8. Электронные ключи

Часть II. Аналого-цифровые устройства

1.Электронные ключи

8.1. Назначение и принцип действия

Электронные ключи (ЭК) служат для переключения аналоговых или импульсных сигналов. Их принцип действия показан на рис. 8 .1 на примере механических переключателей. При замкнутом контакте последовательного ключа (рис. 8 .1, а) u_вых = u_вх. Когда контакт размыкается, u_вых = 0. В параллельном ключе (рис. 8 .1, б) при замкнутом контакте u_вых = 0, а при разомкнутом u_вых = u_вх, если входное сопротивлением R_вх бесконечно велико. Если же оно соизмеримо с сопротивлением R1, то на выход передается только часть входного сигнала. Переключающий ключ (рис. 8 .1, в) осуществляет передачу входного сигнала на вход последующего устройства или замыкает вход последующего устройства на общую шину. Примером механических переключателей являются тумблеры, галетные переключатели, реле.

.

Рис. 8.1. Схемы механических ключей:

последовательного (а), параллельного (б), переключающего (в)

Рис. 8.2. Эквивалентные схемы ЭК:

последовательного (а), параллельного (б), переключающего (в)

Механические переключатели имеют небольшое сопротивление во включенном состоянии R_кл ≈ 0,001 – 1 Ом и высокое сопротивление в выключенном состоянии R_клр > 10¹⁰ Ом. Во многих устройствах механические переключатели заменяются ЭК. Для этих целей могут использоваться диодные мосты, биполярные и полевые транзисторы. Достоинство ЭК состоит в их миниатюрности, быстродействии и значительно большем ресурсе вследствие отсутствия механически изнашиваемых деталей. Эквивалентные схемы ЭК показаны на рис.  8 .2. ЭК является одним из наиболее распространённых элементов импульсных и цифровых устройств. На их основе создаются цифровые микросхемы, мультивибраторы, коммутаторы, блокинг-генераторы и т.д.

ЭК имеют следующие недостатки:

1. Большое сопротивление ключа во включенном состоянии R_кл = 30 ‑ 500 Ом.

2. Взаимовлияние управляющего и коммутируемого сигнала.

3. Наличие паразитных емкостей снижает быстродействие ключа.

8.2. Общие сведения об импульсных устройствах и сигналах

Для импульсного режима работы электронного устройства характерны резкие изменения токов и напряжений. При этом в промежутках времени между этими изменениями токи и напряжения меняются сравнительно мало. Импульсный режим широко используется в устройствах как силовой, так и цифровой электроники. Преимущества импульсного режима:

1. Высокий КПД устройств силовой электроники.

2. Высокая помехоустойчивость цифровых сигналов.

3. Простота обработки цифровых сигналов.

Электрическим импульсом называют напряжение или ток, отличающийся от нуля в течение короткого промежутка времени. Параметры идеального импульсного сигнала показаны на рис. 8 .3, а параметры реального импульса и последовательности импульсов – на рис. 8 .4.

Рис. 8.3. Идеальные импульсы: U – амплитуда импульса; t_и – длительность импульса;

АВ – фронт, ВС – вершина, СD – задний фронт (срез); t_ф – длительность фронта;

t_c – длительность среза; t_х – длительность хвоста импульса; ΔU – спад вершины импульса;

U_обр- отрицательный выброс напряжения

Важными характеристиками импульсного режима являются: частота следования импульсов f = 1/ T, скважность импульсов Q = T / t_и и коэффициент заполнения K_з = 1/Q = t_и / T.

.

Рис. 8.4. Параметры импульсов: реального (а); последовательности импульсов (б):

t_п – длительность паузы, T – период следования импульсов