Транзисторные ключи

Ключевой элемент (ключ),

•Электронными ключами называют устройства, предназначенные для замыкания или размыкания электрических цепей под действием внешних управляющих сигналов.

•В зависимости от назначения ключевые схемы бывают: цифровые и аналоговые. Цифровые ключи используются в устройствах вычислительной техники, цифровой связи, дискретной автоматики. Аналоговые ключи используются в аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователях, в устройствах измерения и управления, в многоканальных коммутаторах.

•Различают статический режим работы ключа, когда он находится в закрытом или открытом состоянии, и динамический режим, соответствующий переключению из закрытого состояния в открытое и наоборот.

Последовательный ключ

•Коммутирующий элемент S включен последовательно с сопротивлением нагрузки RН. В замкнутом состоянии (ключ включен) напряжение на RH равняется напряжению питания.

•В разомкнутом состоянии один конец сопротивления нагрузки никуда не подключается и провод, идущий от RH к S, легко

воспринимает всевозможные помехи («наводки»).

Параллельный ключ

•RН подключается параллельно контактам коммутирующего элемента S. Когда S замкнут (ключ включен), Uвых=0, так как по цепи течет максимальный ток и все коммутируемое напряжение ЕП падает на вспомогательном сопротивлении R.

•Когда же ключ выключен, выходное напряжение

равно: Uвых=ЕП R Н/ (R-RП) — и приближается к ЕП при Rн > R .

•Падение части коммутируемого напряжения на вспомогательном сопротивлении является недостатком параллельного ключа.

Транзисторный ключ

•Транзисторный ключ, также как и обычный выключатель, может находиться в одном из двух состояний:

•разомкнутом (транзистор закрыт) или

•замкнутом (транзистор открыт).

•Управление ключом, т.е. его переключение, осуществляется входным сигналом.

•Ключи могут быть построены как на биполярных, так и на полевых транзисторах.

Ключ на биполярных транзисторах

Наибольшее распространение получили ключи, выполненные по схеме с общим эмиттером (ОЭ).

•В схеме применен биполярный транзистор VT1 структуры n–p–n.

•Нагрузка в виде резистора включена в коллекторную цепь.

•Управляющий сигнал подается в цепь базы через резистор , которым устанавливаются пределы изменения входного тока при заданных пределах изменения напряжения .

•В транзисторном ключе два его устойчивых состояния (разомкнутое и замкнутое) соответствуют пологим участкам передаточной характеристики, ограниченным точками А и В. На пологом участке (ограниченном точкой А и соответствующем малым входным напряжениям Uвх < U0 пор) ключ разомкнут, транзистор закрыт или находится в режиме отсечки, и на нем падает большое напряжение – напряжение логической единицы U1вых . При относительно большом входном напряжении Uвх > U1пор , соответствующем другому пологому участку, ограниченному точкой В, ключ замкнут, транзистор открыт и насыщен, выходное напряжение U0 вых мало. Участок передаточной характеристики между точками А и В соответствует работе транзистора в активном режиме.

•Основными параметрами статического режима являются: -пороговое напряжение нуля U0пор, соответствующее входному

напряжению, при котором БТ находится на границе между режимом отсечки и активным режимом;

-пороговое напряжение единицы U1пор , соответствующее входному напряжению, при котором БТ находится на границе между активным режимом и режимом насыщения;

-напряжение логического нуля U0вых, соответствующее минимальному выходному напряжению;

-напряжение логической единицы U1вых , соответствующее максимальному выходному напряжению.

Транзистор в ключевом режиме характеризуется двумя устойчивыми состояниями: режимом отсечки и режимом насыщения.

При Uвх = 0 режим отсечки транзистора обеспечивается отрицательным напряжением на базе UБЭ < 0, обусловленным наличием Uсм. При этом эмиттерный переход закрыт, ток базы IБ = -IКБ0 , в коллекторной цепи протекает небольшой обратный (тепловой) ток коллекторного перехода IКБ0. Этому состоянию соответствует точка 1 на рис. а. Напряжение на выходе ключа максимально и соответствует логической единице: Uвых = UИПэкв - RК IКБ0 ≈ UИПэкв.

Точка 2 на семействе выходных характеристик соответствует границе между активным режимом и режимом насыщения. Напряжение коллектор – эмиттер в этой точке определяется малым напряжением насыщения порядка 0,05…0,8 В и соответствует выходному напряжению логического нуля:

Динамический режим ключа на БТ

•Динамический режим ключа описывается параметрами быстродействия, которые определяются скоростью переходных процессов, возникающих в устройстве при подаче на вход прямоугольного импульса.

Различают следующие параметры быстродействия:

– время задержки tзд – интервал времени от момента подачи входного сигнала до момента, когда ток коллектора достигнет значения 0,1 IКнас, определяется длительностью заряда барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного переходов БТ, tзд часто называют временем задержки включения;

– длительность фронта tф –

интервал времени, в течение которого коллекторный ток нарастает от значения 0,1 IКнас до 0,9 IКнас, определяется скоростью накопления носителей в базе;

– время включения

где

СК – емкость коллекторного перехода; fh21э – предельная частота коэффициента передачи в схеме с ОЭ; S – коэффициент насыщения, величина которого обычно определяется из диапазона S=1,5…3. S=IБm/Iбнас > 1.

–длительность спада tсп – интервал времени, в течение которого ток коллектора уменьшается от уровня 0,9IКнас до уровня 0,1IКнас, определяется скоростью рассасывания неосновных носителей базы и коллектора;

–время рассасывания tрас – интервал времени между моментом подачи

на базу транзистора запирающего импульса до момента, когда ток коллектора уменьшается до 0,9IКнас, определяется скоростью рассасывания избыточных носителей базы, tрас часто называют временем задержки выключения;

- время выключения

где IБобр m – амплитуда обратного тока базы в момент подачи на базу запирающего импульса.

Ключи на МДП–транзисторах

•Большое распространение, особенно в микросхемотехнике, получили ключи на комплементарных (дополнительных) МДП–элементах.

•КМДП–элемент представляет собой составной ключ на МДП– транзисторе одного типа (предположим n–канальном) с дополнительным (комплементарным) МДП–транзистором другого типа (p–канальном).

•Пороговое напряжение обоих транзисторов порядка 1,5 В. Подложки транзисторов соединены с истоками, и так как VT1 имеет канал n–типа, то исток его соединен с минусом источника питания (общим проводом), а исток транзистора p–типа (VT2) соединён с плюсом источника питания.

При подаче на вход напряженияuвх U1 Eп

открывается n–канальный транзистор и выход ключа соединяется с общей шиной. VT2 при этом заперт, так как напряжение для него близко к нулю.