3.1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ

В цифровой электронике ключевая схема предназначена для коммутации (переключения) тока в нагрузке и создания двух резко отличающихся уровней (перепадов) напряжения на нагрузке, соответствующих логическому нулю и логической единице.

В интегральных микросхемах выполненных на биполярных транзисторах роль ключа выполняет транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером (рис. 3.1).

Рис.3.1. Ключевая схема на биполярном транзисторе: а- принципиальная схема; б – вольт/амперная характеристика ключа

При U_вх, достаточном для создания базового тока I_{б нас}, переводящего транзистор в режим насыщения, состояние схемы определяется точкой А на ВАХ, что равносильно замкнутому ключу. Выходное напряжение равно U_{кэ нас}, т.е. несколько выше нулевого уровня, а ток через транзистор I_{к нас} максимален и равен .

Оценим энергетические затраты в ключевой схеме:

1. 
   В режиме отсечки мощность, выделяемая на транзисторе и вызывающая его нагревание, определяется выражением
   

Вследствие крайней малости I_ко, мощность P_отс значительно меньше допустимой величины.

2. 
   В режиме насыщения мощность P_нас = I_{к нас}  U_{кэ нас}. Так как U_{кэ нас} мало, P_нас также находится в допустимых пределах.
   
3. 
   Более подробно рассмотрим процесс переключения – процесс перехода ключа из одного состояния в другое.
   

Допустив, что ток i_к(t) за время переключения изменяется по линейному закону, т.е. i_к(t) =I_нас  t/_ф, и, считая, что R_к, E_к известны, получим

Тогда с учетом

Если транзистор ключа переключается с частотой f, то мощность,

выделяемая на нем, будет равна

,

где – период переключения.

Р

Рис. 3.2. Идеализированная

Ключевые схемы на полевых (МДП) транзисторах имеют следующие преимущества перед биполярными:

• 
  малое сопротивление в открытом состоянии,
  
• 
  высокое сопротивление в закрытом состоянии,
  
• 
  малая потребляемая мощность при высокой помехоустойчивости и нагрузочной способности,
  
• 
  широкий диапазон питающих напряжений.
  

т

В рассмотренных ключевых схемах существенным недостатком является протекание тока через сопротивление R_к как в открытом, так и в закрытом состояниях ключа и, как следствие, его значительное нагревание.

Э

Рис. 3.4. Комплементарный

В положительной логике и при положительной полярности напряжения питания при подаче на вход схемы логического 0 (U_вх  0 В) транзистор Т1 будет заперт, а транзистор Т2 оказывается в режиме глубокого насыщения и через него потенциал +Е поступает на выход, реализуя на выходе логическую 1. Сквозной ток, протекающий через оба последовательно соединенных транзистора, практически равен нулю, так как сопротивление закрытого транзистора Т1 очень велико.

Если на вход ключа подана логическая 1, то состояния транзисторов меняются на противоположные и через открытый транзистор Т1 на выход будет подан нулевой потенциал корпуса U_вых  0 В, реализуя логический 0. При этом сквозной ток по прежнему останется близким к нулю вследствие большого сопротивления запертого транзистора Т2.

Таким образом, в статическом состоянии схема практически не потребляет мощности от источника питания.

В режиме переключения имеется некоторый интервал времени в течение которого открыты оба транзистора и поэтому сквозной ток может достигать значительных величин. Однако для КМДП-ключей типичны низкие напряжения питания, так что заметного возрастания тока во время переключения обычно не происходит.

Переключатель тока

Переключателем тока называют симметричную схему (рис. 3.5), в которой заданный ток I₀ протекает через ту или иную ее ветвь в зависимости от потенциала U_вх на одном из входов. На втором входе поддерживается некоторое неизменное опорное напряжение U_оп.

Так как эмиттеры транзисторов соединены между собой, то падение напряжения U_э прикладывается одновременно к базам Т1 и Т2.

Если на вход переключателя подан высокий уровень (В), т. е.
U_вх = U_оп + , то транзистор Т1 будет открытым, так как на его базе будет прямое напряжение U_э1 = U_вх – U_э > 0, а Т2 - закрыт (U_э2 = U_оп – U_э < 0). Каждая из ветвей переключателя представляет собой инвертор, поэтому на выходе U_вых1 будет низкий потенциал, на выходе U_вых2 – высокий.

Если на вход подан низкий уровень (Н), т. е. U_вх = U_оп – , то откроется Т2, а Т1 закроется. Обычно величины = 0,1 … 0,5 В достаточно для перевода схемы из одного состояния в другое, сохраняя активный режим открытого транзистора.

Таким образом особенность переключателей тока состоит в использовании ненасыщенного режима работы транзисторов, что обеспечивает их повышенное быстродействие и по той же причине повышенные энергетические затраты в статическом режиме.

3.2. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ

В реальных ключевых схемах изменение состояния транзисторов под действием ступенчатого входного напряжения происходит в течение некоторого времени, зависящего от целого ряда факторов: типа транзистора ключа, режимов его работы, характера нагрузки и т.д. При этом изменения выходных токов ключа при отпирании и запирании транзистора отличаются от линейного закона, а форма выходного напряжения значительно отличается от формы входного.

Переходные процессы биполярного ключа

П

При подаче входного напряжения ступенчатой формы появляется базовый ток I_б такой же формы. Если величина I_б достаточна для ввода транзистора в насы-щение, то возрастающий ток коллектора будет стремиться к уровню I_б, где  – коэф-фициент усиления тока транзистора. Нелинейный характер нарастания i_k определяется наличием емкостей переходов база-эмиттер (C_э ) и база-коллектор (C_к). Максимальное значение i_k ограничено сопротивлением R_k и не может превысить величины .

Значение коллекторного тока, в тоже время, определяется количеством неосновных носителей в базе, поэтому, когда ток i_k достигнет величины I_kнас, его рост прекратится, но рост числа носителей заряда в базе будет продолжаться до величины соответствующей току I_б . Таким образом, в базе транзистора накапливается избыточный заряд неосновных носителей, не участвующих в создании коллекторного тока.

Как видно из диаграммы, процесс открывания транзистора занимает некоторый интервал времени t_вкл. Уменьшение этого времени на практике достигается повышением в 1,53 раза базового тока, по отношению к току, достаточному для введения транзистора в насыщение. Однако, увеличение базового тока в этом случае приводит к увеличению избыточного заряда неосновных носителей в базе, которые после снятия входного сигнала (отключения тока I_б) продолжают поддерживать некоторое время t_р коллекторный ток неизменным. Отрезок времени t_р называют временем рассасывания неосновных носителей из базы. Только после удаления избыточного заряда из базы начинается процесс уменьшения коллекторного тока до уровня I_к0 .

В быстродействующих ключевых схемах принимают меры для уменьшения t_р, и соответственно, t_выкл , в целом.

Ключевая схема на транзисторе Шоттки

Процесс рассасывания можно устранить, если транзистору сразу же после отпирания создать режим, когда бы он находился на границе между состоянием насыщения и активным режимом работы. Этого м

Рис.3.7. Ключевая схема

Когда транзистор закрыт или работает в активном режиме, потенциал коллектора выше потен-циала базы и, следовательно, диод закрыт и не влияет на работу клю-ча. В режиме насыщения, когда транзистор полностью открыт, потенциал его коллектора оказывается ниже потенциала базы, что приводит к открыванию диода, на котором устанавливается напряжение менее 0,5 В, т. е. меньше напряжения, открывающего переход база–коллектор. Транзистор тем самым окажется на грани насыщения, так как диод зашунтирует через себя ту часть тока базы, которая создала бы избыточный заряд.

В интегральном исполнении диод Шоттки представляет собой контакт металла с коллекторной областью транзистора и составляет с ним единую структуру, называемую транзистором Шоттки. Особенностью диода Шоттки является низкое прямое падение на нем напряжения порядка 0,4 В.

Переходные процессы в ключевой схеме на МДП-транзисторе

Основное влияние на характер протекания переходных процессов в ключевых схемах на полевых транзисторах оказывают емкости, образованные между их выводами (рис. 3.8).


а б
Рис.3.8. Переходные процессы в ключевой схеме на МДП-транзисторах:
а – эквивалентная схема ключа, б – временные диаграммы
При закрытом транзисторе выходная емкость C_си заряжена до напряжения, практически равного E. Когда входное напряжение превышает пороговое напряжение U_пор (напряжение открывания транзистора) в течение времени задержки

формируется проводящее состояние канала. Однако, при достаточно низком сопротивлении R_вн источника входного сигнала U_вх время за-

держки пренебрежимо мало.

Как только канал сформирован, емкость C_си начинает разряжаться постоянным током I_р, определяемым небольшим сопротивлением проводящего канала транзистора, в течение времени t_вкл. За это время выходное напряжение ключа падает до величины близкой к нулю.

При запирании транзистора (уменьшение U_вх до нуля) происходит зарядка емкости C_си через резистор R от напряжения источника питания E в течение времени t_выкл. Это время, как правило, больше времени включения, так как сопротивление нагрузочного резистора R значительно больше сопротивления канала транзистора в проводящем состоянии.

В комплементарном ключе заряд и разряд нагрузочной емкости происходит в одинаковых условиях через открытый проводящий канал. Это объясняется симметрией схемы относительно входного напряжения и нагрузки. Соответственно, интервалы времени t_вкл и t_выкл примерно одинаковы и почти на порядок меньше, чем у обычного ключа на МДП-транзисторах. Это преимущество сохраняется и при уменьшении напряжения питания.