Билет №15. Вопрос №2.

Сегодня в различных радиотехнических устройствах и системах в целом, в том числе и в системах и устройствах защиты в частности применяют коммутаторы (прерыватели или переключатели) сигналов. Строится они могут на различной элементной базе - электромеханических реле, диодах, микросхемах, и конечно же, широкий класс таких устройст строят на транзисторах.

Схемы прерывателей бывают либо последовательного, либо параллельного типов, как это показано иа рис. 6.1, либо представляют собой комбинацию этих двух типов. Изобра­женная на рис. 6.1, а схема прерывателя параллельного типа работает как повторитель. Когда ключ S разомкнут, напря­жение, которое прямо пропорционально входному сигналу, поступает на нагрузку. При замкнутом ключе весь входной сигнал закорачивается иа землю. Если ключ периодически размыкается и замыкается, то появляющееся на нагрузке напряжение представляет собой прямоугольное колебание, амплитуда которого прямо пропорциональна входному сиг­налу. Показанную иа рис. 6.1,6 схему прерывателя последо­вательного типа можно также использовать для прерывания сигналов. В частности, такой прерыватель пригоден для теле­метрических или других систем, в которых необходимо перио­дически подключать источник сигнала, иапример датчик, к нагрузке.

а) б) Рисунок 6.1 Рисунок 6.2 - Параллельный ключ

Первоначально прерыватели были механического типа и строились на основе реле. На смеиу механическим прерывате­лям пришли переключатели на полупроводниковых приборах, хотя им и присущи определенные недостатки. Например, иа транзисторе сложно воссоздать почти идеальные характери­стики переключения реле (бесконечное сопротивление в ра­зомкнутом состоянии и инзкое сопротивление в замкнутом). Биполярным транзисторам свойственны и дополнительные не­достатки, а именно наличие остаточного напряжения н оста­точного тока. В случае же использования полевых транзисто­ров и, в частности, полевых транзисторов с изолированным затвором в схемах прерывателя существует недостаток, обу­словленный передачей части управляющего сигнала в комму­тируемый сигнал. Так, например, если выполненный на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, ключ или прерыватель, изображенный на рис. 6.2, находится в замкнутом состоянии, то напряжение цепи коллектор — эмиттер отлично от нуля. Это и есть оста­точное напряжение, которое накладывает серьезные ограничеиня на рабочие характеристики схем прерывателей на би­полярных транзисторах. Следующая за прерывателем схема не в состоянии отличить это остаточное напряжение от са­мого сигнала (в частности, если сигнал имеет приблизительно такую же амплитуду, что и остаточное напряжение). В выключенном состоянии транзистор не представляет со­бой идеальную разомкнутую цепь, а функционирует как источник тона. Этот остаточный ток

может привести к появлеиию напряжения на нагрузке, которое в свою очередь снова маскирует сигналы сравнимых уровней.

Рисунок 6.3 Рисунок 6.4 Рисунок 6.5

Наиболее распространенный способ борьбы с этим недо­статком заключается в том, что вместо схемы с общим эмит­тером используется схема с общим коллектором. На рис. 6 3 показан вариант схемы последовательного преры­вателя с общим коллектором. Более совершенная схема пре­рывателя на биполярных транзисторах показана иа рис. 6 4, а. Во включенном состоянии остаточные напряжения каж­дого транзистора имеют противоположную полярность и, сле­довательно, происходит их взаимная компенсация, а в вы­ключенном состоянии противоположную полярность имеют остаточные токи. На рнс. 6.5 приведена другая разновидность схемы после- довательно-параллельного прерывателя, позволяющая умень шить влияние остаточного напряжения и тока. Коммутирую­щий сигнал формируется таким образом, что если последова­тельный транзистор находится во включенном состоянии, то параллельный транзистор — в выключенном состоянии и на­оборот. При надлежащем согласовании этих транзисторов напряжение на сопротивлении (за исключением напряже­ния сигнала) остается постоянным, а емкостная связь при­водит к тому, что в выходном сигнале отсутствует остаточное напряжение. Существенным достоинством полевых транзисторов является отсутствие (на порядок меньше) в них внутреннего остаточного напряжения, свойст­венного биполярным транзисторам. Любой тип полевого транзистора характеризуется исклю­чительно высоким отношением сопротивлений канала за­твор — исток соответственно в выключенном и включенном состоянии. Для включенного транзистора это сопротивление может составлять десятые ом, что в свою очередь приводит к весьма малому падению напряжения на канале (т. е. очень низкое значение остаточного напряжения). Сопротивление выключенного состояния достигает нескольких тысяч мегаом, что обусловливает протекание очень маленького остаточ­ного тока.

Далее, чрезвычайно высокое входное полное сопротивле­ние затвора полевых транзисторов по постоянному току — также существенное нх достоинство, поскольку для управле­ния требуется сигнал малой мощности.

Основ­ное ограничение на параметры ключей и прерывателей на полевых транзисторах накладывают емкости затвор — сток и затвор — исток. Через эти емкости в коммутируемый сигнал попадает часть управляющего сигнала с затвора. Особенно сказываются эти емкости при высокочастотных сигналах и накладывают ограничения на их временные характеристики (большие емкости и сопротивления нагрузок могут увеличить постоянную времени (время переключения) коммутатора).

Полевые транзисторы можио использовать в трех классических структурах прерывателей как и биполярные транзисторы. Однако, здесь стоит учитывать, что на работу всех схем прерывателей на полевых транзисто­рах в значительной степени ока­зывают влияние сопротивления источника сигнала и нагрузки. Из практических экспериментов можно сделать вывод.

1. В тех случаях, когда сопротивление Rs меньше сопро­тивления сток — исток полевого транзистора с изолирован­ным затвором, необходимо использовать только последова­тельные или последовательно-параллельные схемы.

2. Как правило, сопротивление Rн должно быть высоко­омным. Так или иначе сопротивление Rн должно быть гораздо больше сопротивления сток — исток.

3. Номинал сопротивления Rн всегда должен быть боль­ше, чем у сопротивления Rs.

4. Рабочие характеристики последовательно-параллельной схемы такие же или лучше, чем у отдельно взятого последо­вательного или параллельного прерывателя, при любом со­четании значений сопротивлений Rs и Rн

Помимо этих ограничений, существует также ограни­чение на минимальное значение входного напряжения. Это свизано с передачей скачков из управляющей цепи в выход­ной канал (вследствии сквозной передачи). Такая сквозная передача обусловлена наличием емкостей полевого транзи­стора, как было указано ранее. При входных воздействиях с напряжениями ниже 10 мВ обусловленные сквозной пере­дачей выбросы оказывают существенное влияние на форму выходного сигнала (особенно в диапазоне высоких частот). Для минимизации этих паразитных выбросов существуют различные схемные модификации. Первое, управляющим сиг­налом (импульсный генератор), поступающим на затвор по­левого транзистора, может быть сигнал скругленной формы или даже синусоидальный. Далее, для фильтрации этих вы­бросов на выход схемы можно подключить конденсатор. На­конец, если допускается на выходе схемы сигнал фиксирован­ной амплитуды, то к выходу такой схемы можно подсоединить ограничивающую схему.