Способы повышения быстродействия транзисторных ключей

 

Рассмотрим наиболее широко распространенные схемные способы повышения быстродействия ТК, среди которых можно выделить:

1. Форсирование динамического режима включения и отключения с помощью RС-цепей.

2. Использование фиксирующих диодов.

3. Использование нелинейной обратной связи.

4. Применение переключателей тока.

 

Форсирование динамического режима включения и отключения (рис. 4.18, а).

 

Рисунок 4.18 – Схема повышения быстродействия ТК

 

Шунтирование части базового резистора R_Б1 конденсатором С создает зарядную цепь СR_Б1 в которой в момент включения устанавливается ток

 

. (4.29)

 

По мере заряда конденсатора базовый ток уменьшается, и в установившемся режиме становится равным

 

. (4.30)

 

Изменение базового тока происходит в соответствии с уравнением

 

. (4.31)

где τ_ВКЛ = С (R_Б1||R_Б2).

Запирание транзистора также сопровождается динамическим форсированием из-за разряда конденсатора С, добавляющего к постоянному запирающему смещению экспоненциально уменьшающийся потенциал, величина которого в начальный момент времени равна U_С (0) = I_Б.ВКЛ (∞) R_Б1. Изменение базового тока отключения происходит в соответствии с уравнением

 

, (4.32)

где

. (4.33)

 

На рис. 4.18, б показаны временные диаграммы изменения базового и коллекторного токов и заряда в базе сплошными линиями для схемы с динамическим форсированием, штриховыми − без нее. Из этих диаграмм видно, что динамическое форсирование позволяет существенно уменьшить время рассасывания, обеспечивая одновременно малую длительность фронтов импульсов.

Фиксирующие диоды. Устранить насыщение можно путем фиксации потенциала коллектора открытого транзистора на уровне E_Ф (рис. 4.19), причем | Е_Ф |<| Е_К |, но | Е_Ф | > | U_KH |, где U_KH − напряжение на коллекторе в режиме насыщения.

Рисунок 4.19 – Фиксирующие диоды

 

По мере отпирания транзистора потенциал U_K коллектора растет (т. е. уменьшается по абсолютному значению), при | U_K | ≤ | Е_Ф |диод D отпирается и потенциал коллектора фиксируется на уровне Е_Ф (если пренебречь напряжением на открытом диоде). Теперь при токе базы I_Б > I_БН = Е_К / βR_К коллекторный ток равен β I_Б; часть этого тока

(4.34)

идет через резистор R_К остальная часть − через диод D.

При запирании транзистора коллекторный ток начинает убывать с постоянной времени τ_Р, но потенциал коллектора остается постоянным и равным Е_Ф до тех пор, пока диод D не закроется. Передний фронт импульса напряжения укорачивается, так как он формируется на коротком участке. Задний же фронт, как и в насыщенном транзисторе, формируется с запаздыванием, которое можно устранить введением в схему отрицательной обратной связи (ООС), препятствующей насыщению транзистора.

Нелинейная обратная связь (рис. 4.20). В этой схеме насыщение транзистора предотвращается тем, что коллекторный потенциал с помощью диода D фиксируется на уровне потенциала базы.

 

Рисунок 4.20 – Нелинейная обратная связь

 

При включении транзистора в первый момент времени потенциал анода диода D равен почти − Е_К, а потенциал катода

 

. (4.35)

 

Диод закрыт и базовый ток транзистора равен

 

>> I_БН (4.36)

 

Транзистор форсировано открывается до точки 2(рис. 4.20, в). В точке 2 напряжение U_K(t) = U₁ и диод открывается. Схема приобретает вид (рис. 4.20, б), где R_Э = R_Б1 || R_Б2. Вступает в действие ООС между коллектором и базой. Теперь ток I_Б определяется величиной U_K(t), которая, в свою очередь, зависит от I_Б. Схема дотягивает до динамического установившегося значения U_K(∞), причем транзистор работает в активном (ненасыщенном) режиме. Величина U_K(∞) может быть определена из эквивалентной схемы (рис. 4.20, б).

Можно записать

 

, (4.37)

 

где .

Подставляя значение I_Э в уравнение (4.37), после преобразования получим

. (4.38)

Существенного повышения быстродействия можно добиться только при использовании в качестве D диодов, имеющих малое время восстановления, т.е. высокочастотных. Для низкочастотных диодов, у которых время рассасывания заряда, накопленного в базе, велико, эффект от введения нелинейной обратной связи будет незначительным. Максимальное быстродействие ТК обеспечивается при включении в качестве диода D диода Шоттки (рис. 4.20, а). Так как диод отпирается при более низком напряжении между коллектором и базой, когда транзистор еще находится на границе активного режима, отпадает необходимость во введении дополнительного источника смещения.

Кроме существенного повышения быстродействия ТК с нелинейной ОС имеет и недостатки, основными из которых являются:

-относительно большее (порядка 0,5 В и более) падение напряжения на открытом ключе;

-худшая помехоустойчивость, что объясняется более высоким входным сопротивлением в открытом состоянии;

-существенно худшая температурная стабильность.

Ключи на тиристорах

 

Тиристоры составляют наиболее широкий класс полупроводниковых приборов с отрицательным сопротивлением и предназначены в основном для коммутации токов и напряжений в сильноточных схемах. Большое число типов тиристоров с разнообразными характеристиками определяют многообразие ключевых и коммутирующих схем на их основе, тем не менее, общее свойство этих приборов − S -образная вольтамперная характеристика − позволяет обобщенно подходить к анализу статических и динамических свойств тиристорных ключей.

Для обеспечения работы ключа в двух устойчивых режимах его нагрузочная прямая должна пересекать вольт-амперную характеристику в трех точках, из которых два положения являются устойчивыми. Если при отсутствии входного сигнала приложенное к тиристору прямое напряжение не превышает U_ВКЛ, то ключ находится в закрытом состоянии. Однако с приближением напряжения на тиристоре к величине, равной U_ВКЛ, закрытое состояние оказывается неустойчивым. Более того, некоторые образцы тиристоров могут самопроизвольно отпираться при выдержке под напряжением, значительно меньшем U_ВКЛ, что проявляется особенно сильно с увеличением, температуры. Поэтому закрытое состояние тиристора характеризуется лишь частью напряжения U_ВКЛ, т. е. максимально допустимым прямым напряжением U_{ПР.МАКС}, находясь под которым прибор должен оставаться закрытым в течение всего срока службы.

Для трехэлектродных тиристоров значение U_{ПР.МАКС} можно увеличить, если зашунтировать управляющий переход или подать на него отрицательное смещение, что вызывает протекание в цепи управляющего электрода запирающего тока I_У.ОБР, причем в случае шунтирования управляющего перехода ток I_У.ОБР является частью тока анода, ответвляющейся в цепь шунта.

Сопротивление тиристорного ключа в закрытом состоянии определяется током утечки в прямом направлении I_УТ, измеренным при напряжении U_{ПР.МАКС} и максимально допустимой температуре, и током I_К0 центрального перехода П ₂. Это позволяет использовать в качестве эквивалентной схемы тиристора в закрытом состоянии сопротивление, величина которого равна R_ОБР, и источник тока I_К0.

Сопротивление ключа в открытом состоянии определяется остаточным напряжением U_ОБР, измеренным при протекании максимального прямого тока I_ПР.МАХ, который задается исходя из максимально допустимой мощности рассеивания на тиристоре Р_МАХ. Это позволяет заменить открытый тиристор эквивалентным сопротивлением R_ПР. величина которого равна R_ПР = U_ОСТ / I_ПР.МАХ и источником напряжения U_ОСТ.

Переключение тиристора из закрытого состояния в открытое должно осуществляться подачей отпирающего импульса в цепь управления для трехэлектродных приборов − триодных (ТТ) и запираемых (ЗТ) тиристоров или в цепь анод-катод для диодных тиристоров (ДТ). Между амплитудой импульса U_{ВКЛ.ИМП}, переключающего ДТ в открытое состояние, которую в соответствии со справочными обозначениями, принятыми для диодных тиристоров, будем обозначать U_ПУСК, и статическим значением U_ВКЛ не существует корреляционного соответствия. Амплитуда U_ПУСК в основном зависит от длительности фронта импульса отпирающего напряжения на аноде тиристора t_Ф, емкости участка анод-катод закрытого диодного тиристора C_ДТ ≈ C_П2 где C_П2 − емкость центрального р-n перехода, а следовательно, и от внутреннего сопротивления генератора отпирающих импульсов R_ВН.

Для отпирания импульсного ключа, выполненного на трехэлектродном приборе (ТТ или ЗТ), и запирания ключа на ЗТ необходимо обеспечить протекание определенного импульса тока в цепи управления тиристора. Амплитуда этого импульса, прежде всего, зависит от его длительности, а при запирании − и от величины прямого тока анода I_ПР, протекающего через открытый тиристор.

Одним из основных параметров, характеризующих процесс отпирания трехэлектродных тиристоров, является импульсный ток спрямления I_СПР, под которым следует понимать минимальную амплитуду положительного импульса тока управления заданной длительности, переключающего тиристор в открытое состояние при определенном напряжении на аноде.

Поскольку импульсный ток управления I_У.ОБР запирающий тиристор, зависит от тока анода I_ПР, то управляемость запираемого тиристора характеризуется импульсным коэффициентом запирания B_ЗАП = I_ПР / I_ЗАП (при I_У.ОБР = I_ЗАП тиристор запирается).

Длительность процесса отпирания характеризуется временем задержки t_З (ток анода возрастает до 0,1 I_ПР) и временем установления прямого сопротивления t_УСТ (ток анода изменяется от 0, I_ПР до 0,9 I_ПР), которые в сумме составляют время включения t_ВКЛ, а длительность процесса запирания характеризуется временем запаздывания t_ЗП (ток анода уменьшается до 0,9 I_ПР) и временем спада t_СП (ток анода изменяется от 0,9 I_ПР до 0,1 I_ПР), которые в сумме составляют время запирания t_ЗАП.

Время переключения тиристорного ключа, несмотря на действие сильной внутренней положительной обратной связи составляет существенно большую величину, чем аналогичный параметр у транзисторных ключей. Это объясняется режимом глубокого насыщения
p-n-p-n структуры и связанным с ним накоплением и рассасыванием большого объемного заряда. Из-за этого время включения тиристора составляет единицы микросекунд, а выключения − десятки и сотни микросекунд, уменьшаясь у высокочастотных тиристоров и тиристоров, прямой ток которых существенно меньше максимально допустимого.

Заметим, что при активно-индуктивном характере нагрузки тиристорного ключа нарастание прямого тока определяется не только и не столько инерционностью самого прибора, сколько постоянной времени нагрузки. Для таких ключей длительность управляющих импульсов выбирается не только по минимально заданным справочным данным, но и в зависимости от постоянной времени нагрузки, учитывая, что в течении длительности импульса управления прямой ток должен успеть превысить величину I_ВЫКЛ.

К числу параметров, характеризующих отпирание тиристорного ключа, следует отнести и максимально допустимую скорость нарастания анодного тока (dI_ПР/dt) _MAX. Ограничение скорости (dI_ПР/dt)сверху обусловлено влиянием неодномерных явлений на процесс отпирания тиристора и оказывается особенно сильным в режимах, когда амплитуда импульса прямого тока I_ПР.ИМП >> I_ПР.МАХ. Значения (dI_ПР/dt) и I_{ПР.ИМП.МАХ}. зависят от длительности импульсов прямого тока и частоты ихследования.

Построение и расчет цепей отпирания, выключения и запирания тиристорных ключей являются первоочередными задачами, которые приходится решать при проектировании тиристорных устройств. При этом под выключением тиристоров понимается их выключение пo анодной цепи, а под запиранием − выключение по цепи управляющего электрода.

Анализ цепей отпирания. Цепь отпирания должна обеспечить включение от импульса сигнала управления, защиту тиристора от отпирающего импульса помехи и запас по минимально допустимому режиму входной цепи прибора. Эти требования необходимо удовлетворить в заданном диапазоне внешних, например, температурных, воздействий для любого тиристора выбранного типа.

Для обеспечения гарантированного включения тиристора и исключения его срабатывания от сигнала помехи U_ПОМ необходимо удовлетворить неравенства

 

, (4.39)

 

, (4.40)

 

где U_ПОМ.У и I_ПОМ.У − допустимые значения напряжения и тока помехи, действующей в управляющей цепи.

В случае индуктивного характера нагрузки (рис. 4.21, а) длительность импульса управления необходимо увеличить до значения

 

, (4.41)

 

где I_ПР − установившееся значение тока нагрузки; τ_Н = L_Н / R_Н; t_ВКЛ − длительность импульса управления при чисто активной нагрузке.

 

 

Рисунок 4.21 – Индуктивная нагрузка

Для уменьшения длительности управляющих импульсов индуктивную нагрузку целесообразно шунтировать активным сопротивлением или последовательной RС-цепью (рис. 4.20, б и в), параметры которых для схемы рис. 4.20, а выбираются из условия

 

, (4.42)

а для схемы рис. 4.20

 

; . (4.43)

 

Применение резистивно-емкостного шунта уменьшает потери мощности по сравнению с чисто резистивным шунтом, однако при

 

, (4.44)

 

в схеме могут возникнуть колебательные процессы. Основные схемы цепей отпирания ключей на тиристорах показаны на рис. 4.22. Включение диода в управляющую цепь тиристора (рис. 4.22, а и б) исключает протекание обратного тока через управляющий переход, что не допускается для обычных триодных тиристоров, авключение R_Ш повышает устойчивость тиристоров против самопроизвольного включения. В схеме (рис. 4.22, б)роль сопротивления шунта играет малое по постоянному току сопротивление выходной обмотки трансформатора. Включение разделительной емкости C_Р в схеме рис. 4.22, в позволяет сформировать управляющий импульс с формой, близкой к оптимальной, т.е. крутым и большим по амплитуде передним фронтом и экспоненциально убывающей вершиной.

Схемы цепей отпирания ключей на диодных тиристорах приведены на рис. 4.22, г-е. При подаче короткого импульса положительной (рис 4.22, г) или отрицательной (рис. 4.22, д) полярности в цепи анод-катод тиристора через емкость центрального перехода C_П2 = C_S протекает ток, который обеспечивает накопление в базах S заряда Q_ВКЛ, необходимого для отпирания прибора. Диод D₁ увеличивает входное сопротивление схемы. Для отпирания S в схеме рис. 4.22, д должны выполняться неравенства

 

и . (4.45)

а в схеме рис. 4.22, г и д – неравенства

 

и , (4.46)

где t_Ф.МАХ − максимальная длительность фронта входного импульса C_S − емкость тиристора.

Рисунок 4.22 − Схемы цепей отпирания ключей на тиристорах

 

Анализ цепей выключения. Для выключения тиристора по аноду необходимо уменьшить протекающий через тиристор ток до величины меньшей I_ВЫКЛ.MIN, на время большее t_ВЫКЛ. В цепях постоянного тока эта задача решается с помощью транзисторного ключа или коммутирующих реактивных элементов

Схемы выключения тиристорного ключа с последовательным и параллельным транзисторами показаны на рис. 4.23, а и б. Последовательный транзистор, запираясь положительным импульсом, прерывает протекание тока через тиристор на время t_И > t_ВЫКЛ. Дополнительное подключение Е₀ повышает надежность выключения, компенсируя ток I_К0 закрытого транзистора, и способствует повышению скорости рассасывания объемного заряда и, тем самым, уменьшает время выключения тиристора.

 

 

 

Рисунок 4.23 − Схемы выключения тиристорного ключа

 

В схеме с параллельным транзистором при его отпирании основная часть анодного тока тиристора ответвляется через транзистор, прямой ток тиристора уменьшается ниже I_ВЫКЛ.MIN и тиристор запирается. Для повышения надежности запирания последовательно с тиристором можно включить диод D, который увеличивает остаточное напряжение и сопротивление шунтируемой транзистором цепи и тем самым уменьшает протекающий в ней при открытом транзисторе ток.

Поскольку в тиристорных ключах с транзисторными схемами выключения рассасывание накопленного в структуре заряда происходит только за счет процессов рекомбинации, то время выключения тиристоров затягивается, а амплитуды коммутируемых токов и напряжений, определяемые характеристиками транзисторов, ограничивают область применения тиристорных ключей. Такие схемы выключения применяются только для маломощных тиристоров.

Более широко в импульсной технике используются схемы выключения с помощью заряженного конденсатора и вспомогательного тиристора. Суть работы этих схем выключения заключается в том, что предварительно заряженный конденсатор с помощью вспомогательного тиристора подключается к основному тиристору таким образом, что ток его разряда направлен навстречу прямому току основного тиристора, что обеспечивает его форсированное запирание. Коммутирующий конденсатор С может быть подключен с помощью вспомогательного тиристора S 2параллельно основному тиристору S 1(рис. 4.24, а - в),параллельно нагрузке (рис. 4.24, г и д) или к соединенным последовательно тиристору S 1и нагрузке (рис. 4.24, е). Соответственно различают параллельную (рис. 4.24, а - д)и последовательную (рис. 4.24, е)коммутации.

Параметры коммутирующей емкости С и дросселя L рассчитывают исходя из условия, при котором на основном тиристоре за время перезаряда конденсатора до нуля сохраняется обратное напряжение течение отрезка времени длительностью не меньше t_ВЫКЛ. Заряд конденсаторов С обеспечивается специальной зарядной цепью, которая на (рис. 4.24, б и е)не показана.

Рисунок 4.24 − Схемы выключения тиристорного ключа

 

Для формирования мощных коротких импульсов используется выключение тиристоров с помощью последовательного LC-контура. Основное преимущество способа заключается в простоте коммутирующих цепей (рис. 4.25), не содержащих вспомогательных тиристоров и зарядных цепей. Для выключения тиристора с помощью LC-контура ударного возбуждения при R < Е/ I_ВЫКЛ прежде всего необходимо, чтобы конденсатор разряжался (рис. 4.25, а и б)или заряжался (рис. 4.24, в)по колебательному закону и при этом выполнялось условие

 

, (4.47)

 

где I₁ − значение первого отрицательного экстремума переменной составляющей тока, протекающего через индуктивность контура; R1 − сопротивление, учитывающее омическое сопротивление катушки и нагрузки.

В схеме рис. 4.25, а после отпирания тиристора S и изменения направления тока, протекающего через индуктивность контура, открывается диод D. К тиристору в течение времени ∆ t (пока открыт диод D и ток контура С − R1 – L − D превышает ток, равный E / (R+R1) прикладывается обратное напряжение. Значения L и С можно рассчитать по формулам

 

. (4.48)

 

Коммутирующая цепь (рис. 4.25, а)позволяет построить схемы формирователей импульсов длительностью t_И > t_ВЫКЛ. Для формирования мощных коротких импульсов длительностью t_И < t_ВЫКЛ можно использовать схемы рис. 4.24, б и в. В этой схеме коммутационный ток контура протекает через тиристор S взапирающем направлении, что форсирует процесс его запирания.

 

Рисунок 4.25 − Коммутирующие цепи для выключения тиристоров

 

Анализ цепей запирания. Существует два вида цепей запирания ключей на запираемых тиристорах: с накопителем и без накопителей энергии.

Цепи с накопителем энергии представлены на рис. 4.26. В этих схемах включение (рис. 4.26, а) или отключение (рис. 4.26, б)ключа SA приводит к разряду энергии, накопленной в конденсаторе или индуктивности, в направлении, запирающем тиристор S.

Схемы включения тиристора для простоты не показаны. Параметры элементов запирающей цепи выбираются из условия:

 

, (4.49)

, (4.50)

 

для схемы рис. 4.25, б

 

; (4.51)

. (4.52)

 

Цепи запирания, не содержащие накопителей энергии, благодаря простоте, малым размерам и массе, а также высокому быстродействию могут наиболее успешно использоваться при построении тиристорных ключей на запираемых тиристорах.

 

 

Рисунок 4.26 − Цепи с накопителем энергии

 

Принцип запирания S без накопителей энергии показан на рис. 4.27, а. Запирание тиристора S, включенного ранее положительным импульсом через диод D при разомкнутом ключе SA, осуществляется замыканием ключа SA. При этом через управляющую цепь протекает обратный ток I_У.ОБР, величина которого, согласно упрощенной эквивалентной схеме (рис. 4.27, б), равна

 

. (4.53)

 

Если соблюдается условие I_У.ОБР ≥ I_ПР / B_ЗАП то тиристор закрывается. Минимальная величина R_Н, при которой можно использовать этот метод, имеет место при R_Б = 0 и может быть найдена из соотношения

 

. (4.54)

 

 

Рисунок 4.27 – Запирание тиристора

 

В качестве ключа SA можно использовать маломощные транзистор или тиристор (рис. 4.28).

 

Рисунок 4.28 − Использование маломощных транзисторов или тиристоров

в качестве ключа

В отсутствии запирающего сигнала U_ЗАП транзистор T и тиристор S 2заперты, а тиристор S 1может быть включен сигналом U_ОТП. При поступлении сигнала U_ЗАП ключ в запирающей цепи открывается, пропуская через себя ток запирания S 1. В схеме 4.28, где используется разделенная нагрузка, величина сопротивления R_Н2 может быть выбрана из условия (4.54) при R_Н = R_Н2.

 

Аналоговые ключи

 

Аналоговые ключи предназначены для передачи сигналов с минимальными искажениями в открытом состоянии и отключают цепи источников сигнала от цепей потребления в закрытом состоянии. Аналоговые ключи могут коммутировать ток или напряжение. Для коммутации напряжения можно использовать либо однополюсный последовательный ключ (прерыватель), либо переключатель на два положения (нагрузка подключается к источнику напряжения или к общей точке схемы). При коммутации же тока необходим переключатель на два положения (ток источника никогда не должен прерываться, а лишь переключаться в различные ветви цепи).

Требования к характеру нагрузки должны быть различными для ключей тока и напряжения. В цепи для коммутации напряжения нагрузка должна иметь достаточно высокое сопротивление по сравнению с выходным сопротивлением источника сигнала, а для коммутации тока − наоборот. Реальные аналоговые ключи вносят погрешность при передаче сигнала (тока, напряжения) от источника в нагрузку. Основными параметрами ключа, определяющими значение погрешности, являются остаточное напряжение на замкнутом ключе U_ОСТ, сопротивление открытого ключа R_ПР.

Кроме основных параметров, аналоговые ключи характеризуются рядом дополнительных, которые позволяют определить основные режимы работы ключа и его влияние на передаваемый сигнал и сопряженную с ним схему. К таким параметрам относятся:

Ток утечки из цепи управления в сигнальную цепь в замкнутом состоянии ключа, равный разности токов через входной и выходной выводы ключа. Особое значение этот параметр имеет для ключей тока. Для ключей напряжения при значительном токе утечки важно, куда он течет: в источник сигнала или в нагрузку.

Диапазон входных сигналов − диапазон напряжений или токов, который способен переключать данный ключ. Он ограничивается схемой управления, пробивными напряжениями ключа и допустимой погрешностью передачи входных сигналов.

К параметрам разомкнутого ключа относятся токи утечки по входу и выходу разомкнутого ключа и обратные сопротивления. В паспортных данных обычно указывают максимальные значения токов утечки на входе и выходе разомкнутого ключа при нормальной и максимальной температурах.

Времена включения и выключения, которые определяют при заданном полном сопротивлении нагрузки (обычно 10 кОм с параллельно включенной емкостью 15... 20 пФ) как задержку между моментом приложения управляющего импульса и концом фронта переключения напряжения (или тока) на нагрузке (по уровню 0,9 или 0,1).

Время установления выходного сигнала − время, за которое выходной сигнал при переключении достигает установившегося значения с допустимой погрешностью (на заданной нагрузке).

Паразитные емкости ключа, которые определяют паразитные выбросы управляющего сигнала при переключениях ключа, а также сквозное прохождение аналогового сигнала при разомкнутом ключе. Важное значение имеет также развязка (изоляция) на высокой частоте, численно равная отношению входного сигнала к выходному при разомкнутом ключе и при определенной частоте и нагрузке.

Выходные логические уровни, которые характеризуют цепи управления ключа и их совместимость с цифровыми ИС.

Кроме того, аналоговые ключи характеризуются такими параметрами, как предельно допустимые режимы, напряжения питания, потребляемая мощность, диапазон рабочих температур, размеры, тип корпуса и т.д.

Часто большое значение имеют следующие дополнительные параметры: собственный шум, ограничивающий снизу уровни переключаемых сигналов; перекрестные связи между ключами; коэффициент передачи замкнутого ключа в зависимости от частоты входного сигнала (амплитудно-частотная характеристика). Обычно указывают коэффициент передачи на низкой частоте или постоянном напряжении.

С точки зрения схемного построения аналоговые ключи различают по используемым в них полупроводниковым элементам и способам управления ими. В настоящее время наиболее распространены ключи на диодах, биполярных и полевых транзисторах, оптронах. В ряде случаев аналоговые и цифровые ключи имеют внешне схожие принципиальные схемы, однако различные их предназначения определяют различные режимы и порядок поступления входных сигналов.

Рассмотрим основные схемы аналоговых ключей, выполненных на различных элементах.

Диодные ключи. Применяются для точного переключения токов и быстрого переключения напряжений. Первое применение объясняется высокой точностью диодных токовых ключей и легкостью управления ими. Второе связано с появлением диодов с тонкой базой и диодов Шоттки, в которых слабо выражены эффекты накопления носителей и инерционность в основном определяется процессом перезаряда барьерных емкостей.

Базовые схемы аналоговых диодных ключей для переключения тока и напряжения показаны на рис. 4.29. Как видно, по конфигурации они сходны с цифровыми диодными ключами, рассмотренными в п. 5.2.

Рисунок 4.29 − Схемы аналоговых диодных ключей

 

Диодный ключ тока (рис. 4.29, а) широко применяется в цифро-аналоговых преобразователях (ЦАП), например, микросхемы 2ПД651 и 2ПД652 содержат по 6 диодных ключей с весовыми резисторами R. При высоком уровне управляющего напряжения диод D 1закрыт и ток I = E / R от источника (Е, R)течет через открытый диод D 2в нагрузку R_Н. При низком уровне управляющего напряжения открыт диод D 1, а диод D 2закрыт. Схема замещения такого ключа показана на рис. 4.29, б. В качестве низкого уровня сигнала управления используется, как правило, источник отрицательного напряжения (рис. 4.29, в). Задавая при постоянном стабилизированном напряжении Е путем подборки величины сопротивления резистора R требуемый ток, можно подключать его на выход или отключать с помощью управляющего напряжения U_УПР.

Статическая погрешность токовых ключей может быть очень малой, поскольку она определяется малыми токами утечки диодов (порядка 1 н А) и выходным сопротивлением источника тока R, которое можно сделать очень большим (R >> R_Н). Тогда колебания сопротивления резистора R_Н практически не скажутся на величине выходного напряжения U_ВЫХ.

Основным фактором, определяющим нестабильность тока в нагрузке R_Н при этом, является зависимость прямого напряжения на диоде D 2и обратных токов диода от изменения температуры окружающей среды. Прямое напряжение на диоде имеет отрицательный температурный коэффициент (2... 4 мВ°С). Обратный ток диодов с увеличением температуры изменяется по экспоненциальному закону, возрастая приблизительно в два раза на каждые 10°С.

Рассмотренный диодный ключ может работать и как ключ напряжения (рис. 4.29, г). В этом случае управляющее напряжение U_УПР подается через резистор R, а входной сигнал U_ВХ поступает на катод диода D 1. При низком уровне управляющего напряжения диоды D 1к D 2закрыты и на выходе ключа − потенциал земли. При высоком уровне U_УПР диоды D 1и D 2открываются и U_ВХ ≈ U_ВЫХ. Использование согласованных диодных пар в качестве диодов D 1и D 2позволяет уменьшить ошибку от неидеальности диодов до нескольких милливольт.

Наиболее распространенными диодными ключами напряжения являются мостовые ключи, обладающие, как правило, достаточно хорошей развязкой в разомкнутом состоянии и способные пропускать без существенных искажений широкополосные биполярные сигналы с динамическим диапазоном 40 дБ и выше. Скорость их переключения зависит от быстродействия, как управляющих транзисторных каскадов, так и используемых диодов. Пример такой схемы приведен на рис. 4.30, а.

Рисунок 4.30 – Диодные ключи напряжения

 

Входное напряжение U_вх подается в точку А соединения диодов VD 1и VD 2, а выходное напряжение снимается с сопротивления нагрузки R_H. Управляющее ключом биполярное напряжение (рис. 4.29, в) подается на другую диагональ моста (точки В и Г). Если U_ynp1>>0 и U_упр2>0, то диоды VD 5и VD 6обратно смещены, а диоды мостовой схемы VD 1 -VD 4оказываются проводящими. Если при этом схема полностью симметрична, то точки А и Б имеют один и тот же потенциал, т.е. входное напряжение подается на выход. При изменении полярности управляющего напряжения на противоположную диоды VD 5и VD 6открываются, а диоды VD 1 -VD 4закрываются и ключ размыкается.

Коэффициент передачи ключа равен R_J(R_B + R_n + R_up). Для управления ключом необходимо выполнять соотношение | Е | >> f/вхтах + U_пр, где U_np − падение напряжения на открытом диоде. Ошибка в передаче напряжения существенно зависит от идентичности диодов мостовой схемы, постоянства Е_см и R_lt диапазона изменения тока нагрузки и температуры. Для уменьшения разброса характеристик диодов их выполняют в виде интегральной схемы. На рис. 4.30, б приведена упрощенная схема диодного мостового ключа, выполненного в виде ИС 265КН1. Транзисторная схема управления ключом позволяет осуществлять непосредственное соединение микросхем с ТТЛ-схемами. Отношение выходного напряжения замкнутого и разомкнутого ключей при частоте входного сигнала 15 МГц и сопротивлении нагрузки 300 Ом равно 100, что соответствует развязке между входом и выходом ключа 40 дБ. Коэффициент передачи замкнутого ключа составляет 0,8. Верхний уровень управляющего напряжения 2,5 В, нижний − 0,5 В.

Ключи на биполярных транзисторах. Применяются для переключения как напряжений, так и токов. В ключах напряжения, как правило, используется режим насыщения в инверсном включении транзистора. При этом используются как отдельные транзисторы (последовательные и параллельные), так и согласованные пары встречно включенных двухэмиттерных транзисторов, получивших название интегральных прерывателей. Ключи тока чаще всего строят на согласованных транзисторах. Ключи с одиночными транзисторами обычно имеют управление по постоянному току (рис. 4.31, а).

Рисунок 4.31 – Ключи на биполярных транзисторах