1. Импульсная техника

2. Транзисторные ключи

3. Ключи на полевых транзисторах

Особенности ключей на полевых транзисторах состоят в следующем:

1. высокая технологичность схемы ключа;

2. высокое входное сопротивление (R_ВХ  );

3. входная мощность в статическом состоянии практически равна нулю (Р_ВХ = 0);

4. в качестве нагрузки может быть использован либо резистор, либо полевой транзистор любого типа.

Рассмотрим транзисторный ключ (рис.3.1) на транзисторе с индуцированным каналом р-типа, с линейной нагрузкой. В качестве линейной нагрузки используется резистор.

Семейство выходных характеристик рассматриваемой схемы представлено на рис.3.2. Если пренебречь током утечки I_C0, то можно считать, что рабочая точка лежит на оси абсцисс. Напряжение на границе пологой и крутой областей выходной характеристики определяется как

U_CA = U_ЗИ1 – Е_З0. (3.1)

Если на вход схемы подается импульс отрицательной полярности, то рабочая точка из положения 1 стремится по нагрузочной прямой вверх, и при подаче на вход напряжения U₁ = U_ЗИ1 точка 1 переходит в точку 2. При подаче на вход схемы напряжения U₁ = U_ЗИ1 рабочая точка переходит в точку 3.

Таким образом, остаточное напряжение на транзисторе U₀ (рис. 3.2) зависит от величины входного сигнала: чем больше по модулю входной сигнал, тем выше по нагрузочной прямой располагается рабочая точка и тем меньше остаточное напряжение U₀.

Переходная характеристика схемы представлена на рис. 3.4. Будем считать, что в точке С ключ включен. Ключ включается, когда U₁' = U₂' + E_З0. Пока входной сигнал меньше напряжения Е_З0, транзистор закрыт, и выходное напряжение, снимаемое со стока, равно Е_С. В точке В транзистор начинает открываться. Участок ВС нелинейный, поскольку нелинейная стокозатворная характеристика (рис. 3.3). На участке СD транзистор работает в крутой области выходных характеристик.

1. Переходные процессы при переключении ключа

При рассмотрении переходных процессов будем рассматривать схему замещения транзистора. Для простоты источник тока в выходной цепи не учитывается.

Исходное состояние схемы  транзистор заперт, управляющее напряжение е_Г = 0. Поэтому напряжение на конденсаторе С_ЗИ равно нулю. Напряжение на конденсаторах С_ЗС и С_СИ близко к напряжению источника питания Е_С. Временная диаграмма изменений входного и выходного напряжений при отпирании транзисторного ключа представлена на рис. 3.6. При подаче на вход схемы скачка напряжения начинается переходный процесс отпирания транзистора. Конденсаторы С_ЗИ и С_ЗС не могут мгновенно изменить свой заряд, поэтому напряжение на выходе не может измениться скачком. Токи i_ЗИ и i_ЗС (рис. 3.5) начнут перезаряжать эти конденсаторы. Выходное напряжение из-за дополнительного падения напряжения на резисторе R_C и зарядки емкости С_СИ увеличивается по модулю, становясь все более отрицательным. Как только напряжение на конденсаторе С_ЗИ достигнет порогового напряжения, транзистор откроется. Время задержки выходного напряжения t_З зависит от параметров входного сигнала и параметров схемы замещения.

При запирании транзисторного ключа на вход подается положительный перепад напряжения, и в момент времени t₁ управляющее напряжение становится равным нулю (е_Г = 0).распределение потенциалов на схеме в момент подачи запирающего напряжения показано на рис. 3.7. Емкость С_ЗИ начинает разряжаться через сопротивление R_Г и частично через сопротивление R_i и емкость С_ЗС. Емкость С_ЗС начинает разряжаться через сопротивления R_i и R_Г. Другая составляющая тока разряда этого конденсатора идет через внешнее сопротивление R_И. Это приводит к росту положительного потенциала стока, поэтому на временной диаграмме выходного напряжения (рис. 3.8) появляется положительный выброс напряжения, который уменьшается до нуля по мере разряда конденсатора С_ЗС. В дальнейшем транзистор начинает закрываться, и при t = t₂ напряжение на затворе транзистора становится равным Е_З0, т.е. транзистор запирается. Плавный характер изменения напряжения U₂ объясняется зарядом выходной емкости С_СИ через внешнее сопротивление R_И и источник Е_С.

Таким образом, при переключении ключа транзистора в его выходной цепи появляется скачок напряжения той же полярности, что и у входного сигнала, а его форма и амплитуда зависят от формы и амплитуды входного сигнала и параметров схемы замещения. Этот импульс в выходной цепи приводит к появлению задержки в изменении выходного напряжения U₂.

Для уменьшения времени задержки t_З нужно уменьшать паразитные емкости. Для избавления от выброса напряжения во время задержки делают ключи на двух транзисторах с разным типом каналов (рис.3.9), которые управляются сигналами с разными полярностями. Тогда на выход схемы будут подаваться компенсирующие друг друга импульсы транзисторов. Такой ключ используется, например в мультиплексорах.

2. Комплиментарная пара

Комплиментарная пара  это ключ на транзисторах с разным типом канала. Рассмотрим ее работу на примере схемы рис. 3.10. Транзисторы соединены стоками. Транзистор VT₁  управляющий транзистор с каналом типа р, он открывается импульсом отрицательной полярности. Транзистор VT₂  нагрузочный транзистор с каналом типа n, он открывается импульсом положительной полярности. Стокозатворные характеристики транзисторов представлены на рис. 3.11.

Для данной схемы выполняется условие

|U_ЗИ1| + U_ЗИ2 = Е_С. (3.2)

Чтобы открыть транзистор VT₁, нужно подать сигнал отрицательной полярности, по модулю больший |Е_З01|. Чтобы открыть транзистор VT₂, нужно подать сигнал положительной полярности, по модулю больший |Е_З02|.

В основе выходных характеристик линия нагрузки каждого транзистора совпадает с осью абсцисс, так как нагрузкой одного транзистора является сопротивление канала другого транзистора.

При включении транзистора его рабочая точка будет располагаться в начале координат. Ключ управляется напряжением u₁, которое подается на затвор первого транзистора.

Если транзистор нужно открыть, то нужно подать на вход VT1 напряжение отрицательной полярности u₁^Н. Если |u₁|  E_C, то u_ЗИ2 положительно.

Условия отпирания и запирания ключа:

1. Ключ выключен, если транзистор VT1 закрыт, а транзистор VT2 открыт и работает в крутой области характеристик.

, u₁^В <0

2. Ключ включен, если транзистор VT1 открыт и работает в крутой области характеристик, а VT2 закрыт.

Предположим, на схему ключа подается напряжение

|E_C| > |E_З01| + E_З02. (3.3)

При таком выборе напряжения источника питания при включении ключа точки с индексами "В" будут смещаться влево, оставаясь на постоянном расстоянии, равном E_C. В определенный момент времени оба транзистора окажутся открытыми. Сопротивление их каналов будет небольшим, что обеспечит быстрый перезаряд паразитных емкостей транзисторов через малое сопротивление каналов открытых транзисторов. С точки зрения потребления энергии от источника питания этот режим неэкономичен.

При подаче напряжения источника

|E_C| < |E_З01| + E_З02 (3.4)

при перемещении точек будет момент времени, когда оба транзистора окажутся закрытыми. Ключ при этом почти не будет потреблять энергию.

При введении сопротивления нагрузки R_Н в цепь канала открытого транзистора и при выполнении условия (3.3), если величина R_Н достаточно велика, то это сопротивление будет влиять на сопротивление канала транзистора.

Переходная характеристика ключа.

На участке AB транзистор VT1 закрыт, так как |u₁| < E_З01, а транзистор VT2 открыт и работает в крутой области характеристик. В точке B напряжение u₁=E_З01, и транзистор VT1 открывается. На участке BC транзистор VT1 работает в пологой области характеристик, а VT2 — в крутой. На участке CD оба транзистора работают в пологой области характеристик. При этом VT1 продолжает открываться, а VT2 — закрываться. В точке D транзистор VT1 переходит в крутую область характеристик. На участке DE VT1 работает в крутой области характеристик, а VT2 — в пологой. В точке E транзистор VT2 запирается.

3. Работа транзисторного ключа при периодическом входном сигнале

Рассмотрим ключ на биполярном транзисторе типа n-p-n с активной нагрузкой R_Н.

Сначала для рассмотрения ключа примем допущения:

1. Транзистор безынерционный, то есть постоянная времени _=0;

2. Ток I_К0  0, а U­_ОСТ = U_КЭН0.

При периодическом входном сигнале определяются средние значения токов и напряжений за период:

I_Нср=I_КНK_З,

где K_З=t_И/T — коэффициент заполнения.

I_Нср== (3.5)

U_Нср=U_ННK_З, U_КЭН=E_К–U_НН.

Среднее значение мощности на нагрузке Р_Нср=(E_К–U_НН)I_КНК_З.

Мощность рассеивания (потерь) Р_ТР=U_КЭНI_КНК_З.

Мощность, потребляемая от источника питания P₀=E_KI_KHK_З.

КПД ключа =80%.

КПД ключа не зависит от частоты коммутаций безынерционного транзистора, а зависит только от параметров схемы, определяющих U_КЭН.

Коэффициент использования транзистора

K_Итр==2030.

Теперь учтем инерционные свойства транзистора: _0.

Если I_Б — кажущийся ток, и I_Б>>I_КН, то можно считать, что ток меняется по линейному закону при включении и выключении транзистора.

при включении i_K(t) = I_KH,

при выключении i_K(t) = I_KH.

При большой частоте коммутаций транзистора динамические потери на фронтах могут быть соизмеримы, а то и больше потерь на насыщенном транзисторе, поэтому их надо учитывать при определении КПД рассматриваемого ключа (усилителя класса D). Суммарные потери транзистора, которые теряются в коллекторной цепи:

P_ТР=P_К=P_KH+P_KФ

P_KH=U_КЭНI_КНК_З

при включении p_Ф1=U_Ki_K(t_Ф1)

при выключении p_Ф2=U_КЭНi_K(t_Ф2).

P_Ф1== – (3.6)

P_Ф2== – (3.7)

Будем считать, что t_Ф1=t_Ф2. Тогда

P_Ф1=P_Ф2=P_Ф=2=E_KI_KH (3.8)

Суммарные потери в транзисторе P_ТР=P_К=U_КЭНI_КНK_З+.

7