цифровые устройства / лекции / 05_ЦУ_Электронные ключи_2026
.pdf
Задания для самопроверки
1.Запишите полный и упрощенный вид уравнения заряда. Поясните физический смысл его составляющих. Запишите решение уравнения заряда.
2.Нарисуйте диаграммы, поясняющие процессы, протекающие в ключе на биполярном транзисторе.
3.Перечислите этапы переключения ключа на биполярном транзисторе. Опишите процессы, протекающие в транзисторе. Каков режим работы транзистора на каждом этапе переключения?
4.Как повысить быстродействие ключа на биполярном транзисторе?
5.В чем заключается противоречие ключа на биполярном транзисторе? Каковы пути его решения?
6.Приведите схему ключа с форсирующим конденсатором. С помощью диаграмм поясните его принцип действия.
7.Что такое транзистор Шоттки? Приведите его схему, поясните принцип действия.
Все задания выполнять без обращения к конспекту лекций и другим источникам!
31
Электронные ключи Ключевой режим работы полевых транзисторов
Ключи на полевых транзисторах, как и на биполярных, могут быть использованы для коммутации источника однополярного (ключи постоянного тока) или разнополярного (ключи переменного тока) напряжения.
В сравнении с ключами на биполярных транзисторах ключи на полевых транзисторах имеют ряд преимуществ:
−входной ток ничтожно мал, => нет потребления статической мощности по управлению;
−быстрое включение и выключение, т.к. отсутствуют процессы накопления и рассасывания избыточного заряда;
−повышенная термоустойчивость (термостабильность), т.к. с ростом температуры ток стока уменьшается.
Остаточное напряжение во включенном состоянии больше, чем у биполярных транзисторов, поскольку сопротивление канала Rси больше аналогичного Rкэ биполярного транзистора.
Быстродействие ключей на полевых транзисторах почти не хуже, чем у биполярных транзисторов. Но у них наблюдается проникновение в коммутируемую цепь дополнительных импульсов, параметры которых зависят от управляющего сигнала. Причиной их появления являются емкости транзистора Cзс и Сзи.
Переходные процессы в ключах на полевых транзисторах обусловлены переносом
носителей через канал и перезарядом межэлектродных емкостей, емкостей нагрузки и
монтажа.
32
Ключ на полевом транзисторе (MOSFET)
КП707В2 |
Назначение элементов: |
|
Eс – источник питания; |
||
(BUZ 90) |
||
Rс = Rн – нагрузка; |
||
|
||
|
VT – ключевой элемент; |
|
|
Uвх – входной управляющий сигнал; |
|
|
Uвх, Rз – задают ток заряда и разряда Cзи. |
Схема ключа МОП-транзисторе с резистивной нагрузкой
Особенность – в статическом состоянии по цепи управления (по затвору) ток не потребляется!
Выходное напряжение Uси отк (в открытом состоянии – остаточное напряжение) зависит о сопротивления нагрузки Rc = Rн и при больших Rн может быть меньше, чем биполярных транзисторов.
ВАХ МОП-транзистора с индуцированным каналом с
нагрузочной линией
33
КП707В2
(BUZ 90)
Схема ключа МОП-транзисторе с резистивной нагрузкой
При Uвх=0 транзистор заперт (ключ выключен),
сопротивление канала велико, => Ic= 0 и Uси Ec.
Включение ключа осуществляется подачей напряжения отпирающей полярности на затвор величиной
Uвх>Uзи отс.
При этом сопротивление канала Rси уменьшается.
Тенденция: чем больше Uзи = Uвх, тем меньше Rси и тем больше ток Ic.
Однако должно быть:
Uвх m < Uзи max,
т.е. амплитуда входного напряжения не должна превышать предельного (максимального) Uзи max, указываемого в справочнике или datasheet.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Напряжение отсечки Uзи отс также |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
называют пороговым напряжением |
Ток ключа определяется: |
|
|
|
Uпор, а в зарубежной литературе |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
обозначают Vth или Uth (Gate |
|
|
|
|
Ec |
|
|
|
|
Ec |
Threshold Voltage). |
|
|
|
|
|
|
. |
||||
I |
c |
= |
|
= |
R R |
|||||
|
|
|
||||||||
|
|
Rc |
+Rcи |
|
c |
cи |
|
Rc |
||
|
|
|
|
|
|
|
||||
ВАХ МОП-транзистора с |
34 |
|
индуцированным каналом |
||
|
КП707В2
(BUZ 90)
Схема ключа МОП-транзисторе с резистивной нагрузкой
Выключение.
Запирание транзистора может осуществляться как
подачей Uвх<Uзи отс, так и в некоторых случаях допускается подача отрицательного для данного
типа транзистора напряжения Uзи.
Для запирания ключей, выполненных на полевых транзисторах с управляющим переходом и с
технологически встроенным каналом, к их затворам
нужно приложить запирающее напряжение:
|
|
Uзап Uзи отс |
+ (1 3)В . |
Рассмотрим динамику работы ключа на примере цифрового ключа на МОП-транзисторе.
В схему добавим емкость нагрузки, моделирующая емкость
устройств, подключенных к транзисторному ключу.
Как видно из диаграмм напряжение Uси меняется не
мгновенно, а в течение некоторого времени.
Затягивание включения и выключения ключа обусловлено влиянием паразитных емкостей Cн и емкостей транзистора.
На рисунке масштаб на этапах включения и выключения транзистора для удобства увеличен.
35
Работа полевого транзистора в ключевом режиме (факультативно)
В ключевом режиме работы полевого транзистора основной целью является его переключение между состояниями с наибольшим и наименьшим сопротивлением за минимально возможное время. Как и биполярные транзисторы, MOSFET содержат в себе три паразитные емкости, включенные между выводами прибора. Возможности быстрого переключения полевого транзистора зависят от того, как быстро эти емкости могут перезаряжаться.
Схема включения паразитных емкостей
полевого транзистора
В устройствах с высокими скоростями переключения наиболее важными параметрами полевого транзистора являются характеристики этих паразитных конденсаторов. В документации на транзистор, т.е. в даташите, обычно значение этих емкостей не указываются. Зато указывают другие:
Input Capacitance – Ciss (Входная емкость) Ciss= Сзи + Cзс Output Capacitance – Coss (Выходная емкость) Coss = Сис + Cзс
Reverse Transfer Capacitance – Crss (Емкость обратной передачи)
Из них можно получить:
Сзс = Crss
Сзи = Ciss – Crss = Ciss – Cзс Сис = Coss – Crss = Coss – Cзс
Немаловажным параметром также является внутреннее сопротивление вывода затвора Rзвн. Это паразитное сопротивление включено последовательно с входным сигналом и находится внутри корпуса, и при высоких скоростях переключения имеет влияние, поскольку расположено оно между внешним драйвером (схема управления транзистором) и входной емкостью транзистора и, следовательно, прямо влияет на скорость переключения. К сожалению, не указывается в документации на транзисторы.
Еще одним важным параметром является порог открывания транзистора Vth (Gate Threshold Voltage). Его значения даются для тока исток/сток 250 мкА при температуре 250С. Поскольку силовые полевые транзисторы обычно работают при повышенных температурах, при разработке схем управления необходимо учитывать наименьшее значение Vth для гарантированного выключения транзистора и его 36 способности оставаться в этом состоянии при резких изменениях напряжения.
Работа полевого транзистора в ключевом режиме (факультативно)
|
|
|
Включение |
1 2 |
3 |
4 |
Процесс включения состоит из 4-х этапов. |
На первом заряжается входная емкость транзистора от 0В до Vth. В течение этого времени большая часть затворного тока Iз идет на заряд конденсатора Cзи, и небольшой ток течет через конденсатор Cзс (напряжение на затворе увеличивается и напряжение на Cзс слегка уменьшается). На этом этапе происходит задержка включения (turn-on delay time), поскольку не изменяется ни ток исток/сток (Id) через транзистор, ни напряжение на нем (Vси). Как только напряжение на затворе достигает
t порогового уровня Vth, транзистор начинает проводить ток.
На втором этапе входное напряжение (Vзи) возрастает от Vth до уровня напряжения, вызванного эффектом Миллера Vmiller.
Это напряжение можно рассчитать по формуле:
Vmiller = Vth + Id/gfs,
где gfs – крутизна, Id – максимальный ток через полевой транзистор в линейном режиме. Эти параметры обычно можно найти в даташите.
tВторой этап – это линейный режим работы транзистора, когда выходной ток Id прямо пропорционален входному напряжению Vзи. На стороне затвора, как и на первом этапе, ток Iз течет через Cзи и Cзс. Через транзистор начинает протекать ток Id, но напряжение на стоке (Vси) остается
фактически неизменным. Транзистор еще не способен пропустить ток Id, достаточный для снижения напряжения, напряжение на стоке зафиксировано на уровне входного напряжения.
t
t
37
Диаграммы включения полевого транзистора
Работа полевого транзистора в ключевом режиме (факультативно)
1 |
2 |
3 |
4 |
t
t
t
Третий этап начинается, когда напряжение на затворе достигает величины Vmiller, достаточной для начала прохождения тока через транзистор. Напряжение на стоке начинает падать, напряжение на затворе остается постоянным. Весь ток, на который способен драйвер, идет на перезаряд емкости Cзс для обеспечения максимально быстрого изменения напряжения сток-исток. Ток через транзистор теперь остается постоянным и ограничен величиной Id.
Четвертый этап процесса включения полевого транзистора - максимальное уменьшение сопротивления канала из-за дальнейшего увеличения напряжения на затворе. Напряжение на затворе увеличивается от Vmiller до своего
максимального значения Vдрайв, и весь входной ток Iз идет на дальнейший заряд Cзи и перезаряд Cзс. Выходной ток Id при этом остается неизменным, а
напряжение сток-исток (Vси) еще немного уменьшается, поскольку уменьшается t сопротивление канала.
38
Диаграммы включения полевого транзистора
Работа полевого транзистора в ключевом режиме (факультативно)
|
|
|
Выключение |
1 |
2 |
3 4 |
Выключение полевого транзистора – это те же четыре этапа только наоборот. Перед |
|
|
|
выключением транзистор пропускает через себя весь ток нагрузки и напряжение на нем |
определяется падением от тока нагрузки на сопротивлении открытого канала RDS(on).
Первый этап, известный как задержка выключения (Turn-Off Delay Time), характеризуется разрядом входной емкости транзистора Ciss с начального уровня до уровня напряжения Vmiller. Ток драйвера протекает через паразитные емкости Cзи и Cзс. Ток через транзистор остается неизменным, а напряжение сток-исток слегка увеличивается (увеличивается сопротивление
tоткрытого канала).
На втором этапе напряжение сток-исток транзистора увеличивается до максимального значения, т.е. до уровня напряжения на нагрузке, включенной через ключ полевого транзистора. Весь ток
драйвера идет на перезаряд конденсатора Cзс, поскольку напряжение на затворе остается постоянным, а напряжение на стоке возрастает.
Третий этап. Напряжение на затворе падает от Vmiller до, Vth и основной ток драйвера идет на разряд емкости Cзи, поскольку Cзс практически полностью перезарядился в течении предыдущего
этапа. Транзистор находится в линейном режиме, и уменьшение напряжения на затворе приводит
tк уменьшению тока исток/сток, который падает практически до нуля в конце этого периода. Напряжение на стоке транзистора остается неизменным.
На последнем четвертом этапе напряжение и ток через транзистор неизменны. Входная емкость транзистора (в основном образованная конденсатором Cзи) продолжает разряжаться до нуля.
t
t
39
Диаграммы выключения полевого транзистора
Работа полевого транзистора в ключевом режиме
Особенности
Семейство выходных вольт-амперных характеристик полевого транзистора
На выходных вольтамперных характеристиках выделяют линейную область и область насыщения.
Влинейной области при напряжениях UDS близких к нулю характеристики почти линейны и соотношение токов и напряжений подобно омическому сопротивлению.
Вобласти насыщения увеличение UDS не приводит возрастанию тока стока ID.
Семейство передаточных (стоко-затворных) вольт-амперных характеристик
Область отсечки наблюдается при UGS < Uth.
40