1. Электронные ключи

Транзисторные ключи (ТК).

Т ранзисторные ключи (ТК) – наиболее распространенные элементы импульсных устройств, на основе которых создаются триггеры, мультивибраторы, коммутаторы и т.д.

Режимы работы: режим отсечки, нормальный активный, инверсный активный, режим насыщения.

Входные (б) и выходные (в) характеристики ключа.

ТК – быстродействующий ключ и имеет 2 состояния: разомкнутое – режим

отсечки (транзистор заперт) и сомкнутое (режим насыщения или близкий к нему.

Статические характеристики ТК: Iк=f(U_КЭ), Iб=f(U_БЭ) – семейство выходных и входных характеристик.

Характеристики и параметры электронных ключей.

Характеристика отсечки – токи и напряжения при (Iэ=0): Iк≈I_КБО, Iб≈-I_КБО, U_КЭа=Ек-I_КБОRк≈ Ек,

Rт= U_КЭа/I_КБО (не менее 100кОм).

Характеристика на границе отсечки (U_БЭ=0): Iб≈-I_КБО, Iэ≈h_21эI I_КБО, Ir≈(1+h_21эI) I_КБО

Область насыщения – линия ОН: Rнас=Rт=Uк.нас./Iк.нас (10-100 Ом); Iк.нас. ≈Eк/Rк.

Критерий насыщения: I_Б>I_Бнас=Iк.нас/h_21Э.

Степень насыщения – оценка глубины насыщения – относительное превышение базовым током тока для границы насыщения: N=( I_Б- I_Бнас)/ I_Бнас.

ТКU (температурный коэффициент напряжения) = 0,15мВ/град

Входную цепь ТК характеризуют следующие параметры: 1) входной ток закрытого транзистора; 2) напряжения управления для надежного запирания; 3) минимальный перепад управляющего сигнала, необходимый для надежного отпирания ТК; 4) входное сопротивление в открытом состоянии.

Выходные параметры: 1) выходное сопротивление Rвых (при закр. и откр. ТК); 2) Iнас; 3) U_КЭнас – остаточное напряжение в откр. состоянии; 4) U_КЭзакр=Eк- I_КБО Rк – макс. напряжение при закр. ТК; 5) коэффициент использования напряжения притания K_E=( U_КЭзакр-U_КЭнас)

Анализ переходных процессов при отпирании и запирании ТК.

Используют метод заряда базы – принцип электростатической нейтральности базы. В любой точке базы «+» и «-» одинаковы и изменяются с одной скоростью.

dQ/dt+Q/τ=Iб (уравнение заряда базы, где Q и τ – заряд и время жизни неосновных носителей заряда)

Ток базы расходуется на рекомбинацию зарядов и на накопление заряда). В установившемся режиме уравнение: Q(∞)=Iб τ. Его решение Q(t)= Q(∞)-(Q(∞)-Q(0))e^(t/ τ), где Q(0) – заряд в базе при t=0, Q(∞) – заряд по окончании переходного процесса, Q(t) – текущее значение.

Qгр= τ/h_21э* Iк.нас – граничное значение – переход из активной области в область насыщения.

Метод заряда позволяет определить значения необходимых величин в статическом и динамическом режимах работы транзистора.

Процесс открывания транзистора имеет 3 стадии:

1. Задержка фронта – перезарядка барьерных емкостей Сэ и Ск под действием входного сигнала.

(нс), τвх=RбCвх; U_БЭпор- напряжение, при котором откр. эмиттерный переход.

2. Формирование фронта. Идет перепад I_б1, достаточный для следующего насыщения, увеличение коллекторного тока идет по экспотенциальному закону до Iк.нас= Eк/Rк. Q(t)= I_б1 τ_a(1-exp(-t/ τ_a)

(доли мкс) – длительность фронта

3. Накопление носителей. Начиная с tфр токи к, э, б не меняются, но заряд в базе нарастает t_н=(3-5) τ_н, когда заряд в базе Q=I_б1 τ_н

Закрытие ТК происходит в 2 этапа:

1. Рассасывание избыточного заряда. Ток коллектора не меняется, I_Э уменьшается на дельта Iб

Подставим: Q(∞)=I_б2τ_н: Q(t)=Q(0)exp(-t/ τ_н)+I_б2τ_н(1- exp(-t/ τ_н)). Рассасывание заканчивается, когда Q(t)=Qгр. Время рассасывания: .

2. Формирование отрицательного фронта – происходит по трем направлениям: либо рассасывание избыточного заряда может произойти одновременно у коллекторного и эмиттерного переходов, либо оно произойдет раньше у кого-то из них.

Рис. а-в – быстрее рассосалось у коллекторного перехода.

Рис. г-д – быстрее рассосалось у эмиттерного перехода.

Длительность отрицательного фронта:

Факторы, влияющие на быстродействие ключей. Методы повышения быстродействия ключей.

Для повышения быстродействия используют высококачественные транзисторы, имеющие малы емкости Ск, а в цепь коллектора включают небольшие сопротивления Rк. Для максимального быстродействия транзистор можно не вводить в режим глубокого насыщения – ненасыщенные ключи; транзистор работает на границе активной области.

Основной смысл введения обратной связи – фиксирование потенциала коллектора относительно потенциала базы.

В схемах используют диоды, имеющие малое время восстановления. Самое лучшее – использовать диод Шотки. Недостатки ненасыщенного ключа: падение напряжения U_КЭ на открытом ключе больше; ТК имеет плохую помехоустойчивость.

Схемы ненасыщенных ключей: а, б – с нелинейной обратной связью, в – с диодом Шотки.

Ключи на МОП и КМОП-структурах. Особенности этих ключей.

Для них характерно: 1) малое остаточное напряжение на ключе, находящемся в проводящем состоянии; 2) высокое сопротивление в непроводящем состоянии; 3) малая мощность потребления напряжения; 4) хорошая электрическая развязка между цепью управления и коммутируемого сигнала; 5) возможность коммутации сигналов очень малого уровня (мкВ)

Ключевые цепи на полевых транзисторах с индуцированным каналом.

Д ля увеличения экономичности и улучшения стабильности

уровней выходных напряжений широко применяют ключи

на комплиментарных транзисторах.

Данные ключи перспективны для построения экономичных

цифровых устройств.

Ключевая цепь на комплиментарных транзисторах. КМОП

Двунаправленные ключи, Требования к таким ключам. Их реализация и применение.

Двунаправленный ключ кмоп

Д вунаправленным ключом называют также коммутатор цифровых и аналоговых сигналов, переключатель, ключ коммутации (КК). В состав ключа коммутации входят два инвертора, управляющие двумя параллельно включенными комплементарными транзисторами собственно ключа.

Рис.8.4.1. Упрощенная схема КМОП двунаправленного ключа

Рис.8.4.2. Зависимости внутреннего сопротивления комплиментарных транзисторов от напряжения

Каждый из этих транзисторов имеет внутреннее сопротивление, существенно зависящее от коммутируемого напряжения, а параллельное их соединение имеет намного меньшую зависимость общего сопротивления от коммутируемого напряжения, как это показано на рис.8.4.2.

сток–исток, показанные тонкими линиями, и заисимость их общего сопротивления, показанная жирной линией, от напряжения, коммутируемого ключем.

Рассмотрим два режима работы ключа коммутации:

1. На управляющем входе EI = 1. На выходе первого управляющего инвертора 0, значит и верхний p–МОП транзистор T1 открыт, при этом на выходе второго инвертора 1, значит и нижний n–МОП транзистор T2 открыт. Следовательно в ключе открыты оба транзистора.

2. На управляющем входе EI = 0. На выходе первого управляющего инвертора 1, значит и верхний p–МОП транзистор T1 закрыт, при этом на выходе второго инвертора 0, значит и нижний n–МОП транзистор T2 закрыт. Следовательно в ключе оба транзистора закрыты.

Для ключа К176КТ1 характерны следующие параметры:

Rоткр. =500 Ом; tзд.р. = 10…25 нс.

При Rнагр. = 10 кОм, fсиг. = 10 кГц развязку между входом и выходом можно определить из: 20 дб ×( Uвых.откр. / Uвых.закр.) ³ 65 дб.

Сопротивление открытого ключа К561КТ3 еще меньше, чем ключа К176 КТ1, а именно Rоткр. = 80 Ом.