3. Транзисторные прерыватели

Транзисторные прерыватели, которые часто называют модулятора ми, широко используют для точного преобразования сравнительно ма^: лых постоянных напряжений (токов) в переменные. Транзисторы в пре­рывателях работают в ключевом режиме, но роль источника напряже ния Е^ выполняет источник преобразуемого сигнала. Значение этого напряжения может быть достаточно мало — десятки милливольт и менее.

П

Рис. 7.6. Схема транзисторного прерывате­ля (а) и его выходные характеристики (б) при нормальном включении транзистора

усть ключ, изображенный на рис. 7.6, а, заперт по цепи базы уп­равляющим напряжением + е_у. Тогда при всех значениях напряже­ния, при которых |Укэ I <^у» в выходной цепи будет протекать ток, близкий к /кбо, и характеристика /к (t/кэ) идет почти горизонтально (рис. 7.6, б). Назовем линию, по которой перемещается точ­ка а, линией запирания.

Пусть теперь в цепи базы задан положительный ток /б = /в = const, причем тран­зистор находится в состоянии насыщения. Выходное напря­жение очень мало и характе­ристика /к (^кэ) идет почти вертикально. Назовем эту линию линией отпирания.

В идеальном прерывателе линия отпирания и запира­ния совпадают с осями коор­

динат. В транзисторном ключе эти линии имеют небольшой наклон, а их точка пересечения не совпадает с началом координат. В итоге при конечном сигнале U_BX1 получается нулевое напряжение на вы­ходе и при нулевом сигнале (7_ВХ2 = 0 — соответственно конечное вы­ходное напряжение*).

Таким образом, транзисторному прерывателю свойственны два вида погрешностей: погрешность сдвига и погрешность наклона. Вли­яние этих погрешностей уменьшается по мере увеличения входного сигнала. Если |^_Вх1^>^вхь то общая погрешность невелика и, как вид­но из выходных характеристик, имеет разный знак в зависимости от полярности входного сигнала.

Для количественной оценки погрешностей необходимо знать коор­динаты точки о и дифференциальные сопротивления обеих характерио- тик. Считая, что наклон линии запирания соответствует некоторому ео- противлению R₃ (которое учитывает ток утечки, токи термоген ер ации в переходе и т. д.), получим ток в точке а:

/кБо + (в_у//?з).

Напряжения в точке с можно определить из приближенного урав­нения

I ^_с1«фг/Л₂1_Э/. '

Наклон линии запирания, как правило, весьма мал. Он характери­зуется сопротивлением R₃, имеющим значение не менее 1 мОм. Нак­лон линии отпирания определяется сопротивлением насыщенного транзистора R_BaC, которое у маломощных транзисторов не превышает нескольких десятков ом.

При этом необходимо обратить внимание на завивимости /_с, U_ft R₃ ^и ^нас от температуры, что может вызвать температурный дрейф выходного сигнала.

Для улучшения характеристик транзисторного прерывателя часто применяют инверсное включение транзистора (рио. 7.7, а). Оно по «рав­нению о нормальным включением обеспечивает меньшие токи /₀ и на-

Рис. 7.7. Схема транзисторного прерывателя (а) и его выходные характеристики (б) при инверсном включении транзистора; схема компенсированного ключа (в)

^пряжение U_o. При инверсном включении ток /_е — это ток эмиттера ^при запертых р-п-переходах, когда на базу подано положительное на­пряжение е_у, а |Уэк| < е_у (рио. 7.7, б).

В § 7.2 было показано, что в запертом соотоянии при глубокой от­сечке ток эмиттера /_э ^ /₀ ^ 0- Более точно его значение можно оце­нить, используя выражение

/₀«—^-/_КБ0—^-. (7.10)

Напряжение в точке о

(7.11)

Так как h^^h^i^ то напряжение U_c при инверсном включении транзистора получается по крайней мере на порядок меньше, чем при нормальном включении.

В выражении (7.11) не учитывалось падение напряжения при про­хождении управляющего тока базы через сопротивления соответствую­щих слоев: эмиттера (при нормальном включении) и коллектора (при инверсном), при учете которого для напряжения V_z имеем;

"213

где г^ и Гк — соответственно сопротивления областей эмиттера и кол­лектора.

Так как эмиттер обычно выполняют низкоомным (4 ^ 0,5 Ом), эта поправка для нормального включения несущее!венна. В то же вре­мя при инверсном включении (г* » 10 Ом) она является основной со­ставляющей остаточного напряжения, в результате чего при инверс­ном включении U_c иногда оказывается даже больше, чем для нормаль­ного.

Так как с увеличением тока /б напряжение U_c растет, а в обла­сти малых токов, как уже говорилось выше, из-за выхода транзистора из области насыщения U_c тоже возрастает, существует оптимальное значение управляющего тока базы

, ~ 1 / ^‘^с

(Лад+1);'

для нормального включения и соответственно

. . / ФЛ

/Bopt « |/ ₍Л_{81в +} 1_к'

для инверсного включения.

/б opt находится в пределах нескольких миллиампер и имеет мень­шее значение для инверсного включения.

Следует отметить, что температурная стабильность точки С, иг­рающая основную роль при преобразовании малых сигналов, достаточ­но высока. Так, в инверсном включении при оптимальных токах базы TKU ее порядка нескольких микровольт на градус. Подбором элемен­тов прерывателя и режима работы можно добиться, чтобы в температур­ном диапазоне от 4- 80 до — 50° С температурный дрейф не превышал 130—200 мкВ.

Временной дрейф напряжения U_e обычно оценивают эксперимен­тально. Он зависит от индивидуальных характеристик транзисторов и изменяется в процессе их работы. Наиболее значительный дрейф на­блюдается в течение первого часа после включения и может составить несколько милливольт. При их дальнейшей работе дрейф несколько

уменьшается и находится в предалах нескольких десятков — несколь­ких сотен микровольт на час.

Погрешность прерывателей может быть существенно уменьшена (в 5—10 раз и больше) при использовании балансных схем, которые в различных модификациях называют компенсированными ключами. Одна из возможных схем компенсированного ключа показана на рис. 7.7, в.

В закрытом состоянии ключа токи эмиттеров транзисторов Т_г и T_t направлены в разные стороны вне зависимости от полярности входного напряжения. Если /_с обоих транзисторов равны, то результирующий ток через источник сигнала U_BI будет равен нулю. Так как остаточное напряжение, как это видно из положения линии отпирания (рис. 7.7, б), не зависит от направления тока, протекающего через транзистор, то при идеальном подборе остаточные напряжения U_c обоих транзисто­ров взаимно компенсируют друг друга.

Переходные процессы в прерывателях аналогичны переходным процессам в ТК, которые будут рассмотрены в следующем параграфе-