Основы электротехники. Учебник для высшего профессионального образования вт. Еременко, А. А. Рабочий, А. П. Фисун и др под общ ред вт. Еременко. Орел фгбоу впо Госуниверситет унпк, 2012. 529 с
 Скачать 7.28 Mb.
|
|
17.6. Электронные ключи Ключи на биполярных транзисторах Вся импульсная и цифровая техника базируется на работе транзистора в качестве ключа – устройства, коммутирующего электрическую цепь рис. 17.13). Основой всех узлов и схем импульсной и цифровой техники является так называемая ключевая схема – каскад на транзисторе, работающем в ключевом режиме. Транзистор может включаться по схемам ОЭ, ОК, ОБ. Рис. 17.13. Схема электронного ключа и графическая иллюстрация его состояния Режим запирания (отсечки) осуществляется подачей на вход транзистора напряжения положительной полярности (согласно стрелке на рисунке) U вх 0. Эмиттерный переход под действием этого напряжения запирается и его ток равен 0. Вместе стем через резистор б протекает обратный (тепловой) ток коллекторного перехода к. Этому режиму на выходных характеристиках транзистора соответствует точка М з (см. рис. 17.13). Величину запирающего входного напряжения U вхзап выбирают такой, чтобы при протекающем через б тепловом токе выполнялось условие U бэ = (U вх зап к б) 0 . (17.14) Режим открытого состояния транзистора достигается изменением полярности входного напряжения (U вх 0 ) и заданием соответствующего тока базы. С изменением полярности входного напряжения увеличению тока базы будет соответствовать увеличение тока коллектора, чему соответствует условное перемещение на характеристиках точки М из положения М з вверх по линии нагрузки, при этом U кэ уменьшается по модулю. До некоторого граничного значения тока базы I бзгр сохраняется известная зависимость между током коллектора к и током базы I бз к I бз , где – статический (усредненный) коэффициент передачи тока транзистора в схеме ОЭ. Притоке базы I бзгр будет полное открытие транзистора. При этом в точке Мок (к - U кэ0 ) / к , где U кэ0 – остаточное напряжение на транзисторе в открытом состоянии. U кэ0 является существенным параметром транзистора в импульсном режиме, причём оно должно быть минимальным. Обычно кэВ. Граничное значение тока базы открытого транзистора зависит от к и : I бз гр = к / к / ( к * ) . (17.15) С дальнейшим увеличением тока базы остаточное напряжение остается практически неизменным. Режим работы открытого транзистора при I бз I бзгр называют насыщенным, а отношение S=I бз /I бзгр – коэффициентом насыщения транзистора. С целью надежного обеспечения режима насыщения обычно выбирают S =(1,5 – 3). Процессы, протекающие в ключевой схеме, при условии, что входной импульс напряжения имеет идеальную прямоугольную форму, можно представить импульсными диаграммами сигналов, показанными ниже (рис. 17.14). На интервале 0-t 1 транзистор заперт напряжением U вхз . Напряжение на транзисторе U кэ = к I кб0 кВ момент появления импульса (момент t 1 рис. 17.14) ток к начинает нарастать, а напряжение U кэ – уменьшаться. Для упрощения можно считать, что изменения токов и напряжений происходят по экспоненциальному закону. Рис. 17.14. Импульсные диаграммы сигналов транзисторного ключа Инерционность процессов в области высоких частот можно учесть эквивалентной постоянной времени Т в = Т 1 +Т 2 , где Т 1 =1/2πF гр – постоянная времени, характеризующая процессы в транзисторе, связанные с величиной граничной частоты гр ; Т – постоянная времени, зависящая от величины емкости коллекторного перехода иве- личины сопротивления коллекторной цепи в схеме ОЭ. С некоторыми допущениями, полагая, что коллекторный ток возрастает по экспоненциальному закону, можно оценить длительность фронта импульса коллекторного тока ф = Т в ln [S / (S-1)] , (17.16) где S – коэффициент насыщения транзистора. Из уравнения (17.16) следует вывод, что длительность фронта импульса уменьшается с увеличением коэффициента насыщения. Происходит это потому, что в случае увеличения коэффициента S увеличивается базовый ток, заставляющий быстрее изменяться коллекторный ток. При S = это активный режим на грани насыщения) значение ф следует определять по другому выражению, определяя его относительно уровней 0,1 и 0,9 установившегося значения коллекторного тока ф = Т в *ln (0.9/ 0.1)=2.2 T в Процесс запирания транзистора начинается в момент t 2 , когда U вхо меняет знак. Однако ток коллектора и напряжение на открытом транзисторе некоторое время остаются неизменными, те. создается задержка в запирании транзистора. Происходит это из-за того, что необходимо какое-то время для ухода избыточных носителей заряда из базы (время рассасывания заряда. Рассасывание происходит по цепи коллектора (за счет ухода избыточных зарядов) и по цепи базы (за счет протекания обратного тока I бз0 , вызванного запирающим напряжением. Величина этого тока ограничивается сопротивлением R б входной цепи I бз0 = U вхз / R б Время, в течение которого происходит рассасывание избыточного заряда в базе, называется временем рассасывания р. Это время зависит от коэффициента насыщения S. Приближенно его можно оценить по выражению в За ним следует интервал времени спада тока коллектора t c (время заднего фронта, время среза t c = T в *ln[1+(I бз гр / I бзв )], где I бзв – амплитуда импульса тока базы в момент переключения (см. рис. 17.14). Длительности фр, с характеризуют быстродействие транзисторного ключа. Приведенные оценочные выражения показывают, что эти величины зависят от частотных свойств транзистора и параметров импульса базового тока. Реальные значения величин составляют от долей единицы до единиц микросекунд. Одним из способов повышения быстродействия транзисторных ключей является способ применения ненасыщенных ключей, в которых транзистор работает на границе активной области, например, ключ с транзистором Шоттки. Структурная схема такого ключа приведена на рис. 17.15, где обозначено ш – диод Шоттки, ш – транзистор Шоттки. Рис. 17.15. Ключ с диодом Шоттки и УГО транзистора Шоттки Особенность действия ключа состоит в следующем. До момента открывания диода процесс идет как обычно. В процессе открытия транзистора диод закрыт до момента, при котором вследствие уменьшения коллекторного напряжения напряжение на диоде не достигнет порогового значения. С момента открытия диода ток управления ключом замыкается на коллектор, что приводит к уменьшению тока базы враз. В итоге избыточный заряд в базе станет намного меньше, чем в обычной схеме насыщенного ключа. Диоды Шоттки имеют малое собственное время восстановления (нс, низкое напряжение отпирания (В) и малое сопротивление в открытом состоянии (около 10 Ом. Реальные ключи на биполярных транзисторах для обеспечения четкой работы в своем составе имеют обычно не менее двух транзисторов. Примеры схем таких ключей представлены ниже (рис. 17.16) Ключевая схема, изображенная на риса, служит простейшим выходным каскадом цифровых (логических) элементов на биполярных транзисторах (элементы серии ТТЛ). Рис. 17.16. Схемы ключей на биполярных транзисторах ас управлением однополярным входным импульсом б) с управлением двухполярным входным импульсом В схеме ключа при уровне входного сигнала U вх ≤ оп на выходе устанавливается выходной сигнал п ≤ U вых < Е, где оп, п – пороговые значения соответственно низкого и высокого уровней входного сигнала. Транзисторы VT1,VT3 находятся в режиме отсечки, транзистор VT2– в проводящем состоянии. При подаче на вход схемы U вх > п, транзистор VT1 открывается, транзистор VT3 переходит в режим насыщения, транзистор VT2 закрывается, на выходе устанавливается нулевой уровень выходного напряжения U вых ≤ U оп Диод VD1 в схеме риса служит для обеспечения чёткого переключения транзистора VT2. Схема, изображенная на рис. 17.16, б, часто используется как выходной каскад в операционных усилителях. Ключи на полевых транзисторах (ПТ). Ключи на полевых транзисторах имеют широкое применение в качестве коммутаторов аналоговых сигналов (для этого используются ПТ с управляющим р – переходом или МОП-транзисторы с индуцированным каналом, а также для коммутации цифровых сигналов (только МОП транзисторы с индуцированным каналом. Примеры ключевых схем на полевых транзисторах разного типа представлены на рис. 17.17. Основные достоинства ключей на полевых транзисторах - малое остаточное напряжение в проводящем состоянии - высокое сопротивление в непроводящем состоянии - малая мощность управления возможность коммутации электрических сигналов очень малого уровня. Недостаток – сравнительно низкое быстродействие (по сравнению с ключами на биполярных транзисторах. Рис. 17.17. Схемы ключей на полевых транзисторах Для запирания ключей, выполненных на ПТ с управляющим р-n-переходом к затвору следует приложить запирающее напряжение зап, по модулю большее напряжения отсечки, но меньшее допустимых для переходов затвор – исток, затвор – сток зап ≥ [U зи отс + (1 ÷ В U зап ≤ (U зс доп , U зи доп ) МОП-транзисторы с индуцированным каналом закрыты до тех пор, пока U зи и U зс меньше эффективного порогового напряжения (U зи , U зс )< U зи пор Входное сопротивление (по цепи затвора) ключей на ПТ при малой частоте коммутации составляет 10 8 –10 9 Ому ПТ с управляющим р – переходом, 10 12 ÷10 14 Ому МОП-транзис- торов. На высоких частотах сказываются емкости между стоком, истоком и затвором С зс , С зи , поэтому сопротивление ключа уменьшается. У МОП-транзисторов подложку обычно подключают к источнику питания требуемой полярности (подложку «n» – к (Е, подложку р к (Е. В цифровых устройствах важно иметь стабильные уровни выходных напряжений. Для этого широко применяют ключи на комплементарных транзисторах – КМОП-ключи. Комплементарные транзисторы это транзисторы, обладающие идентичными параметрами, но имеющие разный тип проводимости (рис. 17.18). Рис. 17.18. Схема КМОП-ключа и схема замещения открытого МОП-транзистора: н – сопротивление нагрузки R сио – сопротивление сток – исток КМОП-ключ работает следующим образом. Если подано (-U вх ), открыт Т и резистор н подключен к источнику питания. Если подано (+U вх ), открыт Т и вывод выходной цепи подключен к общей шине. При этом ток от источника сигнала не потребляется, те. в первом случае на резисторе н устанавливается Е, во втором – нуль. На основе таких ключей созданы разнообразные микросхемы КМОП серий. Эквивалентные схемы МОП-транзистора в открытом и закрытом состоянии существенно различаются, так как сопротивление сток – исток в открытом состоянии R сио на несколько порядков меньше чем сопротивление сиз в закрытом состоянии (рис. 17.19). Рис. 17.19. Эквивалентная схема МОП-транзистора в закрытом состоянии Ключи на МОП-транзисторах удобны тем, что могут пропускать ток в обоих направлениях, а цепь управления изолирована от коммутируемой цепи. Сопротивление канала открытого находящегося в проводящем состоянии) ключа на МОП-транзисторе составляет (10-100) Ома быстродействие может достигать (3-5) нс [19]. Чаще всего для построения ключей в интегральном исполнении используют КМОП-транзисторы. Это даёт возможность получить постоянное по величине сопротивление ключа в отрытом состоянии, независящее от величины и направления протекающего тока. Интегральное исполнение ключей позволяет в составе микросхемы иметь элементы, которые формируют сигналы, с помощью которых можно управлять внешними нормированными сигналами логических элементов цифровых схем. Сопротивление открытого КМОП-ключа существенно зависит от температуры оно увеличивается на (2 – 5) % на каждые 10 СВ закрытом состоянии через КМОП-ключ течёт обратный ток закрытого р – перехода ((0,1-10) нА при комнатной температуре, причём он увеличивается приблизительно в два раза на каждые С. Ключи на полевых транзисторах находят широкое применение не только как самостоятельные электронные элементы, но и как составная часть многих сложных электронных узлов. К таким узлам можно отнести аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, запоминающие устройства и многие другие устройства аналоговой и цифровой техники. 17.7. Использование МОП-ключей в электронных устройствах с переключаемыми конденсаторами (ЭУПК) Общие положения В настоящее время технология переключаемых конденсаторов (ПК) широко применяется при реализации аналоговых и аналого-цифровых ИС [6]. Ее сущность состоит в имитации симуляции) резисторов посредством ПК. Как известно, основными компонентами ИС являются резисторы, конденсаторы и транзисторы биполярные или/и полевые, выполняющие функции усилительных и ключевых элементов. В современной электронике наблюдается устойчивая тенденция вытеснения МОП-транзисторами других типов транзисторов практически во всех категориях ИС, кроме некоторых разновидностей прецизионных и высокочастотных аналоговых ИС. Это объясняется следующими основными преимуществами МОП-технологии ИС по сравнению с биполярными технологиями – существенно более высокой плотностью упаковки транзисторов на кристалле – простотой схемотехники и технологии изготовления МОП-ИС; – на несколько порядков меньшей потребляемой мощностью при одинаковой функциональной сложности – на несколько порядков большим входным импедансом функциональных узлов ИС (что существенно упрощает сопряжение ИС между собой и управление их режимами и параметрами. Кроме вышеперечисленных, важным преимуществом МОП- технологии ИС является простота реализации конденсаторов, функции которых при этом выполняют емкости затвор – канал МОП- транзисторов. Таким образом, при преобладающей в настоящее время МОП- технологии ИС, функции как активных элементов (усилительных и ключевых, таки конденсаторов достаточно просто реализуются МОП-транзисторами. С другой стороны, при производстве МОП-ИС как и биполярных) определенную сложность представляет изготовление резисторов в интегральном исполнении, а также обеспечение приемлемой точности изготовления таких резисторов и стабильности их характеристик во времени и при изменении температуры. В частности, типовая погрешность номинала резистора, изготовленного методом ионной имплантации, составляет порядка нескольких десятых долей процента, а его температурный коэффициент – несколько сотых долей процента на градус, в то время как аналогичные параметры для МОП-конденсатора примерно на порядок меньше [6]. В качестве радикального решения вышеуказанной проблемы было предложено реализовывать функции резисторов в МОП-ИС посредством ПК, состоящих из МОП-конденсаторов, коммутируемых ключами на МОП-транзисторах. ПК при этом или выступают в качестве цепей прямой имитации резисторов, или (преимущественно в аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях) служат для косвенной (функциональной) замены резисторов в ко- доуправляемых источниках напряжения, а также в интеграторах. При этом для цепей прямой имитации резисторов посредством ПК характерно постоянное переключение конденсаторов в процессе работы, а для ПК, служащих для функциональной замены резисторов периодическое выполнение некоторого рабочего цикла, состоящего из нескольких тактов коммутации, обычно с восстановлением начальных значений зарядов на конденсаторах перед каждым рабочим циклом. Сточки зрения теории цепей, ЭУПК относятся к дискретным системам с непрерывными (аналоговыми) входными сигналами, т. к. изменение во времени их выходных сигналов носит дискретный характер. Это означает, что информативными являются значения указанных сигналов только в некоторые моменты времени, конкретно – соответствующие окончанию очередной фазы коммутации. Поэтому рассмотрение и анализ ЭУПК должны осуществляться с учетом дискретного характера их сигналов. Необходимо также отметить, что корректное функционирование ЭУПК, как и других типов дискретных систем с непрерывными входными сигналами, возможно только при периоде дискретизации (применительно к ЭУПК – длительности фазы коммутации, намного меньшем периода наиболее высокочастотной из спектральных компонент входного сигнала. Технология ПК позволяет - строить аналоговые и аналого-цифровые ИС на основе только МОП-транзисторов (те. однотипных элементов, выступающих как в качестве усилительных и ключевых элементов, таки конденсаторов роль которых при этом играет емкость между затвором и каналом МОП-транзисторов) и элементов цепей имитации или функциональной замены резисторов, те. ПК; данное свойство ЭУПК важно с технологической точки зрения, а также при реализации аналоговых и аналого-цифровых базовых матричных кристаллов - обеспечить повышенную точность реализации резисторов и стабильность их сопротивления по сравнению с классическими методами их изготовления (например, ионной имплантацией, что обусловлено значительно более высокой точностью и стабильностью емкости МОП-конденсаторов и, тем более, периода коммутации ПК по сравнению с аналогичными параметрами резисторов в интегральном исполнении, изготовленных классическими методами - достаточно просто реализовывать аналоговые устройства с цифровым управлением параметрами (например, фильтры с цифровым управлением типом характеристики и частотой среза [6]), осуществляемым посредством цифрового управления периодом коммутации ПК. Естественно, технология ПК несвободна от недостатков, основными из которых являются - существенные погрешности имитации функциональной замены резисторовна частотах, сравнимых с половиной частоты коммутации и выше - характерный для всех дискретных систем эффект наложения спектров (элайзинга), заключающийся в искажении спектра выходного сигнала ЭУПК при наличии во входном сигнале ЭУПК составляющих с частотами выше половины частоты коммутации - наличие на выходе ЭУПК наводок, обусловленных процессами коммутации частота данных наводок совпадает с частотой коммутации, а амплитуда обычно составляет порядка единиц – десятков милливольт. Однако, ввиду того, что на практике частота коммутации на несколько порядков превышает верхнюю граничную частоту информативного входного и выходного сигнала ЭУПК, влияние перечисленных недостатков на функционирование ЭУПК достаточно легко устранимо. Эффекты, обусловленные первыми двумя из них, устраняются включением на входе ЭУПК ФНЧ (обычного порядка) с частотой среза, намного меньшей частоты коммутации, а наводки на выходе ЭУПК – включением на нем аналогичного ФНЧ. Обычно указанные ФНЧ или компоненты для их реализации входят в состав ИС на ПК. Вышесказанное, в целом, обусловливает весьма широкое применение технологии ПК в современных аналоговых и аналого- цифровых ИС. Рассмотрим принципы реализации и базовые схемы ЭУПК, основанные на выполнении ПК как функции прямой имитации, таки косвенной замены резисторов. |