуры (с биполярным транзистором) на рис. 9. R =1000Ом,

С =100пФ.

17

1.5Аналоговые ключи

1.1.5Ключи на полевых МДП - транзисторах

Очень часто полевые транзисторы, главным образом МДП-транзисторы, применяются в качестве аналоговых ключей. В силу своих свойств, таких, как малое сопротивление в проводящем состоянии, крайне высокое сопротивление в состоянии отсечки, малые токи утечки и малая емкость, они являются идеальными ключами, управляемыми напряжением, для аналоговых сигналов. Идеальный аналоговый ключ ведет себя как механический выключатель: пропускает сигнал к нагрузке без ослаблений или нелинейных искажений

VT1 — это n-канальный МДП транзистор с индуцированным каналом, не проводящий ток при заземленном затворе или при отрицательном напряжении затвора. В этом состоянии сопротивление сток — исток, как правило, больше 10000 МОм, и сигнал не проходит через ключ. Подача на затвор положительного управляющего напряжения (больше UПОР) приводит канал сток — исток в проводящее состояние с типичным сопротивлением от 25 до 100 0м (Rвкл) для транзисторов, предназначенных для использования в качестве аналоговых ключей. Схема не критична к

значению уровня сигнала на затворе, поскольку он существенно более положителен, чем это необходимо для поддержания малого Rвкл, а потому его можно задавать от логических схем; можно использовать выход ТТЛ для получения уровней, соответствующих полному диапазону питания, с помощью внешнего транзистора, или даже операционного усилителя (ОУ). Обратное смещение затвора при отрицательных значениях выхода ОУ будет давать дополнительное преимущество — возможность переключать сигналы любой полярности. Заметим, что аналоговый ключ такого типа — двунаправленное устройство, т. е. он может пропускать сигнал в обе стороны.

Приведенная схема будет работать при положительных сигналах, не превышающих (UУПР - UПОР); при более высоком уровне сигнала напряжение на затворе будет недостаточным, чтобы удержать транзистор в состоянии проводимости (Rвкл начинает расти); отрицательные сигналы вызовут включение при заземленном затворе (при этом появится прямое смещение перехода канал — подложка). Если нужно переключать сигналы обеих полярностей, то можно применить такую же схему, но с затвором, управляемым двуполярным напряжением, при этом подложка должна быть подсоединена к отрицательному напряжению.

Для любого ключа на полевом транзисторе важно обеспечить сопротивление нагрузки в диапазоне от 10 до 100 кОм, чтобы предотвратить емкостное прохождение входного сигнала в состоянии «ВЫКЛ», которое имело бы место при большем сопротивлении. Значение сопротивления нагрузки выбирается ком-

18

промиссным. Малое сопротивление уменьшит емкостную утечку, но вызовет ослабление выходного сигнала из-за делителя напряжения, образованного сопротивлением проводящего транзистора Rвкл и сопротивлением нагрузки. А так как Rвкл меняется с изменением входного сигнала, то это ослабление приведет к некоторой нежелательной нелинейности. Слишком низкое сопротивление нагрузки проявляется также и на входе ключа, нагружая входной сигнал. Привлекательной альтернативой является также применение еще одного ключа, закорачивающего выход на землю, если транзистор, включающий сигнал, находится в состоянии «ВЫКЛ»: таким образом, формируется однополюсный ключ на два направления.

Часто необходимо переключать сигналы, сравнимые по величине с напряжением питания. В этом случае описанная выше простая схема работать не будет, поскольку при пиковом значении сигнала затвор не будет иметь достаточного смещения. Задача переключения таких сигналов решается применением переключателей на комплементарных МДП-транзисторах (КМДП)

(рис. 12). При высоком уровне

Рисунок 12 – Ключ на КМДП структуре управляющего сигнала VТ1

пропускает сигналы с уровнями от земли до EП без нескольких вольт. VТ2 пропускает сигнал с уровнями от EП до значения на несколько вольт выше уровня земли. Таким образом, все сигналы в диапазоне от земли до EП проходят через схему, имеющую малое сопротивление. Переключение управляющего сигнала на уровень земли запирает оба транзистора, размыкая, таким образом, цепь. В результате получается

аналоговый переключатель для сигналов в диапазоне от земли до EП . Это основа схемы КМДП

в состоянии отсечки. Это значит, что если напряжение сигнала становится отрицательным, то напряжение затвора должно удерживаться, по крайней мере,

19

на U ОТС ниже наименьшего минимума сигнала. Для приведения транзистора в

состояние проводимости управляющий сигнал должен стать больше максимального положительного значения входного сигнала. Когда ключ замкнут, диод имеет обратное смещение и затвор связан с истоком через резистор R1сопротивлением 1 МОм, т. е. находится под потенциалом истока.

Можно построить схему аналогового ключа на транзисторе с управляющим р—п- переходом, если использовать ОУ, так как можно связать исток транзистора с потенциальной землей в суммирующей точке инвертирующего усилителя (рис. 14). Тогда для отпирания транзистора нужно просто подать потенциал земли на затвор. Этот способ дает до-

Рисунок 14 – Прецизионный аналоговый ключ полнительное преимущество,

заключающееся в точной компенсации ошибок, возникающих из-за конечного значения Rвкл и его нелинейности.

Схема имеет две примечательные особенности:

а) когда VТ1 включен (затвор заземлен), вся схема представляет собой инвертор с одинаковым полным сопротивлением в цепях входа и обратной связи. Это компенсирует все эффекты, связанные с конечностью и нелинейностью сопротивления включенного состояния, если транзисторы согласованы по параметру Rвкл.

б) Благодаря малости напряжения отсечки схема будет работать при управляющем сигнале от нуля до +5 В, что удобно для работы с ТТЛ. Включение в инвертирующей схеме с присоединением истока VT1 к потенциальной земле (суммирующая точка) упрощает работу схемы, так как нет колебаний сигнала на истоке VT1 во включенном состоянии; диод препятствует включению ПТ при положительных сигналах и запертом VT1 и не оказывает никакого действия при замкнутом ключе.

Тот же прием компенсации применяется и для ключей на МДП - транзисторах.

Отечественная и зарубежная промышленность выпускают широкую номенклатуру микросхем, предназначенных для коммутации аналоговых сигналов. В частности, отечественная промышленность выпускает аналоговые ключи серии 596 и серии 561, из зарубежных известны ключи фирмы Analog Devices (ADG), значительное количество коммутаторов аудио- и видеосигналов фирм

Philips, Sanyo и др.

20

Вопросы для самостоятельной проработки

1.Как связаны уровни входных и управляющих сигналов на рис. 12-14 ?

2.Какие требования следует предъявлять к операционному усилителю в схеме на рис. 14 ?

3.Чем ограничена ширина спектра сигналов, коммутируемых ключами, выполненными по схемам на рис. 12-14 ?

4.Придумайте схему прецизионного аналогового ключа на базе неинвертирующей схемы включения ОУ.

5.Придумайте схему аналогового ключа, коммутирующего отрицательные сигналы и управляемого при этом напряжением ТТЛ – уровня.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.Семенов Б.Ю. Силовая электроника для любителей и профессионалов

- М.: СОЛОН-Р, 2001. - 327с.

2.Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника - М.: Горячая линия - Телеком, 2000. - 768 с.

3.Браммер Ю.А., Пащук И.Н. Импульсные и цифровые устройства - М.: Высшая школа, 1999. - 351с.

4.Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: в 2-х т. - М.: Мир, 1983. т.1. 598с.