Схемы ключей с повышенным быстродействием

Как следует из рас­смотренного выше, быстродействие ключа можно увеличить, пе­реключив его током базы, временная диаграмма которого пред­ставляет на рис. 5-а.

 

Рис. 5-а.

В момент t₁ для ускорения процесса ключ включается большим током / _Б1, затем в момент времени t₂ ток уменьшается до значения /' _Б1, т. е. транзистор выводится на границу режима насыщения для уменьшения длительности рассасывания. В момент t₃ транзистор запирается большим базо­вым током / _Б2.

Ключ с форсирующей (ускоряющей) емкостью. Форму тока, близкую к оптимальной, можно получить, шунтировав резистор R конденсатором (рис. 5-б).

 

 

Рис. 5-б.

При появлении вход­ного напряжения в момент t₁ транзистор начинает открываться.

 

Рис. 5-в.

Базовый ток транзистора в первый момент замыкается через кон­денсатор, так как последний представляет собой малое сопроти­вление, близкое к короткому замыканию для скачка тока. Вслед­ствие этого в момент / ₁ базовый ток имеет большое значение (рис.5-в):

/ _Б1 =(и_вх – и_БЭ) / Ru,

где Ru — внутреннее сопротивление источника сигнала (например, выходное сопротивление предыдущего ключа); обычно Rи >> R.

Этот ток быстро заряжает барьерные емкости и накапливает заряд в базе транзистора. Благодаря большому току уменьшают­ся длительности задержки и фронта. По мере заряда кон­денсатора ток базы уменьшается до значения /' _Б1 = и_вх / R, определяемого сопротивлением R, ко­торое выбирается из условия насыщения. Благодаря этому к моменту окончания вход­ного импульса в базе накапливается сравнительно небольшой из­быточный заряд.

В момент t₃ окончания входного сигнала конденсатор С разряжает­ся через базу транзистора, создавая большой запирающий ток базы:

/ _Б2 = U_C / R_И.

Этот ток ускоряет процессы рассасывания и выключения транзистора.

Емкость С не должна быть слишком малой, иначе длитель­ность всплесков токов будет меньше, чем длительность процессов переключения, которую они уменьшают. При этом про­цесс переключения будет протекать в основном при сравнительно малых токах базы, т. е. не будет ускоряться.

Нельзя выбирать ускоряющий конденсатор и слишком боль­шой емкости, поскольку в этом случае: во-первых, ток базы не ус­пеет уменьшиться до уровня / _Б2 к концу входного импульса и в базе накопится весьма большой избыточный заряд; во-вторых, конденсатор не будет успевать заряжаться до уровня входного импульса к моменту его окончания, процессы рассасывания и включения будут протекать медленнее.

 

Ключ с нелинейной обратной связью. Обеспе­чить большой базовый ток включения и одновременно уменьшить время рассасывания можно, используя схему ключа с отрицатель­ной обратной связью, в которой не допускается насыщенный режим работы транзистора. Особенно важно это при использовании вы­сокочастотных дрейфовых транзисторов, отличающихся тем, что у них время жизни неосновных носителей в режиме насыщения значительно больше, чем в активном режиме. Схема ненасыщен­ного ключа приведена на рис. 6.

Нелинейная отрицательная об­ратная связь осуществляется через диод VD. Состояние диода опре­деляется полярностью и величиной напряжения, действующим между анодом и катодом диода. В исходном состоя­нии диод закрыт за счет высокого положительного потенциала на катоде. Отрицательная обратная связь не действует.

 

 

 

Рис. 6.

 

При подаче большого входного сигнала и_вх = U₁, входной ток вначале течет через R₁ и R₂ в базу транзистора, обеспечивая большой ток включения I_Б1. В процессе отпи­рания транзистора напряжение на коллекторе уменьшается от Ек, стремясь к 0, и в тот момент, когда напряжение меж­ду базой и коллектором уменьшаясь достигнет значения, равного падению напряжения от входного тока на R₂, диод VD открывается и часть входного тока будет протекать через диод и коллектор на землю в обход базы. В результате ток базы уменьшается до значения /' _Б1 ≤ /' _{Б нас}, и транзистор не входит в насыщение. Сопротивление R₂ выбирают таким, чтобы падение напряжения на нем за счет тока базы было больше падения напряжения на открытом диоде. В этом случае напряжение между коллектором и базой остается положительным, хотя и небольшой величины, и вхождение тран­зистора в насыщение предотвращается.

При изготовлении ключа методами микроэлектроники в цепи обратной связи иногда используются диоды Шотки, выполненные в едином технологическом процессе с интегральным транзистором также с барьером Шотки. Диод Шотки представляет собой пере­ход металл — полупроводник.

Для работы ключа с нелинейной обратной связью необходимо, чтобы диод, включенный параллельно коллекторному переходу транзистора, открывался при сравнительно малом напряжении, когда коллекторный переход еще закрыт. Это и обеспечивает ди­од с барьером Шотки.

В подобных ключах можно получить очень малые времена вы­ключения, поскольку транзисторы с барьером Шотки имеют, как правило, более высокие значения коэффициента усиления и более низ­кие значения неуправляемых токов.

II. МУЛЬТИВИБРАТОРЫ

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МУЛЬТИВИБРАТОРАХ КАК РЕЛАКСАЦИОННЫХ ГЕНЕРАТОРАХ

Мультивибратор относится к релаксационным генераторам. Релаксационный генератор является источником колебаний, фор­ма которых отличается от синусоидальной. Релаксационные коле­бания бывают прямоугольные, пилообразные и т. д. Генераторы релаксационных колебаний используют для формирования оди­ночных импульсов и импульсных последовательностей, деления частоты, в качестве запускающих элементов, источников синхро­низирующего сигнала и т. д.

Колебательный процесс в релаксационном генераторе состоит в поочередном накоплении энергии от источника питания нако­пителем и выделении ее в виде тепла в резисторах схемы. Нако­питель переключается с процесса накопления на выделение энер­гии с помощью коммутирующего устройства при достижении оп­ределенного уровня энергии. Управление коммутирующим уст­ройством производится по цепи обратной связи. Таким образом, релаксационный генератор обязательно содержит источник энер­гии, накопитель, коммутирующее устройство и цепь обратной свя­зи. В качестве коммутирующего устройства обычно используют транзистор, работающий в ключевом режиме.

Релаксационный генератор может работать в одном из сле­дующих режимов: ждущем, автоколебательном, синхронизации и деления частоты.

В ждущем режиме генератор имеет состояние устойчивого и квазиустойчивого равновесия. Квазиустойчивым равновесием называют такое состояние генератора, при котором он, будучи вы­веденным из состояния равновесия, через некоторое время возвра­щается к этому состоянию благодаря внутренним процессам. Пе­реход из устойчивого равновесия в квазиустойчивое происходит под действием запускающих импульсов, а обратно генератор воз­вращается самопроизвольно через время, зависящее от парамет­ров генератора.

В автоколебательном режиме состояния устойчивого равнове­сия нет, а существует два состояния квазиустойчивого равнове­сия. В процессе работы генератор переходит из одного квазиус­тойчивого состояния в другое. Период колебаний определяется параметрами генератора.

В режиме синхронизации на релаксационный генератор дейст­вует внешнее синхронизирующее напряжение. Генератор имеет также два квазиустойчивых состояния, однако период колебаний определяется синхронизирующим сигналом.

Среди большого числа разнообразных релаксационных гене­раторов можно выделить два типа в зависимости от способа ор­ганизации обратной связи: мультивибраторы и блокинг-генераторы. Подобные генераторы широко применяются в импульсной тех­нике. Мультивибратор представляет собой двухкаскадное устрой­ство, обратная связь в котором образуется соединением выхода одного каскада со входом другого и, наоборот, с помощью кон­денсаторов. Блокинг-генератор — это устройство, обратная связь с выхода на вход которого осуществляется через импульсный трансформатор. Обратная связь в этих устройствах положительная.

 

ЖДУЩИЙ МУЛЬТИВИБРАТОР

Схема и принцип действия. Ждущий мультивибратор (иногда его называют одновибратором) предназначен для формирования одиночных импульсов заданной длительности. Форма импульсов близка к прямоугольной. Формирование импульса на выходе од­новибратора происходит только после подачи на вход запускаю­щего сигнала. До подачи запускающего сигнала мультивибратор находится в устойчивом состоянии, т. е. как бы ждет запуска, по­этому такой режим называют ждущим.

После подачи запускающего сигнала осуществляется переход в следующее состояние, называемое квазиустойчивым, так как в нем мультивибратор долго находиться не может, и через некото­рое время самостоятельно возвращается к устойчивому состоя­нию.

Принципиальная схема одновибратора с коллекторно-базовыми связями приведена на рис. 7,а.

 

Рис. 7-а.

 

Схема содержит два каска­да. Один из них, собранный на транзисторе VT1, представляет со­бой транзисторный ключ с форсирующей емкостью; R1 и C1 — элементы базовой, а R_к1 — коллекторной цепи этого каскада. Вто­рой каскад, собранный на транзисторе VT2, служит усилителем с резистивно-емкостной (R2,C2) связью. Вход (базовая цепь) каж­дого из каскадов подключен к выходу (к коллектору) другого каскада. Такое включение каска­дов в мультивибраторе создает петлю положительной обратной связи.

На базу транзистора VT2 че­рез резистор R2 подается напря­жение от источника Ек — поло­жительной полярности. Выход­ной сигнал снимается с коллек­тора транзистора VT2. Элементы Сз, Rз, представляющие собой укорачивающую цепочку, сов­местно с диодом VD образуют цепь запуска.

Работа мультивибратора в ждущем режиме может быть раз­делена на три этапа: исходное состояние, рабочий период и пе­риод восстановления. Процессы, происходящие в мультивибрато­ре, иллюстрируют диаграммы на рис. 7,б.

 

 

Рис. 7-б.

Рис. 7-б.

Исходное устойчивое состояние. Транзистор VT2 открыт, a VT1 закрыт. Транзи­стор VT2, удерживается в откры­том состоянии током I_{Б 2}, созда­ваемым источником Ек и втекаю­щим в базу транзистора VT2 че­рез резистор R2. Этот ток равен: I_Б2 = (Ек— U_{БЭ НАС 2}) / R2. Сопротив­ление R2 выбрано таким, чтобы ток базы транзистора VT2 был больше тока базы на границе насыщения. По­этому транзистор VT2 насыщен. Напряжение на его коллекторе U_К2 име­ет небольшое остаточное значение.

При открытом и насыщенном транзисторе VT2 транзистор VT1 будет закрыт, если напряжение на его базе U_{Б 2} меньше поро­га открывания Un, т. е. U_{Б 2} < Un.

Напряжение U_{Б 1}, приложенное к базе VT1 складывается из остаточного напряжения U_КЭнас2 на коллекторе насыщенного транзистора VT2 и падения напряжения на R1 от тока / _КБ0 тран­зистора VT1. Напряжение определяют алгебраическим суммиро­ванием напряжений на элементах при обходе замкнутого контура от базы транзистора VT1 к его эмиттеру. Таким образом, VT1 за­крыт, если выполняется условие:

U_Б1 < U_П.

Это условие обеспечивают, подбирая параметры схемы ждущего мультивибратора.

Напряжение на коллекторе закрытого транзистора VT1 близко к Е_К. Конденсатор С2 заряжен до напряжения U_C2 ≈ Е_К - U_{БЭ НАС 2} (это напряжение определяется суммированием напряжений между коллектором и эмиттером и эмиттером и ба­зой V Т2, т. е. на элементах внешнего по отношению к конденса­тору контура при обходе его в направлении от левой обкладки к правой). Конденсатор C1 практически разряжен.

Запуск и опрокидывание. В момент t₁ на базу VT2 поступает импульс тока, формируемый цепью запуска. Под дейст­вием этого импульса транзистор VT2 закрывается, напряжение U_{К 2} на его коллекторе нарастает до значения, близкого к Ек. По­скольку это напряжение существенно превышает порог открывания Un транзистора VT1, последний открывается и входит в насы­щение, что обеспечивается соответствующим выбором сопротивле­ния R1. Таким образом, под действием импульса запуска VT1 от­крылся, а VT2 закрылся, т. е. произошло опрокидывание ждущего мультивибратора.

Короткие импульсы, необходимые для запуска, либо подаются на вход ждущего мультивибратора непосредственно от источника запускающих сигналов либо формируются с помощью цепи за­пуска из перепадов напряжения, подаваемого на вход устройства. Принцип действия цепи поясняют временные диаграммы, пред­ставленные на рис. 7,б.

Конденсатор С3 заряжается под действием высокого напряже­ния, подаваемого на вход в момент t=0. Поскольку диод VD в это время закрыт, положительный импульс, сформированный це­пью R3, С3 в базу транзистора VT2 не проходит, а замыкается через резистор R3. В момент t=t₁, когда на входе действует от­рицательный перепад напряжения, конденсатор С3 разряжается через открытый диод VD и входную цепь транзистора VT2, так как сопротивление резистора R3 выбирается много больше сум­мы сопротивлений открытого диода и входного сопротивления от­крытого транзистора. При этом образуется импульс обратного ба­зового тока, обеспечивающий быстрое закрывание VT2. Дальней­ший временной ход процессов в устройстве поясняют диаграммы, приведенные также на рис. 7,б. Итак, в момент t₁ под действием входного токового импульса транзистор VT2 закрывается.

Квазиустойчивое состояние. После отпирания VT1 в момент t₁ к эмиттерному переходу VT2 прикладывается обрат­ное напряжение U_{Б 2} = U_{КЭ НАС 1} – U_С2 (напряжение между базой и эмиттером транзистора VT2 определяется суммированием напря­жений вдоль внешнего по отношению к VT2 контура при обходе его от базы к эмиттеру).

Остаточное напряжение U_{КЭ НАС 1} на коллекторе насыщенного транзистора мало по сравнению с U_С2, поэтому, пренебрегая им, считают, что все напряжение U_С2 через открытый транзистор VT1 прикладывается к базе VT2, т. е. U_{Б 2} = - U_С2. Это напряжение удерживает транзистор VT2 в закрытом состоянии и после окон­чания импульса запуска. Ждущий мультивибратор в течение это­го времени находится в квазиустойчивом состоянии.

В этом состоянии конденсатор С2 перезаряжается частью коллекторного тока транзистора VT1, протекающего по цепи: конденсатор С2, резистор R2, источник Ек. В процессе перезаряда напряжение на конденсаторе изменяется от значения U_С2 = - E_K, стремясь к величине U_С2 = E_K. В соответствии с изменением напря­жения на конденсаторе меняется и напряжение U_{Б 2} на базе тран­зистора VT2. В момент времени t=t₂ напряжение на переза­ряжающемся конденсаторе С2 достигает порогового значения. Так как это напряжение приложено к базе VT2, то транзистор VT2 открывается и на его коллекторе вновь устанавливается низкое напряжение U_{КЭ НАС 2}. Вследствие этого транзистор VT1 закрыва­ется. Конденсатор C1 ускоряет процессы открывания и закрывания транзистора VT1 так же, как это происходит в транзисторном ключе с форсирующей емкостью. Таким образом, в момент t₂ про­исходит обратное опрокидывание ждущего мультивибратора, и ус­тройство возвращается в устойчивое состояние. На выходе (на коллекторе VT2) возникает импульс, длительность которого равна времени пребывания ждущего мультивибратора в квазиустойчи­вом состоянии, которое определяется временем перезаряда кон­денсатора С2 от напряжения Ек - U_{БЭ НАС 2} до напряжения U_П.

Восстановление. После возвращения в момент t₂ уст­ройства в устойчивое состояние начинается процесс восстановле­ния, в ходе которого устанавливаются напряжения, соответствую­щие исходному состоянию. Часть базового тока транзистора VT2, замыкаясь по цепи конденсатор С2, резистор Rк1 источник Ек, за­ряжает конденсатор С2. По мере роста напряжения U_С2 уменьша­ются зарядный ток, падение напряжения на резисторе Rк1 и напряжение U_К1 приближается к установившемуся значению Ек.

Следующий запуск устройства можно производить после того, как U_{К 1} = U_{С 2} приблизится к Ек с высокой точностью. В против­ном случае, если U_{С 2} окажется к моменту запуска существенно меньше Ек, то напряжение на базе транзистора VT2 будет сни­жаться с меньшего значения и, следовательно, раньше до­стигает нуля, раньше откроется транзистор, так как уменьшится длительность импульса t_И.

Проведенный анализ процессов, происходящих в ждущем мультивибраторе, позволяет сделать вывод о том, что он имеет все необходимые элементы релаксационного генератора: конден­сатор С2 выполняет роль накопителя энергии, которая рассеивается затем в результате разряда конденсатора; транзистор VT1, управ­ляемый по цепи обратной связи, переключает С2 с заряда на раз­ряд, т. е. служит коммутатором.

 

Длительность формируемого импульса равна времени, в тече­ние которого напряжение на базе закрытого транзистора VT2 из­меняется от исходного значения Eк в момент t₁ до значения Un в момент t₂ вследствие перезаряда конденсатора С2. Для инженерных расчетов принимают, что длительность выходного импульса равна:

t_И ≈ 0,7* R2* C2

 

Температурная нестабильность длительности импульса опреде­ляется в основном температурной нестабильностью входной харак­теристики транзистора и зависимостью / _КЭ0 от температуры.

При увеличении температуры входная характеристика кремние­вого транзистора смещается влево примерно на 2 мВ/ t °С. Это ведет к уменьшению Un, а значит, и длительности импульса. С другой стороны, ток / _КБ0 составляет часть разрядного тока конденсатора. С ростом температуры этот ток растет, что ведет к увеличению разрядного тока конденсатора. При этом напряжение на базе VT2 увеличивается с большей скоростью и раньше достигает Un. В ре­зультате длительность импульса также уменьшается. Поскольку основная составляющая тока разряда конденсатора замыкается через резистор R2, то с уменьшением сопротивления уменьшает­ся доля тока / _КБ0 в общем разрядном токе, в этом случае влия­ние нестабильности тока / _КБ0 на длительность импульса будет меньше.

Время восстановления обусловлено процессом заряда конден­сатора С2, который начинается вслед за обратным опрокидывани­ем. Заряд конденсатора осуществляется током от источника Ек, протекающим через резистор R_К1, и происходит по экспонен­циальному закону с постоянной времени раной R_К1 * С2. По такому же закону изменяется напряжение на коллекторе первого транзисто­ра от начального значения U_{КЭ НАС} до значения, близкого к Ек.

Следующий запуск можно производить после того, как U_С2 приблизится к установившемуся значению Ек - U_{БЭ НАС 2} с высо­кой точностью. В противном случае напряжение на базе транзис­тора VT2 будет нарастать с меньшего значения и, следова­тельно, раньше достигнет значения Un и откроется раньше VT2, т. е. уменьшится длительность t_И формируемого импульса. Время восстановле­ния принимают равным значению:

t_ВОСС = (4…5) * R_К1 * С2.

Период следования им­пульсов запуска ждущего мультивибратора должен удовлетворять условию

T_ЗАП ≥ t_И + t_ВОСС.

 

Амплитуда выходного импульса равна разности уровней напря­жения на коллекторе транзистора VT2 в закрытом и открытом со­стоянии. Когда транзистор VT2 открыт, U_{К 2} = U_{К 2 НАС}. В закрытом состоянии через R2 протекает ток базы насыщенного транзистора. Тогда в отсутствие нагрузки амплитуда выходного импульса:

U_M ≈ Ек.