Проектирование импульсных устройств радиотехнических систем. В 2 частях. Ч.1. Учебное пособие

3.5. Последовательные диодные ограничители со стабилитроном

UВх(t)

UВых(t)

Рис. 102. Временные диаграммы входного Uвх(t) и выходного Uвых(t) напряжений схемы фиксатора вершин входных импульсов к нулевому уровню напряжения

C

RГ +

R VD

+ Есм

Рис. 103. Электрическая схема фиксатора вершин входных прямоугольных импульсов к напряжению – Есм

Если изменить полярность диода, то меняется направление смещения входного напряжения. На рис. 105 и 106 приведены электрическая принципиальная схема и временные диаграммы Uвх(t) и Uвых(t) фиксатора нижнего уровня входных импульсов к уровню – Есм.

111

Рис. 104. Временные диаграммы входного и выходного напряжений фиксатора уровня, схема которого приведена на рис. 103

C

RГ +

R VD

+ Есм

Рис. 105. Электрическая схема фиксатора нижнего уровня входных импульсов к уровню напряжения – Есм

На временном интервале 0 < t < t1 диод заперт и входные импульсы смещаются в область положительных напряжений на величину UA – | Ecм |. При t1 < t < t2 диод открыт и Uвых = – Есм.

112

Фиксаторы уровня широко используются в схемах формирования и обработки сигналов, в частности, в аналоговом телевидении для фиксации уровня «черного» TV сигнала.

113

4. Электронные ключи

Различают диодные и транзисторные ключи [3]. Для построения диодных ключей используются в основном импульсные полупроводниковые диоды.

Схема диодного ключа приведена на рис. 108. Эта схема может быть

+EC

R

VD

Рис. 108. Электрическая схема диодного ключа

Рис. 109. Эквивалентная электрическая схема диодного ключа

Подадим на вход управляющий сигнал с уровнями Е0 и Е1. Диод в схеме в зависимости от соотношения управляющих уровней Е0, Е1 и напряжения смещения ЕЭ может быть заперт или разомкнут.

115

4. Электронные ключи

При воздействии низкого входного напряжения Е0 диод открыт, так как E0 < EЭ. Сопротивление диода Rпр << RЭ и на выходе схемы установится Uвых = Е0.

Если же на выходе действует высокий уровень управляющего напряжения Е1, в зависимости от его соотношения с напряжением EЭ, то возможны два режима.

Режим 1. Е1 < Еэ.

Диод открыт и Uвых ≈ Е1, так как RЭ >> Rпр. Режим 2. Е1 Еэ.

Диод – заперт, Rобр гораздо больше Rэ, Uвых = ЕЭ + Iдо RЭ, где Iдо – тепловой ток диода. Выходное напряжение зависит от температуры.

Для ослабления этой температурной зависимости следует выбирать RЭ таким образом, чтобы выполнялось неравенство Iдо RЭ << ЕЭ, т.е. RЭ << ЕЭ / Iдо. Поскольку, с другой стороны, необходимо потребовать, чтобы RЭ >> Rпр, то ослабить противоречивые требования к RЭ можно лишь путем выбора диода с малым тепловым током Iдо.

Таким образом для диодного ключа нижний уровень Uвых неизменен и равен Е0, а верхний уровень при пренебрежимо малой температурной зависимости равен либо Е1, либо ЕЭ, в зависимости от соотношения между ними.

Переходный процесс в диодном ключе

Переключение электронного ключа, т.е. его перевод из разомкнутого состояния в замкнутое или наоборот, происходит при изменении э.д.с. источника запускающих сигналов, приводящем к надлежащему изменению входного напряжения электронного ключа. Переключение электронного ключа происходит быстро, но не мгновенно. Длительность переключения электронного ключа определяет его быстродействие. При многих применениях требуется, чтобы электронный ключ обладал высоким быстродействием.

Быстродействие диодного ключа определяется несколькими причи-

нами.

1. Инерционностью диода (определяется временем жизни основных носителей и собственной емкостью диода Сд).

116

4.Электронные ключи

2.Влиянием паразитной емкости С0, состоящей из емкости монтажа См и емкости нагрузки Сн. См +Сн = С0.

При отпирании диода требуется время д на установление его прямо-

го сопротивления Rпр. Это время определяется ограниченной скоростью накопления носителей в базе.

При запирании диода имеет место процесс рассасывания избыточных носителей базы, и длится он до тех пор, пока заряд носителей на базе не достигнет уровня, соответствующего равновесному состоянию диода. Длительность этого процесса характеризуют временем рассасывания tр. После завершения рассасывания избыточных носителей начинается управляемый спад тока, длящийся в течение времени спада tс. По окончании tс диод запирается. Время восстановления обратного сопротивления диода tвос= tр + tс.

В современных импульсных диодах τд, а также время его выключения tвос незначительны, поэтому характеристики переходного процесса ключа в основном определяются паразитной емкостью С0 [3].

Рассмотрим переходный процесс в диодном ключе, дополнив схему (см. рис. 109) подключенной параллельно к выходу паразитной емкостью С0 (рис. 110).

Рис. 110. Эквивалентная электрическая схема диодного ключа

Рассмотрим переходные процессы в двух режимах работы диодного ключа.

На рис. 111 приведены входное и выходное напряжения схемы (см. рис. 110) при условии Е1 > ЕЭ.

117

До момента t1 диод открыт, и напряжение Uвых(t) равно Е0. До этого же напряжения заряжена емкость С0.

В момент t1 на входе действует положительный перепад напряжения Е1 > Е, диод практически мгновенно закрывается. Емкость С0 через Rэ заряжается по экспоненциальному закону с постоянной времени τ1 = RЭС0 и через время tф1 3τ1 достигает уровня ЕЭ.

В момент времени t2 исходное напряжение на конденсаторе равно ЕЭ, на входе действует отрицательный перепад напряжения до уровня Е0. Диод открыт и емкость С0 через открытый диод разряжается с постоянной времени τр = С0Rпр. Так как τр значительно меньше τ1, задний фронт tф2 = 3τр короче переднего. По окончании tф2, выходное напряжение достигает уровня Е0.

При Е1 < Е характер переходного процесса меняется. На рис. 112 приведены временные диаграммы входного Uвх(t) и выходного Uвых(t) напряжений.

До момента t1 диод открыт, и Uвых равно Е0.

Вмомент t1 при подаче положительного перепада, диод закрывается

иС0 заряжается с постоянной времени τ1 по экспоненциальному закону,

118

4. Электронные ключи

стремясь достигнуть уровня ЕЭ. Но как только напряжение на конденсаторе Uc0 = Uвых достигнет уровня Е1, в момент t3 диод открывается, и Uвых(t) фиксируется на уровне Е1.

Рис. 112. Временные диаграммы входного Uвх(t) и выходного Uвых(t) напряжений диодного ключа при Е1 < ЕЭ

Дестабилизирующие факторы

При эксплуатации аппаратуры следует учитывать влияние на работу электронных устройств дестабилизирующих факторов; важнейшими из них являются:

–изменение температуры окружающей среды;

–непостоянство питающих и смещающих напряжений;

–изменение параметров элементов схем из-за старения;

–разброс параметров относительно их номиналов.

Из-за дестабилизирующих факторов стационарные уровни напряжений оказываются нестабильными. Нестабильность уровня U определяется тем практическим наибольшим изменением U этого уровня, вероятность превышения которого меньше некоторого установленного значения (обычно меньше 0,001).

119

4. Электронные ключи

Применительно к электронным устройствам с полупроводниковыми приборами основное дестабилизирующее действие при широком диапазоне рабочих температур оказывает изменение температуры.

Помехоустойчивость электронных ключей

В реальных условиях работы электронных ключей они подвержены воздействию помеховых импульсов, проникающих во входную цепь электронного ключа из-за наличия паразитных связей входной цепи с цепями других устройств аппаратуры. Помеховые импульсы не должны вызывать качественного изменения состояния электронного ключа. Это значит, что в результате воздействия помехового импульса на электронном ключе, находящегося в одном из своих стационарных состояний, выходное сопротивление электронного ключа не должно существенно изменяться. Такое качество работы электронного ключа называется его помехоустойчивостью.

Надежность работы электронного ключа

Массовое применение электронных ключей в аппаратуре делает важным обеспечение более простыми средствами должной надежности работы электронных ключей. Применительно к электронным ключам такое свойство заключается в том, что они должны обладать нужной помехоустойчивостью, и в реальных условиях эксплуатации они должны бесперебойно переключаться при воздействии запускающих импульсов; при этом электронный ключ должен удовлетворять требованиям в отношении быстродействия, чувствительности и электрических характеристик электрических ключей (величин выходных сопротивлений, рабочего перепада напряжения, отдаваемого в нагрузку тока и т.д.). Часто существенное значение имеют механическая прочность электронного ключа (его вибростойкость и ударостойкость), радиационная стойкость, а также вес, габариты и срок службы электронного ключа.

По большинству технических и эксплуатационных показателей (за исключением наибольших допускаемых величин рабочих напряжений и температурной стабильности характеристик) наилучшими качествами обладают электронные ключи, построенные на полупроводниковых приборах, – в основном тиристорные ключи и диодные ключи, применяемые в импульсной технике наиболее широко.

120