Вопрос 38: Диодные ключи. Назначение, параметры. Схемы ключа, переходные процессы.

Электронные ключи (ЭК)

Начало см. практика №6.

Принцип работы диодного ключа:

Диод открыт, если к нему в точках а и b приложено напряжение, т.е. U_вх >> U в точке b, созданное дополнительным источником E_{смещения}. Т.к. в импульсных цепях входное напряжение меняется быстро, то анализ такой ключевой цепи ведется с учетом динамических характеристик диода. Статистическая ВАХ имеет 2 ярко выраженные ветви – прямая (U_пр >0, I_пр >0) и обратную (U_пр < 0). Переходные про­цессы в диодных ключах поясняется следующим образом: если диод подключить к источнику сигналов с внутренним сопротивлением r_u:

При подключении максимальный ток будет I_пр = (I_m1 – I_pn) / (R_и + R_д) = [R_д пренебречь] = I_m1 / R_и.

I_пр

t

U_бэ t_{рассасывания} (неосновных носителей) = 3÷5τ_б (τ_б – время жизни

неосновных носителей)

U_бэ U_pn i_пр R_б

В момент t = t₀ напряжение на диоде измениться скачком, что обуславливается U_pn и паде­ние напряжения на r_б и r_э. Т.к. r_б >> r_э, то R_{пр max} = U_бэ / I_пр ≈ R_{б в начальный момент}. Это значение – импульсное сопротивление диода. Далее устанавливается значение.

Под действием отпирающего импульса тока дырки диффундируют в сторону контакта. U_бэ уменьшается до некоторого значения. Заряд избыточных носителей в базе увеличивается, r_б уменьшается, т.е. через t₁ = 3τ_б напряжение достигает установившегося значения. Со­противление диода становится равным статическому. Если в момент t = t₁ отключить диод от источника U_m, то ток уменьшиться скачком (но не до 0). На диоде останется напряже­ние U_pn, заряд будет исчезать по экспоненте.

Если же отключить диод в момент t = t₁, мгновенно переключить на источник U_m2, имею­щий противоположную полярность, то его запирание тоже не мгновенно, а через опреде­ленный момент времени, называемый время восстановления. В итоге, I_{обр max} будет равен U_m2 / R_{источника}, т.е. I_обр может быть весьма значительный. Т.о., при отпирании и запирании диодного ключа напряжение и ток в цепи устанавливаются не мгновенно, а в течение не­которых промежутков времени, которые зависят от параметров диода и режима работы (какие токи пропускаются).

Вопрос 39: Транзисторные ключи. Характеристики, принципы работы. Ненасыщенные ключи.

Транзисторные ключи

Транзистор может работать в нескольких режимах:

• Отсечка

• Насыщение

• Прямой инверсный активный режим

Два статических состояния:

1. разомкнутое (режим отсечки)

2. замкнутое (режим насыщения или близкое к насыщению)

В процессе переключения прямой инверсный активный режим.

Поведение ключа определяется характеристиками:

а) Режим отсечки характеризуется обратным смещением эмиттерного и базового пере­хода. Минимальный ток и максимальное напряжение – режим отсечки (стационарное ра­зомкнутое состояние).

R_вых = U_кэ0 / I_кб0 (не менее 100 кОм)

U_кэ0 = Е_пит – i_k R_k (по Кирхгофу). Т.к. i_k R_k – очень мало, т.о. U_кэ0 ≈ Е_пит

Чем больше R_к, то тем больше постоянное переключение. Поэтому R_k приблизительно 1 кОм, т.е. как можно меньше. R_вых || R_к → R_вых ≈ R_к.

б) Режим насыщения при прямом смещении обоих переходов транзистора, падение на­пряжения не превышает нескольких мВ. R_насыщ = U_{кэ насыщ} / I_{к насыщ} (около 50 Ом).

Каждая точка линии насыщения соответствует некоторое граничное значение тока базы (i_б = i_{б насыщ}).

При насыщении нарушаются обычные соотношения. Критерием насыщения будет слу­жить нарушение соотношения:

I_б > I_k / h_21э = I_{б насыщ} – это критерий насыщения.

Для количественной оценки глубины насыщения применяют параметр степень насыщения N = (I_б – I_{б насыщ}) / I_{б насыщ} = (h_21э I_б – I_{к насыщ}) / I_{к насыщ} > 1.

Коэффициент насыщения S = I_б / I_{б насыщ} > 1. При изменении t U_кэ и U_эб изменяются, но их разность почти неизменна. Поэтому ТКН (температурный коэффициент напряжения) около 0.15 мВ на 1 градус Цельсия. Начиная от значений N = 3 и выше межэлектродное напряжение уже не зависит от базо­вого тока. Важное преимущество такого ключа – независимость тока I_к от температуры. Т.о., ключ можно описать следующими параметрами:

Входные параметры:

• Входной ток закрытого транзистора – I_{вх отсечки} (0 или около 0).

• Напряжение запирания ключа (U_{управления}) – необходимо для надежного запирания ключа.

• Входное сопротивление открывания (напряжение открывания)

Выходные параметры:

• Выходное сопротивление (оно равно R_к при закрытом ключе и R_{насыщения} при открытом ключе)

• I_{к насыщения} – максимальный ток открытого ключа

• U_кэ на закрытом ключе

• Коэффициент использования напряжения: k_E = (U_{кэ запирания} – U_{кэ насыщения}) / Е_пит (нужно стремится к 1)

Процесс отпирания ключа осуществляется в 3 этапа:

• Задержка

• Формирование фронта

• Накопление избыточного заряда в базе

Задержка обусловлена перезарядом барьерных емкостей С_э и С_к. Когда сигнал Е_{управления} скачком принимает отрицательное напряжение, транзистор остается некоторое время замкнутым, т.е. на конденсаторе скачком напряжение не изменяется. Через R_б начинает течь ток перезарядки входной емкости. Время задержки будет пропорционально τ_вх = R_б (С_э + С_к ). Если С_э + С_к = 40 пФ, перепад по напряжению 2 В, R_б = 2 кОм, то время за­держки приблизительно 4 нс. Положительный фронт образовывается при открывании, а отрицательный – при запира­нии. Когда возникает перепад тока I_б, достаточного для насыщения транзистора, что I_к сначала экспоненциально возрастает, стремясь к установившемуся значению, при достижении значения I_{к насыщения} заканчивает свое формирование.

t_{фронта1} = τ_а ln (I_б1 / I_б1 –( I_{к насыщения} / h_21э)).

τ_а = 2 мкс, h_21э = 50, I_б1 = 1 мА, I_{к насыщения} = 5 мА → t_{фронта1} = 0.2 мкс.

Для уменьшения t_фронта нужно уменьшить τ_а (т.е. время жизни неосновных носителей в ак­тивном режиме). Начиная с t = t_{фронта1} токи эмиттера, базы и коллектора остаются постоянными. Процесс заканчивается через t = 2÷3 τ_н. При запирании ключа –скачок тока от –Е_б до +Е_б. Отток зарядов из базы. Здесь 2 этапа – рассасывание избыточного заряда и формирование отри­цательного фронта. Ток коллектора не меняется, а ток эмиттера меняется скачком, затем некоторое время не меняется.

τ_{рассасывания} = (τ_н*Т* I_{к насыщения}) / h_21э∆ I_б

Увеличив запирающий сигнал, уменьшив N; большие базовые токи выгодны для умень­шения заднего фронта, но не для переднего, т.к. большие базовые токи увеличивают пе­редний фронт. После рассасывания транзистор переходит в активный режим (коллекторный и эмиттер­ный переход смещаются в обратном направлении), транзистор работает в режиме отсечки токов.

t_{фронта2} = τ_а ln {[(I_{б насыщения} / h_21э) – I_б] / –I_б}

Если возрастает ток базы, открывается транзистор, то уменьшается длительность положи­тельного фронта, но транзистор попадает в область глубокого насыщения. Удовлетворить эти противоречивые требования можно, организовав цепи управления сле­дующим образом:

Конденсатор позволяет увеличить базовый ток, но на короткий промежуток времени, а статические токи не изменяются. Отсечки быстро уменьшаются до 0, при этом не успевает разрядиться конденсатор. Чтобы устранить динамический эффект, используют диодную фиксацию фазового сигнала, т.е. при U_{запирания} на базе, и конденсатор через внутреннее со­противление r_и и прямое сопротивление диода быстро разрядиться (определяемое U_эб).

Тема №4.2: Ненасыщенные ключи

Задержка отрицательного фронта, связанная с рассасыванием избыточных носителей, ог­раничивает быстродействие импульсных схем. Если нужно получить максимально воз­можное быстродействие, то транзистор не вводят в режим глубокого насыщения, а его ра­бочая точка лежит на границе области насыщения. Чтобы предотвратить насыщение, в схемы вводят нелинейную ОС.

Основной смысл – фиксирование потенциала коллектора относительно базы так, чтобы этот потенциал всегда оставался отрицательным. Если диод идеален, то он открывается при близком к 0 U_пр, и источник смещения был бы не нужен (при U_пр = 0.3 В). При открывании транзистора диод будет закрыт до момента, пока потенциал его коллек­тора не станет равным потенциалу отпирания диода. Как только диод откроется, прира­щение идет в цепь базы и замыкается через источник Е_{управления}. Это уменьшает базовый ток в (1+h₂₁) раз, избыточный заряд базы будет много меньше, чем у насыщенного ключа. Если подать на вход запирающий импульс, то он полностью пойдет в базу, так как сопро­тивление участка база – эмиттер меньше сопротивление участка диода, коллектора и базы. Приращение коллекторного тока будет сначала чрез открытый диод пойдет в базу. Этот эффект лишь при быстродействующих высокочастотных диодах, у которых мало время восстановления. Поэтому применяют диоды Шоттки (t_{восстановления} = 0.1 нс), низкое U_{отпирания} = 0.2 В, малое прямое сопротивление (10 Ом), нет необходимости в дополни­тельном источнике.

Н едостатки: большее падение напряжения на закрытом ключе, входное сопротивление стало больше, значит, наводки могут переключать в другое со­стояние (плохая помехоустойчивость), плохая температурная стабильность. Преимущество: высокое быстродействие.