Електронні ключі

До складу багатьох імпульсних пристроїв входять електронні ключі. Основу будь-якого електронного ключа складає активний елемент (напівпровідниковий діод, транзистор, тиристор, електронна лампа), що працює в ключовому режимі. Ключовий режим характеризується двома станами ключа: “увімкнуто” – “вимкнуто”. На рис. 1а-б наведені спрощені схеми і тимчасові діаграми ідеального ключа. При розімкнутому ключі I = 0, U_вих =E, при замкнутому ключі I=E/R, U_вих=0. При цьому розуміють, що опір розімкнутого ключа нескінченно великий, а опір замкнутого рівний нулю. А реальних ключах струми, а також рівень вихідної напруги що відповідає стану “увімкнуто” – “вимкнуто”, залежить від типу й параметрів активних елементів і перехід з одного стану інший проходить не миттєво, а на протязі часу, обумовленого інертністю активного елемента й наявністю паразитних ємностей та індуктивностей у колі.

Якість електронного ключа визначається слідуючими основними параметрами: падінням напруги на ключі в замкнутому стані U_з; струмом через ключ в розімкнутому стані I_р; часом переходу з одного стану в інший (часом переключення ) t_пер^.

Чим менше значення величин U_з, I_р і t_пер, тим вища якість ключа.

Діодні ключи

У склад багатьох імпульсних пристроїв входять електронні ключі. Основу будь-якого електронного ключа складає активний елемент (напівпровідниковий діод, транзистор, тіристор, електронна лампа), що працює у ключовому режимі. Ключовий режим характеризується двома станами ключа:» увімкнено» -«вимкнуто»/

На рис. 10 а-в подані спрощена схема та часові діаграми ідеального ключа. При розімкнутому ключі I = 0, U_вих = Е, при замкнутому I = E/R, U_вих = 0. При цьому вважають, що опір розімкнутого ключа нескінчено великий, а опір замкнутого ключа дорівнює нулю. В реальних ключах струми, а також рівні вихідної напруги, що відповідають станам “увімкнено” – “вимкнуто”, залежать від типу та параметрів використаних активних елементів і перехід з одного стану в іншій відбувається не миттєво, а на протязі часу, який обумовлений інерційністю активного елемента та наявністю паразитних ємностей та індуктивностей кола.

Якість електронного ключа визначається наспупними основними параметрами:

• спадом напруги на ключі у замкненому стані U_з;

• струмом через ключ у розімкненому стані I_p

• часом переходу з одного стану в інший (часом перемикання t_пер.)

Чим менше значення величин U_з, І_р та t_пер , тим вище якість ключа.

Рис. 10. Ідеальний ключ

Найпростіший тип електронних ключів – діодні ключі. В якості активних елементів в них використовується напівпровідникові або електровакуумні діоди. На рис.11а подана схема послідовного діодного ключа, а на рис. 11 б – його передавальна характеристика.

Рис. 11. Послідовний діодний ключ

При позитивній вхідній напрузі діод відкритий і струм через нього

I=U_вх/R_пр+ R (34)

де R_пр – прямий опір діода.

Вихідна напруга

U_вих =R I = R (35)

Звичайно R_пр<<R, тоді U_вих U_вх . При відємній вхідній напрузі зворотній струм через діод

I=U_вх/R_звор+R (36)

де R_звор – зворотній опір діода.

При цьому вихідна напруга

U_вих=R I=R (37)

Як правило R_звор>>R і . При зміні полярності ввімкнення діода графік функції повернеться на кут 180⁰ навколо початку координат.

Схема на рис. 11а, відповідає нульовому рівню увімкнення (рівень вхідної напруги визначається відкриванням або закриванням діода). Для зміни рівня увімкнення в коло ключа вводять джерело напруги зміщення (рис. 12а). В цьому випадку при U_вх>E₀ діод відкритий і , а при U_вх<E₀ закритий і U_вих=Е₀. якщо зміниться полярність джерела Е₀, то графік функції U_вих(U_вх) набирає вигляду як подано на рис. 12б пунктирною лінією.

В якості джерела Е₀ часто використовують резисторний подільник напруги підєднаний до спільного для електронного пристрою джерела напруги. Використовуючи змінний резистор як регулюючий подільник напруги, можна змінити рівень увімкнення.

Рис. 12. Послідовний діодний ключ із зміщенням

На рис. 12а подана схема паралельного діодного ключа, а на рис. 12б – його передавальна характеристика. При позитивній вхідній напрузі діод відкритий (ключ замкнутий), U_вих= 0 , а при від’ємній – закритий(ключ розімкнутий), . Для зміни рівня увімкнення в коло ключа вводять джерело напруги зміщення Е₀, увімкнуте послідовно з діодом (рис. 4а). При зміні полярності включення діода і джерела Е₀ одержують характеристику, що подана на рис. 12б пунктирною лінією.

Комбінацією двох діодних ключів дає можливість отримати двійковий діодний ключ (рис. 13), який передає вхідну напругу на вихід ключа, якщо він знаходиться в межах допуску, що визначається рівнями увімкнення першого (U_вх1) і другого (U_вх2) ключів рис. 13б.

Рис. 13. Паралельний діодний ключ

Рис. 14. Паралельний діодний ключ із зміщенням

Рис. 15. Подвійний діодний ключ

Час перемикання діодних ключів t_пер, визначення їх швидкодії залежить від паразитних ємностей діодів (ємності р-n переходу) і ємності монтажу, а також від часу вимкнення діода t_викл, який визначається часом рекомбінації носіїв заряду. Для підвищення швидкодії ключів застосовують малоінертні діоди. Так, у звичайних діодах t_викл>0.5 мкс, а в дифузних діодах t_викл≈0.05 с.

***

Ключі на біполярних і польових транзисторах.

Режим транзистора в схемі ключа (відсіку, активний, насичення).

Передавальна характеристика й динамічні властивості ключа.

Схемні варіанти ключів на транзисторах біполярної і КМОП структури.

Діодні ключі не дозволяють електрично розділяти керуючого і керованого ланцюгів, що часто потрібно на практиці. В цих випадках використовують транзисторні ключі. На рис. 1,а приведена схема ключа на біполярному транзисторі. Вхідний (керуючий) ланцюг тут відокремлений від вихідного – керованого ланцюга.

Рис. 16. Транзисторний ключ на біполярному транзисторі

Ключ мало відрізняється від підсилювача, виконаного за схемою зі спільним емітером. Однак транзистор працює в ключовому режимі, що характеризується двома станами. Перший стан визначається точкою АІ на вихідних характеристиках транзистора; його називають режимом відсічки. В режимі відсічки струм бази І_б=0, колекторний струм І_к1 рівний початковому колекторному струму, а колекторна напруга U_к=U_к1≈Е (рис.1,б). Режим відсічки реалізується при від’ємних потенціалах бази. Другий стан визначається точкою А2 і називається режимом насичення. Він реалізується при позитивних потенціалах бази. При цьому струм бази визначається в основному опором резистора R_б, і І_б2=U_вх/R_б оскільки опір відкритого емітерного переходу мало. Колекторний перехід також відкритий, і струм колектора І_к2≈Е_к/R_б , а колекторна напруга U_к2≈0. з режиму відсічки в режим насичення транзистор переводиться впливом позитивної напруги. При цьому збільшенню вхідної напруги (потенціалу бази) відповідає зниження вихідної напруги (потенціалу колектора), і навпаки. Такий ключ називають інвертируючим (інвертором). В розглянутому транзисторному ключі рівні вихідної напруги, що відповідають режимам відсічки і насичення, стабільні і майже не залежать від температури.

Існують також повторюючі ключі, в яких зниженню вхідної напруги відповідає зниження вихідної напруги. Повторюючий ключ виконують за схемою емітерного повторювача.

Час перемикання ключів на біполярних транзисторах визначається бар’єрними ємностями р-n-переходів і процесами накопичення і розсіювання неосновних носіїв заряду в базі.

Для підвищення швидкодії і вхідного опору застосовують ключі на польових транзисторах.

В ключових схемах польові транзистори використовуються при малих напругах стік- витік, тобто в режимах, далеких від насичення характеристик напруга стоку – струм стоку (режим, в якому вони використовуються в підсилювальних каскадах, – його не слід плутати з насиченням біполярних транзисторів), при цьому опір каналу польового транзистора складає

R_{3 дифф}=1/S,

де S – крутизна в насиченому режимі при даній напрузі затвора.

Рис. 17. Ключ на польовому транзисторі

На рис.2 показана типова схема ключа на польовому транзисторі з p-n переходом. Максимальне значення крутизни VT4 досягається при U₃=0 (відносно витоку) і складає S_max=2I_Cнав/U₀. Тому бажано в відкритому стані підтримувати U₃=0 відносно стоку і витоку. Разом з тим недопустима поява струму затвору (пряме зміщення р-n-переходу). Але якщо зафіксувати U₃=0 при певній напрузі U_вх≈U_вих(U_с≈Uu), то при зміні сигналу р-n-перехід затвору може виявитись зміщеним в прямому напрямку.

Найкращим вирішенням цього протиріччя є використання „плаваючого” затвору у відкритого транзистора, що і зроблено в даній схемі. Коли вихід ЛЕ відкритий, VT1 насичений, і потенціал, близький до +Е, встановлюється на базі VT2. Колекторний перехід VT2 закритий (це зворотньозміщений діод), при U_вх≈U_вих ключа, менших +Е-2U_бе, затвор стає в „плаваючий” режим і сам „слідкує” за напругою каналу. При перемиканні вентиля діод VD закривається, а відкривається повторювач VT3, і слідом – тепер вже прямозміщений колекторний перехід VT2. Потенціал затвору VT3 фіксується на рівні –Е+2U_бе, транзистор VT4 закривається. Ключ буде розімкнений, якщо U_вх і U_вх>–Е+2U_бе+U₀. Таким чином, діапазон комутуючих напруг складає +Е-2U_бе>U_вх>–Е+2U_бе+U₀. При Е=15 В і U₀<3 В В>=U_вх>=-10 В із запасом.

Час перемикання таких ключів біля 1 мкс, а опір в замкнутому стані R₃ пр10÷100 Ом, струми відсічки на виході при 25°С не більше 1 нА, проте швидко зростають з температурою і при 70°С можуть досягати 50 нА.

Для побудови ключів на МОН-транзисторах принцип „плаваючого” затвору в замкнутому стані не підходить. Щоб мінімізувати ефекти від модуляції опору ключа аналоговим сигналом, використовуються комплементарні схеми (рис.3). Тут обидва МОН-транзистори – збідненого типу, тому в середній частині діапазону аналогового сигналу вони обидва відкриті. При зміщенні U_вх від нуля провідність одного з транзисторів поступово знижується, проте провідність другого швидко зростає. В результаті отримується, що опір R₃ практично не залежить від U_вх. Напруги відсічки обох МОН-транзисторів повинні бути менші, ніж відповідні потенціали керування на затворах. Ці потенціали завжди змінюються в протифазі і задаються від КМОН-логічних елементів, розміщених в тому ж кристалі ІМС, що і ключ.

Основне джерело недоліків КМОП-логічних – втрати через підложки транзисторів. Підложка утворює з витоком і стоком оберненозміщені р-n-переходи, і струми цих переходів зумовлюють як втрати на виходах, так і динамічний опір в розімкненому стані. Заземлені за сигналом підложки забезпечують ізоляцію землею, а тому R_р._диф тут такого ж порядку, що й і у місткових діодних ключів. Струми втрати складають десятки на, а R_3.диф=10÷100 Ом при часі перемикання 0,1-1 мкс, заряді викиду Q=0,1÷1 пКл і С_екв=3÷10 пФ при гарному узгодженні С_зс і С_зв обох транзисторів, фронтів і перепадів схеми керування.

Рис. 18. Ключі на МОН-транзисторах

Зі сказаного видно, що ключі на біполярних елементах кращі в схемах швидкісної комутації сигналів високого рівня (це не відноситься до ключів з гальванічним розділенням). Якщо вимоги до швидкодії не жорсткі, то ключі на польових транзисторах мають переваги і за точністю, і за спживаною схемами потужністю. При комутації сигналів низького рівня (<100 мВ) перевагою користуються КМОН-ключі.

В наш час випускається велика номенклатура ключей у мікросхемному виконанні, наприклад, 143КТ1, 168КТ2, 176КТ1, 564КТ3 (по два або 4 ключі у одному корпусі). На рис. 4 подана схема чотирьохканального ключа 564КТ3, що працює в обох напрямках передачі біполярного сигнала з амплітудою від –5 до +5 В. Керуючі сигнали для цього формуються триггерним ргістром DD1.

Із ключей можуть бути побудовані багатоканальні комутотори сигналів (наприклад, що мають 8 входів та 1 вихід). Такі комутатори

Рис. 19. Ключ на микросхемі 564КТ3

випускаються у мікросхемному виконанні: 564КП2 (вісьмиканальний комутатор), 564КП1 (два чотириканальних комутатора), 590КН1 (вісьмиканальний комутатор) тощо. Керуючі сигнали для них можуть формуватися беспосередньо на цифрових лічильниках.

Електронні ключі часто використовують як пристрій формування імпульсів. До найпростіших і найбільш поширених пристроїв формування імпульсів відносять обмежувачі, а також лінійні кола, що мають на виході електронні ключі.

Обмежувачем називають чотириполюсник (нелінійний), вихідна напруги якого повторює форму вхідної напруги, якщо остання не виходить за рівні обмеження, і майже не змінюється, якщо вхідна напруга перевищує ці рівні.

В якості обмежувачів використовують розглянуті електроні ключі.