Тема 16. Электронные ключи

Электронный ключ представляет собой устройство, которое может находиться в одном из двух рабочих состояний – разомкнутом и замкнутом и изменяет состояние на время действия переключающего сигнала. В качестве переключающих элементов таких схем могут быть использованы полупроводниковые диоды, биполярные и полевые транзисторы, тиристоры и т.д. Независимо от схемных решений и типа используемого ключевого элемента любой электронный ключ характеризуется рядом статических и динамических параметров.

Статические параметры электронных ключей (параметры установившегося режима) наиболее полно характеризуются передаточной характеристикой — зависимостью величины выходного напряжения или тока от величины входного напряжения (тока). Обычно используется передаточная характеристика, определяющая зависимость выходного напряжения ключа от входного .

Рис 16.1. Передаточная характеристика электронного ключа

По передаточной характеристике можно определить два важных статических параметра электронного ключа:

1)Ku = dUвых/dUвх- коэффициент усиления ключа, который определяется в дифференциальной форме.

2) Помехоустойчивость ключа, которая физически выражается напряжением помехи, способной изменить состояние ключа. Величина этой помехи оценивается по передаточной характеристике ключа как разность входных напряжений в точках А и а (помехоустойчивость по уровню единицы – U⁺_п ) и в точках в и В (помехоустойчивость по уровню нуля – U^-_п).

Точки на характеристике а и в определены таким образом, что соответствуют устойчивым состояниям, в которых Ku = 1. Тогда помехоустойчивость ключа определится как:

U⁺_п=U⁰_п- U⁰_вх, U^-_п=- (U¹ -U¹_п) ( рис. 7.1. ),

Где - U^1- максимальное напряжение на выходе ключа ,

U⁺_п, U^-_п - максимальная величина напряжения помехи, не вызывающая ложного переключения.

На рис. 7.1. представлена передаточная характеристика для инвертирующей схемы ключа. В электронном ключе два его устойчивых состояния (разомкнутое и замкнутое) соответствуют пологим участкам, ограниченным точками А и В. На пологом участке, соответствующем малым значениям (точка А), ключ разомкнут (ключ закрыт), и на нем падает большое напряжение – напряжение логической единицы. При большом входном сигнале , соответствующем пологому участку (точка В ключ замкнут, выходное напряжение мало.

Динамические параметры электронного ключа определяются скоростью протекания переходных процессов, возникающих в схеме при подаче на вход ключа прямоугольного импульса напряжения или тока. Поэтому динамические параметры ключа называют еще параметрами быстродействия, природу которых необходимо рассматривать на примере конкретной схемы электронного ключа на биполярном транзисторе.

16.1. Электронный ключ на биполярном транзисторе

Принципиальная схема электронного ключа на БТ с ОЭ показана на рис. 16.2, а. Для уменьшения остаточного тока коллектора до величины обратног тока коллекторного перехода на базу транзистора через резистор подается запирающее напряжение, которое выбирается из условия , при .

В исходном состоянии при илиБТ закрыт, т.е. работает в режиме отсечки.

При использовании в качестве активного элемента кремниевых транзисторов, имеющих малое значение тока , и непосредственной связи ключа с источником сигнала дополнительный источник напряжения можно исключить.

Передаточная характеристика ключа может быть рассчитана графоаналитическим методом с использованием известных семейств входных при и выходныхприхарактеристик транзистора. Для этого принципиальную схему ключа приводят к эквивалентной, показанной на рис. 16.2, б, где

, (16.1 )

. (16.2 )

а б

Рис. 16.1.

На семействе выходных ВАХ БТ, как показано на рис. 16.2, а, строится нагрузочная прямая, описываемая уравнением

. (16.3)

По координатам точек пересечения нагрузочной прямой с выходными характеристиками, соответствующими токам базы , определяются значения напряжения коллектор — эмиттер, которое является выходным. Далее по входной характеристике БТпридля тех же значений тока базы находятся соответствующие напряжения база-эмиттер, как показано на рис. 16.2, б. Входное напряжение рассчитывается согласно выражению

. (16.4)

По известным парам значений напряжения строится передаточная характеристика, показанная на рис. 16.2, в. Форма характеристики зависит от параметров элементов электронного ключа. На передаточной характеристике можно выделить три характерных участка, которые разграничены точками, соответствующими входному пороговому напряжению нуляи единицы.

При ключ закрыт (транзистор находится в режиме отсечки), на выходе высокий (единичный) уровень напряжения:

. ( 16.5 )

Входной ток при этом, поскольку , определяется выражением

. ( 16.6 )

Пороговое напряжение нуля — значение входного напряжения, при котором БТ переходит из режима отсечки в активный режим работы, и рассчитывается по формуле

, ( 16.7)

где — пороговое напряжение база-эмиттер БТ. Для кремниевых транзисторов можно принять.

а б в

Рис. 16.2

При транзистор находится в активном режиме. При этом выходное напряжение линейно зависит от входного:

. (16.8)

Коэффициент передачи K определяется усилительными свойствами БТ:

, (16.9)

где — статический коэффициент передачи по току БТ с ОЭ;— входное сопротивление БТ с ОЭ.

На участке усиления для входного тока ключа справедливо выражение

. ( 16.10)

При на выходе низкий (нулевой) уровень напряжения, который определяется напряжением коллектор-эмиттер насыщения:

. (16.11 )

Пороговое напряжение единицы соответствует входному напряжению, при котором БТ из активного режима работы входит в режим насыщения

. (16.12 )

Ток базы насыщения, соответствующий этой точке, определяется выражением

. (16.13 )

Коллекторный ток БТ в этой точке достигает максимального значения

. ( 16.14)

При дальнейшем росте ток базы растет, однако коллекторный ток практически не изменяется. Степень насыщения БТ определяетсякоэффициентом насыщения, который рассчитывается по формуле

, (16.15 )

где — ток базы при максимальном значении входного напряжения. Если, то ключ насыщенный.

Для повышения КПД электронного ключа необходимо, чтобы транзистор в нем надежно насыщался, в этом случае на открытом БТ будет рассеиваться минимальная мощность, а значит, будут минимальными потери. Поскольку значения параметра имеют существенный разброс для партии БТ конкретного типа, достигающий порой сотен процентов, то для надежного насыщения БТ в ключе без подбора транзисторов необходимо при расчете ключа принимать значение коэффициента насыщения. Следует помнить, что чрезмерное увеличениеS снижает быстродействие ключа.

Быстродействие транзисторного ключа (параметры быстродействия) зависят от параметров используемого транзистора, номинальных значений элементов схемы, сопротивления нагрузки и ее характера. Диаграммы напряжений и токов, действующих в транзисторном ключе, при подаче на вход прямоугольного импульса показаны на рис.16.3. На них указаны временные интервалы, определяющие количественно параметры быстродействия ключа.

На интервале времени происходит нарастание коллекторного тока и уменьшение выходного напряжения ключа. Коллекторный ток не может измениться мгновенно, что обусловлено тремя причинами: задержкой фронта импульса за счет перезаряда входной емкости транзистора, конечным временем пролета носителей через базу БТ и перезарядом барьерной емкости коллекторного перехода.

Задержка фронта обусловлена зарядом входной ёмкости закрытого транзистора (рис.16.3.б), который начинается после того, как управляющее напряжение изменит свою величину от Е₁ до Е₂. Процесс заряда описывается уравнением

U_б(t) = E₂ (1 - e ^{– t / c}) - E₁ e ^{– t / c}

где _с = С_вхR_б - постоянная времени заряда. Обычно считают, что С_вх =С_э + С_к = 1…2пФ.

Когда напряжение U_б, нарастая, становится равным напряжению U_отп, отпирается эмиттерный переход транзистора, этап заряда заканчивается, и время задержки

 _{з ф} = _с ln [(E₂ + E₁) / (E₂ - U_отп)]

Например, если E₁ = 0 и E₂ = 3 В, то  _{з ф} ≈ 0,25 _с. При С_вх = 2 пФ и R_б = 2 кОм получается, что _с = 4 нс, a  _{з ф} ≈ 1 нс.

Поскольку время пролета носителей заряда в базе сказывается только на предельных частотах, практически можно оценить влияние времени перезаряда барьерной емкости коллекторного перехода, которое называется длительностью фронта импульса и приближенно рассчитывается по формуле

, (16.16 )

где — постоянная времени включения, определяется выражением

, (16.17 )

; . (16.18 )

Время включения ключа определяется суммой времени задержки фронта и длительности фронта импульса.

На промежутке времени при действии максимального входного напряжения коллекторный ток транзистора и выходное напряжение ключа не изменяются, в базе происходит накопление неосновных носителей заряда.

Рис. 16.3.

В течение промежутка под действием отрицательного входного напряжения происходит рассасывание накопленных в базе носителей. При этом транзистор все еще находится в режиме насыщения, коллекторный ток и выходное напряжение соответствуют этому режиму и не изменяются. Наблюдается обратный бросок тока базы. Данный промежуток называется временем задержки выключения и определяется следующим выражением:

, ( 16.19)

где — запирающий ток базы.

Если , то. Привремя задержки выключения определяется как

. (16.20 )

После рассасывания неосновных носителей в базовой области ток коллектора уменьшается — транзистор закрывается. Интервал времени , в течение которого происходит уменьшение коллекторного тока,называется временем спада:

. ( 16.21)

Суммарное время называетсявременем выключения. В случае, если , время нарастания коллекторного напряженияможет превысить время спада:

Для повышения быстродействия ключа необходимо уменьшать коэффициент насыщения транзистора, одновременно обеспечив большой отпирающий ток в момент его отпирания и увеличить ток запирания. Это достигается использованием следующих схем ключа: ключ с форсирующей емкостью (рис. 7.5.) и ключ с диодом на барьере Шотки (ДБШ) (рис. 7.6).