Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электронные цепи и микросхемотехника. Импульсные и цифровые устройства. Конспект лекций. Учебное пособие
.pdf
1.10.5. КЛЮЧИ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ
р
В импульсных схемах в качестве ключевого элемента обычно используют
МДП-транзисторы с индуцированным каналом n-типа.
Eп
Rc
Uвых
Uвх
VT
Cн
Cзи
Рис. 1.25
Такой ПТ-ключ имеет преимущества перед ключом на БТ:
– нет необходимости в источнике запирающего напряжения на
входе;
– ключ потребляет очень маленькую мощность от источника входного напряжения;
– полярность управляющего напряжения такая же, как и полярность
коммутируемого напряжения, что облегчает соединение ключей между
собой;
– ключи на полевых транзисторах могут иметь
гораздо меньшее оста-
точное напряжение, чем на БТ при малых токах, так как выходные характеристики полевых транзисторов проходят через начало координат.
Проходная и выходная характеристики изображены соответственно
на рис. 1.26, а и б.
Полевые транзисторы – это приборы, которые базируются на использовании основных носителей заряда, они не имеют времени накоп
ления и рассасывания неосновных носителей заряда, как у БТ.
Паразитные емкости (
,,ССС
зс си н
) сведены в эквиваленте к
С
, и в
н
реальных ключах ее величина не превышает единиц пикофарад. Временные диаграммы приведены на рис. 1.27.
В соответствии с рис. 1.27 в исходном состоянии
-
0
вх
UUU
31
зи по
,
Ic
Еп/Rc
0
I
с
0
U
U
зи пор
1
U
Uзи
Ic
Uзи=U
Б
0
U
а б
Рис. 1.26
Uвх
1
U
U
зи по р
0
U
Uвых
1
U
UΔ+0 ,9
UΔ+0 ,1
0
U
t
вкл
Рис. 1.27
ΔU
t
и
t
выкл
U
U
0
0
1
U1=Еп
Uзи4
Uзи3
А
Uзи2
Uзи1
U
С
t
t
транзистор закрыт, нагрузочная емкость
1
UЕ . С приходом управляющего напряжения
открывается и через его канал
п
С
разряжается.
н
С
заряжена до напряжения
н
UU транзистор
вх
Если ключ управляется идеальным источником напряжения (
то временем задержки можно пренебречь.
32
1
0R
),
г
1
Е
R
R
R
R
R
E
R
R
R
R
При отпирании транзистора (
UU
) рабочий ток в точке Б (ток
зи пор
насыщения) определяется внешними элементами схемы:
0
0
I
c
Транзистор при этом имеет внутреннее сопротивление
В результате конденсатор
C
за время включения по известной формуле, определяющей пе-
нi
2, 2
реходной процесс,
tRC
вкл н
U Е
пп
cc
C
разряжается с постоянной времени
н
.
i
.
R
i
00
/
UI .
c
Для уменьшения времени включения необходимо выбирать транзисторы с большими значениями крутизны S и малыми пороговыми
напряжениями
ние
в омической области.
i
В момент окончания
емкости
С
закону и
U , что обеспечит малое внутреннее сопротивле-
зи пор
t
транзистор выключается, происходит заряд
и
через резистор
н
2, 2tRC
выкл с н
от источника
с
.
по экспоненциальному
п
Время выключения обычно больше времени включения, так как
R
с.i
В случае использования источника входного сигнала с высоким выходным сопротивлением
время включения и выключения, а следо-
г
вательно, и быстродействие ключа на ПТ будет в основном опреде-
С
и
ляться
г
:
зи
вкл выкл зи г
2, 2tt С R
. (1.41)
Ключ с нагрузочным МДП-транзистором (с динамической нагрузкой)
Частично устранить отмеченные недостатки ключа с активной
нагрузкой
(рис. 1.25) удается при замене этого резистора дополни-
с
тельным МДП-транзистором, выполняющим роль нелинейного сопротивления в стоковой цепи ключевого элемента (рис. 1.28).
Транзистор
1VТ
называют активным, а транзистор
2VТ
– нагрузоч-
ным.
33
Uвх
R
Eп
VT2
VT1
Рис. 1.28
Cн
Uвых
Полагаем, что при
жение на выходе
и при
UU ток стока
си2 зи пор2
U Е U
вых п зи пор2
рядиться выше напряжения
При подаче входного напряжения
падает в режим насыщения. Процесс разряда
0UU транзистор VT1 заперт. Напря-
вх зи пор
(считаем, что транзистор идеален
0I
и выходная емкость не может за-
c2
Е U ).
пзипор2
UU транзистор VT1 по-
вх зи пор
C
за время включения
н
транзистора VT1 будет почти аналогичен ранее рассмотренному процессу в ключе с активной нагрузкой.
В момент скачкообразного уменьшения входного напряжения тран-
C
зистор VT1 выключается и конденсатор
время
заряда
первоначально
t
через открытый транзистор VT2, причем начальным током
выкл
C
значительно большим, чем в схеме с резистором
н
UЕ
си2 п
. В результате время выключения оказывается
начинает заряжаться за
н
, так как
с
значительно меньше, чем в схеме с резистором, и быстродействие
ключа повышается.
Для того чтобы остаточное напряжение на ключе было мало
(на уровне 0,05…0,1 В), должно выполняться условие: удельная кру-
тизна
21
, то есть транзисторы должны существенно отличаться
друг от друга.
34
Лекция № 5
R
Е
1.10.6. КОМБИНИРОВАННЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ КЛЮЧИ
Комплементарный КМОП-ключ (КМДП-ключ)
Eп
зиU
2
VT 2
Uвх
VT1
Cн
зиU
1
Рис. 1.29
U вых
Rн
Здесь использованы взаимодополняющие друг друга (комплементарные) транзисторы: транзистор VТ1, с каналом n-типа и транзистор
VТ2 с каналом p-типа.
0U
Пусть
стор VТ2 с
си1 пис2
,0.U Е U
UU , тогда транзистор VТ1 открыт. Пусть, кроме того,
Если
вх зи пор1
U Е U , тогда транзистор VТ2 закрыт. При этом
.UЕ
си2 п
Надо отметить, что если
, тогда, очевидно, транзистор VT1 закрыт, а транзи-
вх
UЕ
зи2 п
открыт,
подключается к
н
ивх п з пор2
Е UU, то при изменении
пзипор1 зи пор2
. При этом
п
си1
0U
входного сигнала не возникает ситуация, когда оба транзистора включены.
Первое важное достоинство комплементарного ключа – это то, что
в каждом из двух установившихся режимов, т. е. и в открытом, и в закрытом состоянии, ключ практически не потребляет ток от источника
питания.
,
35
Вторым важным достоинством комплементарного ключа является
резкое отличие выходного напряжения в открытом его состоянии (единицы микровольт и менее) и выходного напряжения в закрытом состоянии (это напряжение меньше напряжения питания всего лишь на единицы микровольт и менее), что обеспечивает высокую помехоустойчивость цифровых схем на комплементарных ключах.
Третьим важным достоинством комплементарного ключа является
его повышенное быстродействие. Описанные достоинства и отработанность технологии изготовления явились причиной широкого использования КМОП-ключей.
Каскодный ключ
Биполярные транзисторы подвержены вторичному пробою в режимах переключения. Риск вторичного пробоя при выключении
транзисторов может быть уменьшен при применении каскодных схем
(рис. 1.30).
К
Iу
R
VT1
Б
Isens
Uупр
VT2
Рис. 1.30
И
Высоковольтный транзистор VT1 по цепи управления получает постоянный ток
I , достаточный для насыщения транзистора. Низковоль-
у
тный быстродействующий транзистор VT2 управляется импульсным
напряжением.
При запирании VT2 размыкается цепь эмиттера высоковольтного
транзистора и происходит форсированное его выключение.
36
Недостатком каскодного ключа является увеличенное падение
напряжения в открытом состоянии, суммируемое из напряжений
низковольтного и
U
высоковольтного транзисторов.
кэ
U
си
Биполярно-полевые транзисторы
Объединяются положительные свойства полевых и биполярных
транзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой
нагрузкой и малое сопротивление во включенном состоянии.
В отечественной литературе такие приборы получили название «биполярные транзисторы с изолированным затвором» (БТИЗ). Зарубежные фирмы обозначают этот класс приборов по-разному: IGBT
(Insulated Gate Bibolar Transistor) или GEMFET (Gate Enhance Mode Feld
Effect Transistor).
Биполярный транзистор образует силовой канал, а
полевой – канал
управления. Условное обозначение БТИЗ показано на рис. 1.31, а,
а схема включения транзисторов, входящих в его состав, на рис. 1.31, б.
К
К
З
VT1
З
VT2
Э
Э
а б
Рис. 1.31
БТИЗ (рис. 1.31,6) содержит два биполярных транзистора – VT1
и VT2, соединенных между собой по схеме Дарлингтона, и МОП-транзистор, обеспечивающий управление этими биполярными транзисторами. В настоящее время выпускаются модули, выполенные на основе
БТИЗ, способные коммутировать токи до 1800 А при напряжении
37
до 4500 В. Причем длительность выключения составляет десятые доли
миллисекунд, что позволяет достаточно успешно использовать эти модули на частотах до 50 кГц. Падение напряжения на открытом приборе
составляет 1,2... 1,5 В.
1.11. ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ
УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ
Практическое использование транзисторных ключей можно реализовать по двум принципиально отличным направлениям. Первое
направление легло в основу построения импульсных информационных
и цифровых устройств.
Второе направление использует энергетический аспект коммутации,
когда включенному и выключенному состояниям ключа соответствуют
различные уровни мощности, отбираемой от источника питания и рассеиваемой в нагрузке. Поэтому, изменяя времена
включенного н выключенного состояний ключа, можно изменять суммарную мощность, выделяющуюся в нагрузке, т. е. усиливать входной управляющий сигнал.
Такие устройства называются импульсными усилителями мощности
(ИУМ).
Рассмотрим простой последовательный ТК, показанный на рис. 1.32, а,
управляемый импульсами (рис. 1.32, б).
U
нR
Rн
Uн
Eп
Рн max
Uвх
R
б
VT
Еп
t
и
0
T
t
01
Кз
а б
Рис. 1.32
38
Для простоты будем полагать, что нагрузка имеет чисто активный
R
Е
K
K
P
характер. Тогда мощность, выделяющаяся в ней,
2
нн
/PU R ,
где U – действующее напряжение
U .
н
Действующее напряжение
t
где
и
1
Uudt
– коэффициент заполнения или относительная длительность
з
2
нп пз
T Т
0
t
и
Е K
, (1.42)
включенного состояния транзисторного ключа.
()PF
Тогда зависимость
EK R PK
нпзнmax з
будет иметь вид
зн
2
. (1.43)
Графически эта зависимость имеет вид, показанный на рис. 1.32, в.
Таким образом, изменяя относительную длительность включенного
состояния транзисторного ключа (
K
), можно регулировать мощность,
з
выделяющуюся в нагрузке, и преобразовывать электрическую энергию.
Примерами применения являются управление режимом работы электродвигателя, термической печи, мощного электромагнита и прочее,
т. е. управление различными исполнительными устройствами систем
управления.
Причина широкого использования ИУМ – потери мощности в ТК
при идеальном ключе стремятся к нулю.
Как наиболее типичный для
работы ИУМ, рассмотрим случай им-
пульсного регулирования мощности в RL-нагрузке.
Для простоты будем полагать, что постоянная времени RL-нагрузки
/LR
ннн
н
Это позволяет считать изменения тока индуктивности
существенно больше периода коммутации транзистора, т. е.
Т
.
i
практиче-
нL
ски линейными, а сами эти изменения существенно меньшими среднего
значения ее тока.
39
Первый импульсный режим. В первом импульсном режиме (1 ИР)
I
I
I
питание нагрузки осуществляется последовательностью однополярных
прямоугольных импульсов неизменной амплитуды (рис. 1.33).
u
н
i
н
u
н
Eп
I
0
t
и
i
н
t
0
T
Рис. 1.33
Средний ток нагрузки в этом режиме определяется выражением
(/)
IKUE
где
0max 0п
U
противоЭДС в цепи нагрузки;
0
з
установившийся ток нагрузки. Действующий ток нагрузки с учетом
пульсаций
н max знз
Очевидно, что чем больше
тивности нагрузки и
1(/ )(1 )/12IIK T K
стремится к
н
н
22
, тем меньше пульсации тока в индук-
.
0
Второй импульсный режим. Во втором импульсном режиме (2ИР)
питание нагрузки осуществляется прямоугольным двухполярным
напряжением, причем импульсы чередующейся полярности следуют
непрерывно друг за другом (рис. 1.34).
,
max пн
/IER
– максимальный
. (1.44)
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]