Электроника и схемотехника (Ерёменко В.Т

гут быть положительной, отрицательной или чередующейся полярно-

сти (рис. 10.10).

Рис. 10.10. Примеры электрических импульсов различной формы: Um – амплитуда, T – период импульсной последовательности, tи – ширина (длительность) импульса,

tп – длительность паузы

Импульсными называются устройства, предназначенные для генерирования, формирования, преобразования и передачи импульсных сигналов.

Параметры электрического импульса. Электрическим импуль-

сом называют кратковременное скачкообразное изменение напряжения или силы тока. Все электрические импульсы принято разделять на видеоимпульсы и радиоимпульсы (рис. 10.11).

Рис. 10.11. Примеры видеоимпульсов (а, в – е) и радиоимпульса (б)

На рис. 10.11 представлены распространённые формы импульсов: трапецеидальная (а, в), треугольная (г), колоколообразная (д), пилообразная (е).

Однополярные электрические импульсы называют видеоимпульсами. Они не содержат высокочастотных колебаний. Электрические импульсы, представляющие собой ограниченные во времени

ВЧ или СВЧ электромагнитные колебания, огибающая которых имеет форму видеоимпульса, называют радиоимпульсами.

Принято различать следующие участки импульса: фронт, вершина, срез, основание. Срез называют иногда задним фронтом.

Основные параметры видеоимпульса (рис. 10.12):

3)длительность импульса tи, определяют на уровне 0,1А;

4)время установления или нарастания фронта импульса (длительность фронта импульса) tф – время нарастания сигнала от уровня 0,1 до уровня 0,9 своего максимального значения;

5)длительность среза tс определяется аналогично tф;

6)длительность вершины импульса tв – на уровне 0,9А;

7)активная длительность импульса tиа – на уровне 0,5А.

Рис. 10.12. Иллюстрация параметров видеоимпульса

Выброс, образующийся чаще всего после спада, называют хвостом импульса, который характеризуется длительностью tх и амплитудой выброса Ав. В этом случае расчетная длительность среза tс должна быть увеличена. Периодическую последовательность импульсов характеризуют следующими параметрами:

1)периодом повторения импульсов Т;

2)частотой повторения импульсов f = 1/T;

3)скважностью импульсов Q = T/tи, Q 1;

4)коэффициентом заполнения Кз = 1/Q = tи/T, Кз 1.

Устройства, в которых выполняются основные виды преобразований импульсных сигналов, разделяются на несколько видов:

а) электрические цепи, обеспечивающие неискаженную передачу импульсов – линии передачи, кабели, трансформаторы, линии задержки, усилители импульсов (видеоусилители);

б) устройства преобразования импульсов обеспечивают получение импульсов одной формы из импульсов другой формы или той же формы, но с другими параметрами:

–линейные преобразователи (интегрирующие и дифференцирующие устройства);

–нелинейные формирующие устройства (ограничители, компараторы, триггеры Шмитта, формирователи);

–преобразователи импульсов цифровых устройств, предназначенные для выполнения логических функций и преобразований одной последовательности импульсов в другую (логические элементы, триггеры, счетчики, регистры, комбинационные устройства);

в) импульсные генераторы (автогенераторы, мультивибраторы, одновибраторы, синхронизируемые генераторы, делители частоты).

Основу всех этих устройств составляют электронные ключи.

10.6. Электронные ключи

Ключи на биполярных транзисторах. Вся импульсная и цифровая техника базируется на работе транзистора в качестве ключа – устройства, коммутирующего электрическую цепь. Основой всех узлов и схем импульсной и цифровой техники является так называемая ключевая схема – каскад на транзисторе, работающем в ключевом режиме (рис. 10.13). Транзистор может включаться по схемам ОЭ, ОК, ОБ.

Режим запирания (отсечки) осуществляется подачей на вход транзистора напряжения положительной полярности (согласно стрелке на рис. 10.13) Uвх 0. Эмиттерный переход под действием этого напряжения запирается и его ток равен 0. Вместе с тем через резистор Rб протекает обратный (тепловой) ток коллекторного перехода Iк0. Этому режиму на выходных характеристиках транзистора соответствует точка Мз (рис. 10.13). Величину запирающего входного напряжения Uвх.зап выбирают такой, чтобы при протекающем через Rб тепловом токе выполнялось условие:

Режим открытого состояния транзистора достигается изменением полярности входного напряжения (Uвх 0) и заданием соответствующего тока базы. С изменением полярности входного напряжения увеличению тока базы будет соответствовать увеличение тока коллектора, чему соответствует условное перемещение на характеристиках точки М из положения Мз вверх по линии нагрузки, при этом Uкэ уменьшается по модулю.

а б

Рис. 10.13. Схема электронного ключа (а) и графическая иллюстрация его состояния (б)

До некоторого граничного значения тока базы Iбзгр сохраняется известная зависимость между током коллектора Iк и током базы Iбз:

Iк Iбз,

где – статический (усредненный) коэффициент передачи тока транзистора в схеме ОЭ.

При токе базы Iбзгр будет «полное» открытие транзистора. При

этом в точке Мо: Iк = (Eк – Uкэ0) / Rк, где U кэ0 – остаточное напряжение на транзисторе в открытом состоянии.

Uкэ0 является существенным параметром транзистора в импульсном режиме, причём оно должно быть минимальным. ОбычноUкэ0 = (0,5 – 1) В. Тогда граничное значение тока базы открытого транзистора:

При дальнейшем увеличении тока базы остаточное напряжение остается практически неизменным. Режим работы открытого транзи-

входной импульс напряжения имеет идеальную прямоугольную форму, можно представить импульсными диаграммами сигналов, показанными на рис. 10.14.

На интервале 0 – t1 транзистор заперт напряжением Uвхз. Напряжение на транзисторе Uкэ = – (Eк – Iкб0 ∙ Rк). При появлении импульса (момент t1) ток Iк начинает нарастать, а напряжение Uкэ – уменьшаться. Для упрощения можно считать, что изменения токов и напряжений происходят по экспоненциальному закону.

Рис. 10.14. Импульсные диаграммы сигналов транзисторного ключа

Инерционность процессов в области высоких частот можно учесть эквивалентной постоянной времени

Тв = Т1 + Т2,

где Т1 = 1/2πFгр – постоянная времени, характеризующая процессы в транзисторе, связанные с величиной граничной частоты Fгр;

Т2 – постоянная времени, зависящая от величины емкости коллекторного перехода и величины сопротивления коллекторной цепи в схеме ОЭ.

С некоторыми допущениями, полагая, что коллекторный ток возрастает по экспоненциальному закону, можно оценить длительность фронта импульса коллекторного тока:

где S = Iбзот/Iбз гр – коэффициент насыщения транзистора.

Из уравнения следует вывод, что длительность фронта импульса уменьшается с увеличением коэффициента насыщения. Происходит это потому, что в случае увеличения коэффициента S увеличивается базовый ток, заставляющий быстрее изменяться коллекторный ток. При S = 1 (это активный режим на грани насыщения) значение tф следует определять по другому выражению, определяя его относительно уровней 0,1 и 0,9 установившегося значения коллекторного тока: tф =

Тв ln (0,9/ 0,1) = 2,2 Tв.

Процесс запирания транзистора начинается в момент t2, когда Uвхо меняет знак. Однако ток коллектора и напряжение на открытом транзисторе некоторое время остаются неизменными, т.е. создается задержка в запирании транзистора. Происходит это из-за того, что необходимо какое-то время tр ухода избыточных носителей заряда из базы (время рассасывания заряда). Рассасывание происходит по цепи коллектора (за счет ухода избыточных зарядов) и по цепи базы (за счет протекания обратного тока Iбз0, вызванного запирающим напряжением). Величина этого тока ограничивается сопротивлением Rб входной цепи:

Iбз0 = Uвхз / Rб.

Время, в течение которого происходит рассасывание избыточного заряда в базе, называется временем рассасывания tр. Это время зависит от коэффициента насыщения S. Приближенно его можно оценить по выражению tp = Tв/2 ∙ lnS. За ним следует интервал времени спада тока коллектора tc (время заднего фронта, время среза):

tc = Tв ln[1 + (Iбз гр / Iбзв)],

где Iбзв – амплитуда импульса тока базы в момент переключения

(рис. 10.14).

Длительности tф, tр, tс характеризуют быстродействие транзисторного ключа. Приведенные оценочные выражения показывают, что эти величины зависят от частотных свойств транзистора и параметров импульса базового тока. Порядок их величин составляет от долей единицы до единиц микросекунд.

Ключевая схема, изображенная на рис. 10.16, а, служит простейшим выходным каскадом цифровых (логических) элементов на биполярных транзисторах (элементы серии ТТЛ).

В схеме ключа рис. 10.16, а при уровне входного сигнала Uвх ≤ Uоп на выходе устанавливается выходной сигнал U1п ≤ Uвых < Е, где Uоп, U1п – пороговые значения соответственно низкого и высокого уровней входного сигнала. Транзисторы VT1, VT3 находятся в режиме отсечки, транзистор VT2 – в проводящем состоянии. При подаче на вход схемы Uвх > U1п, транзистор VT1 открывается, транзистор VT3 переходит в режим насыщения, транзистор VT2 закрывается, на выходе устанавливается «нулевой» уровень выходного напря-

жения Uвых ≤ Uоп. Диод VD1 в схеме рис. 10.16, а служит для обеспечения чёткого переключения транзистора VT2. Схема, изображенная

на рис. 10.16, б, часто используется как выходной каскад в операционных усилителях.

Ключи на полевых транзисторах (ПТ). Ключи на полевых тран-

зисторах имеют широкое применение в качестве коммутаторов аналоговых сигналов (для этого используются ПТ с управляющим р – n-переходом или МОП-транзисторы с индуцированным каналом), а также для коммутации цифровых сигналов (только МОП транзисторы с индуцированным каналом). Примеры ключевых схем на полевых транзисторах разного типа представлены на рис. 10.17.

Рис. 10.17. Схемы ключей на полевых транзисторах

Основные достоинства ключей:

–малое остаточное напряжение в проводящем состоянии;

–высокое сопротивление в непроводящем состоянии;

–малая мощность управления; возможность коммутации электрических сигналов очень малого уровня.

Недостаток – сравнительно низкое быстродействие (по сравнению

сключами на биполярных транзисторах).

Для запирания ключей, выполненных на ПТ с управляющим р–n-переходом, к затвору следует приложить запирающее напряжение Uзап, по модулю большее напряжения отсечки, но меньшее допустимых для переходов затвор – исток, затвор – сток:

Uзап ≥ [Uзи отс + (1 ÷ 3) В]; Uзап ≤ (Uзс доп, Uзи доп).

МОП-транзисторы с индуцированным каналом закрыты до тех пор, пока Uзи и Uзс меньше эффективного порогового напряжения:

(Uзи, Uзс) < Uзи пор.

Входное сопротивление (по цепи затвора) ключей на ПТ при малой частоте коммутации составляет 108 – 109 Ом у ПТ с управляющим р–n-переходом, 1012 – 1014 Ом – у МОП-тран- зисторов. На высоких частотах сказываются емкости между стоком, истоком и затвором Сзс, Сзи, поэтому сопротивление ключа уменьшается. У МОП-транзисторов подложку обычно подключают к источнику питания требуемой полярности [подложку «n» – к (+Е), подложку «р» – к (–Е)].

В цифровых устройствах важно иметь стабильные уровни выходных напряжений. Для этого широко применяют ключи на комплементарных транзисторах – КМОП-ключи (рис. 10.18). Комплементарные транзисторы – это транзисторы, обладающие идентичными параметрами, но имеющие разный тип проводимости.

Рис. 10.18. Схема КМОП-ключа и схема замещения открытого МОП-транзистора: Rн – сопротивление нагрузки; Rсио – сопротивление сток – исток

КМОП-ключ работает следующим образом.

Если подано (–Uвх), открыт VТ1 и резистор Rн подключен к источнику питания. Если подано (+Uвх), открыт VТ2 и вывод выходной цепи подключен к общей шине. При этом ток от источника сигнала не потребляется, т.е. в первом случае на резисторе Rн устанавливается +Е, во втором – нуль. На основе таких ключей созданы разнообразные микросхемы КМОП серий.

Эквивалентные схемы МОП-транзистора в открытом и закрытом состоянии существенно различаются, так как сопротивление сток – исток в открытом состоянии Rсио на несколько порядков меньше, чем сопротивление Rсиз в закрытом состоянии (рис. 10.19).

Ключи на МОП-транзисторах удобны тем, что могут пропускать ток в обоих направлениях, а цепь управления изолирована от коммутируемой цепи. Сопротивление канала открытого (нахо-дящегося в проводящем состоянии) ключа на МОП-транзис- торе составляет (10 – 100) Ом, а быстродействие может достигать

(3 – 5) нс [2].

Рис. 10.19. Эквивалентная схема МОП-транзистора в закрытом состоянии

Чаще всего для построения ключей в интегральном исполнении используют КМОП-транзисторы. Это даёт возможность получить постоянное по величине сопротивление ключа в отрытом состоянии, не зависящее от величины и направления протекающего тока. Интегральное исполнение ключей позволяет в составе микросхемы сформировать элементы, необходимые для выдачи сигналов управления внешними нормированными сигналами логических элементов цифровых схем.

Сопротивление отрытого КМОП-ключа существенно зависит от температуры: оно увеличивается на (2 – 5) % на каждые 10 ºС. В закрытом состоянии через КМОП-ключ течёт обратный ток закрытого р–n-перехода [(0,1 – 10) нА при комнатной температуре], причём он увеличивается приблизительно в два раза на каждые 10 ºС.

Ключи на полевых транзисторах находят широкое применение не только как самостоятельные электронные элементы, но и как составная часть многих сложных электронных узлов. К таким узлам можно отнести аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобра-зователи, запоминающие устройства и многие другие устройства аналоговой и цифровой техники.