2.5 Электрический расчёт электронного ключа

Аналоговые ключи предназначены для коммутации аналоговых сигналов от источника на нагрузку с малыми искажениями. Они широко применяются в ЦАП, АЦП, устройствах выборки и запоминания сигналов, для коммутации аналоговых сигналов источников на общую нагрузку и для других целей. Аналоговые ключи могут коммутировать ток и напряжение. В нашем случае необходим коммутатор напряжения.

В цепи для коммутации напряжения нагрузка должна иметь достаточно высокое сопротивление по сравнению с выходным сопротивлением источника сигнала. Реальные аналоговые ключи вносят погрешность при передаче сигнала от источника в нагрузку. Основными параметрами ключа, определяющими величину погрешности, являются: остаточное напряжение на замкнутом ключе, остаточный ток разомкнутого ключа и конечное время переключения. Основной задачей проектирования аналоговых ключей является минимизация перечисленных параметров, и тем самым уменьшение погрешности, вносимой ключами при коммутации сигнала.

Источником питания аналогового ключа служит коммутируемое напряжение U_вх, значение которого может изменяться в широких пределах и достигать весьма малых значений (десятков милливольт). При подаче отрицательного управляющего нарпяжения U_упр< 0 транзистор закрывается, через резистор R_к будет протекать тепловой ток коллектора и напряжение между коллектором и эмиттером U_кэ = U_вх – I_к0 R_к U_вх. Пусть под действием отпирающего напряжения U_упр > 0 в базовой цепи проходит ток I_б. Для всех значений коллекторного тока I_к<< β I_б(I_к= U_вх/R_к , β – коэффициент передачи базового тока) транзистор будет насыщен и напряжение U_кэ очень мало. В режиме насыщения коллекторный и эмиттерный переходы открыты, выходное напряжение U_кэ = U_бэ- U_бк. При глубоком насыщении транзистора (I_б β/ I_к > 3…4) остаточное напряжение на замкнутом ключе

U_кэφ_т/β_I+I_б r_эн , (2.1)

где β_I – коэффициент передачи базового тока при инверсном включении транзистора; φ_т – тепловой потенциал, пропорциональный абсолютной температуре (при 300 К φ_т 26 мВ);r_эн – объёмное сопротивление области эмиттера насыщенного транзистора.

Выходное сопротивление насыщенного транзистора (сопротивление замкнутого ключа) R_вых обычно составляет единицы и десятки Ом и может быть определено по формуле

R_вых , (2.2)

где r_кн – объёмное сопротивление области коллектора, насыщенного транзистора.

Рассмотрим влияние цепи управления на свойства ключа. Состояние его определяется уровнем управляющего напряжения U_упр и значением сопротивления R_б. Стоит отметить, что схема может коммутировать как положительное, так и отрицательное напряжение U_вх. При отрицательном управляющем напряжении U_упр' транзистор должен быть заперт (U_бк< 0, U_бэ < 0) и напряжение U_вых= 0. Если на входе действует положительное напряжение U_упр'', транзистор будет насыщен, а напряжение U_вых= U_вх . В насыщенном режиме в схеме установятся следующие токи: I_б = (U_упр'' – U_бэ – U_вх) / R_б , I_н = U_вых / R_н .

Исходя из приведённых формул (2.1, 2.2) рассчитаем R_б :

R_б = (U_упр'' – U_бэ – U_вх) / I_б (2.3)

R_б = ( 3 - 0,6 – 0,4) / 0,00002 = 100 кОм.