Электронные ключи

Пример упрощенной ключевой схемы показан на рис. 3.2, а. Для ключа характерны два устойчивых состояния: «включено» и «выключено». В состоянии «включено» (ключ замкнут) через ключ течет ток 1, и напряжение на выходе равно нулю, в состоянии «выключено» (ключ разомкнут) ток через ключ не протекает и напряжение на выходе равно Е. В современных ИС роль ключа выполняет активный элемент (АЭ) – биполярный или полевой транзистор (рис. 3.2, б), к выходу которого подключается внешняя нагрузка R_H. Под воздействием управляющего сигнала транзистор запирается или отпирается, что соответствует размыканию или размыканию ключа. В открытом состоянии  транзистор обладает некоторым небольшим внутренним сопротивлением R_i и на выходе устанавливается низкое напряжение U⁰ = E R_i / (R + R_i). В закрытом состоянии устанавливается высокое напряжение U¹ = Е R_Н/ (R + R_H).

Рис. 3.2

Электронные ключи на биполярных транзисторах

Простейшая схема ключа на биполярном транзисторе приведена на рис. 3.3, а. На входе схемы включен резистор R_б, имеющий сопротивление значительно большее входного сопротивления транзистора (R_б>>h11_э), поэтому можно считать, что входная цепь ключа питается током i_б= U_вх/R_б.

 

Рис. 3.3

       Будем также считать, что напряжение U_вх может принимать только два значения U_вх = U⁰и U_вх = U¹, соответственно ток базы также принимает два значения  и . Если , то режим работы ключа определяется точкой А (рис. 3.3, б), если  – точкой В. Точка В определяет величину остаточного напряжения U_оcт ≡ 0,1 В, она располагается в области режима насыщения транзистора. Степень насыщения транзистора оценивается, коэффициентом насыщения К_нас = _нас, где _нас – минимальная величина тока базы, при котором транзистор переходит в режим насыщения при заданной величине сопротивления R_H.

Подключение к электронному ключу внешней нагрузки влияет на его работу. Наиболее существенно изменяется величина уровня _вых (с уменьшением сопротивления нагрузки _вых уменьшается). Таким образом, подключение нагрузки уменьшает уровень логического перепада UЛ = _вых—_вых.

Во многих случаях к выходу ключа подключается несколько нагрузок. Чем больше подключается нагрузок к выходу ключа, тем меньше уровень _вых. Наибольшее количество ключей, аналогичных рассматриваемому, которые одновременно можно подключить к его выходу оценивается параметром, называемым коэффициентом разветвления по выходу и выражается целым положительным числом К_разв. Чем выше коэффициент К_разв, тем шире возможности использования ключа в конкретных схемах. Практически величина К_разв для различных ИС лежит в пределах от 4 до 25.

В некоторых цифровых ИС электронные ключи имеют общую нагрузку в коллекторной цепи. Широкое распространение имеют схемы логических элементов, имеющие несколько входов. Наибольшее количество входов, которое может иметь такая схема, называется коэффициентом объединения по входу К_об. Увеличение числа входов ведет, как правило, к снижению быстродействия ключа. Практически величина К_об для различных ИС лежит в пределах от 2 до 6.

Основной статической характеристикой ключа является передаточная характеристика, представляющая собой зависимость выходного напряжения U_вых = U_кэ от входного напряжения U_вх = U_бэ. Ее можно построить, используя выходные (рис. 3.3, б) и входные характеристики транзистора. С увеличением напряжения на входе ключа возрастает ток базы транзистора и рабочая точка (рис. 3.3, б) из положения А смещается вверх по нагрузочной линии, вследствие чего напряжение на выходе ключа уменьшается. Типичный вид передаточной характеристики ключа приведен на рис. 3.4. Помимо управляющего сигнала на входе ключа может появиться напряжение помехи, которое либо повышает, либо понижает входное напряжение. Если на входе действует напряжение U⁰, то опасны помехи, имеющие положительную полярность. Если на входе действует напряжение U¹, то опасны помехи, имеющие отрицательную полярность.

Рис. 3.4

Помехоустойчивость принято оценивать максимально допустимыми величинами напряжений отпирающих и запирающих помех

Эти напряжения указаны на рис. 3.4. Пороговые напряжения и определяются точками С и D, в которых выполняется условие

                                                                                                            (3.1)

называемыми точками единичного усиления. Для оценки помехоустойчивости может быть использован так называемый коэффициент помехоустойчивости

                                                                                                     (3.2)

где

.                                                                                                      (3.3)

    Для повышения помехоустойчивости необходимо уменьшать ширину области переключения, равную разности  и  и увеличивать размах сигнала . В идеальном случае выполняются условия , тогда

Быстродействие ключей на биполярных транзисторах определяется инерционностью процессов, связанных с накоплением и рассасыванием избыточных зарядов, вследствие чего невозможен мгновенный переход транзистора из одного состояния в другое.

В реальных условиях управляющие импульсы имеют форму, близкую к трапецеидальной (рис. 3.5). В этом случае быстродействие электронных ключей оценивается средним временем задержки распространения сигнала

 

                                                                                                              (3.4)

где  – время задержки распространения при переходе выходного напряжения от к ;  – время задержки распространения при переходе выходного напряжения от к .

Рис. 3.5

    Задержки и отсчитывают по уровню, соответствующему половине перепада U¹ – U⁰.

Наиболее эффективным методом повышения быстродействия ключей является шунтирование коллекторного перехода диодом Шоттки.

 

Электронные ключи на полевых транзисторах

В качестве электронных ключей в ИС обычно используют МДП-транзисторы с индуцированным каналом n-типа, в которых при отсутствии напряжения на затворе (U_зи = О) ключ находится в разомкнутом состоянии, а при подачи на затвор напряжения, превышающего пороговое значение (U_зи = U_пор), ключ находится в замкнутом состоянии.

Схема ключа с резистивной нагрузкой приведена на рис. 3.6, а на рис. 3.7 показано построение передаточных характеристик. При U_зи = О режим работы ключа определяется точкой А, при этом U_вых = Е_с. При увеличении U_зи рабочая точка перемещается вдоль нагрузочной линии, при этом возрастает ток i_c и уменьшается напряжение.

Рис. 3.6

Рис. 3.7

При рабочая точка должна располагаться на восходящем участке выходной характеристики (например, точка В). При этом на транзисторе устанавливается остаточное напряжение U_оcт, величина которого тем меньше, чем больше R_c и U_зи.

В ключах с динамической нагрузкой вместо резистора R_c в цепь стока включают нагрузочный транзистор. На практике применяются несколько вариантов включения нагрузочного транзистора, некоторые из них представлены на рис. 3.8. В схеме рис. 3.8, а в качестве нагрузочного транзистора VT2 применен транзистор с индуцированным каналом при соединении затвора со стоком. В этом случае выполняется условие U_зи2=U_си2.

Для уменьшения остаточного напряжения U_оcт применяют нагрузочный транзистор VT2  меньшей крутизной, чем у активного транзистора VT1. В этом случае нагрузочная линия идет более полого, и точка,  определяющая величину остаточного напряжения, сдвигается влево.

В схеме рис. 3.8, б в качестве нагрузочного применен транзистор с каналом, тип проводимости которого противоположен типу проводимости активного транзистора. Такая пара транзисторов называется комплементарной. В этой схеме входное напряжение управляет как активным, так и нагрузочным транзистором. Если , то транзистор VT1 закрыт, а VТ2 открыт, при этом на выходе схемы устанавливается высокий уровень напряжения. Если , то открывается транзистор VT1, а транзистор VТ2 закрывается, при этом на выходе схемы устанавливается низкий уровень напряжения. И в том, и в другом случае отсутствует потребление тока от источника питания. Лишь при переходе схемы из одного состояния в другое, когда один из транзисторов еще не полностью открылся, а второй не полностью закрылся, существует цепь для протекания тока.

Рис. 3.8

Таким образом, главным достоинством ключей на комплементарных транзисторах является их высокая экономичность. Эти ключи также обладают и более высоким быстродействием, так как в них заряд и разряд паразитной емкости С_и протекают в одинаковых условиях, поэтому у них t_вкл ≈ t_выкл.