Глава 15 электронные ключи
В отличие от рассмотренного ранее режима, где транзистор работал в режиме малого сигнала и являлся линейным элементом, в импульсном режиме, являющимся характерным для цифровых устройств, транзистор работает в режиме большого сигнала. В отличие от режима малого сигнала, где отклонение от рабочей точки по постоянному току порядка 20-30%, в режиме большого сигнала транзистор переходит из зоны отсечки через активную область в режим насыщения и наоборот. Как правило, в импульсной технике транзистор работает в двух противоположных состояниях: в режиме отсечки (транзистор заперт) и в режиме насыщения (транзистор открыт и насыщен). Коэффициент передачи транзистора в этих режимах меньше единицы, т.е. он не обладает усилительными свойствами.
Кроме того, при переключении из одного режима во второй и наоборот транзистор находится в активном режиме, время переключения составляет единицы микросекунд. В переходном (активном) режиме коэффициент передачи транзистора намного больше единицы. В режиме большого сигнала характеристики транзистора нелинейны.
В качестве электронных ключей в настоящее время применяются биполярные и полевые транзисторы, причем все большее применение находят ключи на полевых транзисторах. Это, в первую очередь, определяется возможностью уменьшения рассеиваемой мощности, что согласуется с требованием комплексной миниатюризации электронных устройств.
В то же время применение биполярных транзисторов в качестве электронных ключей позволяет реализовать большее быстродействие схем коммутации, чем и объясняется их широкое использование в устройствах импульсной и цифровой электроники наряду с полевыми транзисторами.
Распространены электронные ключи, в выходных цепях которых используются источники постоянного напряжения (источники питания). Назначение таких ключей состоит в том, чтобы создать на выходе напряжение, близкое к нулю при открытом состоянии ключа, или напряжение, близкое к напряжению питания при закрытом ключе. Такая работа характерна для ключей цифровой электроники (их называют цифровыми ключами).
В информационной электронике используются также и ключи, имеющие другое назначение. Оно состоит в том, чтобы соединить или отключить источник входного, содержащего информацию аналогового сигнала и приемник сигнала. Такие устройства принято называть аналоговыми ключами или аналоговыми коммутаторами.
15.1. Аналоговые коммутаторы
Аналоговый коммутатор служит для коммутации аналоговых входных сигналов. Если коммутатор находится в состоянии «включено», его выходное напряжение должно по возможности точно равняться входному; если же коммутатор находится в состоянии «выключено», оно должно стать равным нулю.
Существуют различные схемные решения коммутаторов, удовлетворяющие указанным условиям. Их принцип действия показан на рис. 15.1 а, б, в на примере механических переключателей.
На рис. 15.1 а представлен последовательный коммутатор. Пока контакт замкнут, UВЫХ = UВХ. Когда контакт размыкается, выходное напряжение становится равным нулю. Все это справедливо, вообще говоря, для ненагруженной схемы. При наличии емкостной нагрузки выходное напряжение вследствие конечной величины выходного сопротивления схемы RВЫХ = R падает до нулевого значения не мгновенно.
Этот недостаток отсутствует у схемы параллельного коммутатора, изображенного на рисунке 15.1 б.
Рис. 15.1. Коммутаторы: а) последовательный; б) параллельный; в) последовательно-параллельный
Последовательно-параллельный коммутатор, показанный на рисунке 15.1 в, обладает преимуществами обеих предыдущих схем. В любом рабочем состоянии он имеет выходное сопротивление, близкое к нулю.
Аналоговые коммутаторы могут быть реализованы электронными методами путем замены механического контакта элементом с управляемым сопротивлением, имеющим малое минимальное и достаточно большое максимальное значения. Для этих целей могут использоваться полевые транзисторы, диоды, биполярные транзисторы и другие управляемые электронные приборы.