Последовательно-параллельная

Последовательная

Параллельная

Последовательно-параллельная

В любой СК к ЭК предъявляются следующие основные требования:

1) При замкнутом ЭК (во включенном состоянии полупроводникового прибора) внутреннее сопротивление ЭК должно быть близко к нулю: R_ЭКз ® 0;

2) При разомкнутом ЭК (в выключенном состоянии полупроводникового прибора) внутреннее сопротивление ЭК должно стремиться к бесконечности: R_ЭКр ® ¥;

3) Время переключения ЭК из включенного состояния в выключенное и наоборот должно стремиться к нулю: t_з ® 0, t_р ® 0.

Степень приближения реальных свойств ЭК к указанным требованиям отражается его статическими и динамическими характеристиками.

Опр. Статической характеристикой передачи СК называется зависимость напряжения нагрузки от изменения входного электрического сигнала u_вых = j (e_вх) (их две: одна – для включенного состояния, другая – для выключенного).

Динамические свойства СК характеризуют их способность передавать на выход короткие сигналы e_упр и определяются как инерционными свойствами ЭК, так и паразитными параметрами самих электрических цепей. Количественно эти свойства характеризуются временами переключения и задержки переключения или максимальной частотой коммутации.

Диодные ключи (ДК)

ДК не требуют специального управляющего напряжения, его роль выполняет коммутируемый сигнал e_упр = e_вх, поэтому существует только одна статическая характеристика передачи.

Последовательный ДК

Получим аналитическое выражение для статической характеристики передачи последовательного ДК с использованием кусочно-линейной аппроксимации ВАХ диода:

, , – параметры кусочно-линейной аппроксимации ВАХ (дифференциальные сопротивления при прямом и обратном смещении p-n-перехода и пороговое напряжение соответственно). Согласно (*):

При условии идеальности диода и источника входного сигнала (r_Дпр = 0, r_Добр = ¥и R_вн = 0) система (*) примет вид

Для идеального диода a=45°, a’=0°.

Опр. Напряжение e_вкл, соответствующее моменту включения (выключения) ДК, называется уровнем включения ключа.

Параллельный ДК

R_б – балластное сопротивление, ограничивающее ток через диод.

Полагая R_б^’ = R_б + R_ВН и используя для статической характеристики передачи параллельного ДК допущения, аналогичные сделанным ранее, получаем:

e_вкл = U_Д0(1+R_б^’/R_Н)

Углы наклона статической характеристики передачи (для реального диода):

Для идеального диода (r_Дпр = 0, r_Добр = ¥):

Как в последовательном, так и в параллельном ДК, используя дополнительные источники смещения, напряжение e_вкл и вид статической характеристики передачи можно изменять в широких пределах.

Прохождение импульса напряжения через диодный ключ

Рассмотренные зависимости u_вых = j (e_вх) справедливы лишь для медленного изменения входного напряжения. Если на входе ДК действует импульсное напряжение, длительности фронта и среза которого соизмеримы с длительностью переходных процессов в самом диоде, зависимость u_вых = j (e_вх) приобретает качественно иной вид. Собственные частотные свойства диода влияют на указанную зависимость.

Переходные процессы в последовательном ДК

при переменном (двухполярном) входном напряжении

U_{вх пр} и U_{вх обр} –амплитуды импульсов прямой и обратной полярности соответственно;

I_пр и I_{обр и} – амплитуды импульсов тока прямой и обратной полярности;

t_у – время установления;

t_вос = t_рас + t_сп – время восстановления обратного сопротивления диода;

t_рас – время рассасывания неосновных носителей заряда из области базы диода;

t_сп – время спада обратного тока диода;

r_Дб – сопротивление материала базы;

DU_Д – доля падения напряжения на активном сопротивлении диода.

Эти диаграммы соответствуют высокому уровню инжекции в полупроводниковом диоде: процессы, в основном, определяются изменением объемного заряда в области базы, влияние C_зар несущественно.

Ключи на биполярных транзисторах (БТ)

Ключи на транзисторах являются управляемыми, то есть их статические характеристики (для включенного и выключенного состояний) определяются не значением и полярностью коммутируемого напряжения e_вх, а значением управляющего сигнала e_упр.

Особенности включенного состояния транзисторного ключа:

1) Включенное состояние ключа, как правило, соответствует работе БТ в режиме насыщения. В этом случае транзистор может быть заменен некоторым эквивалентным активным сопротивлением R_нас, которое зависит от его конструкции. В режиме насыщения рабочая точка транзистора находится в начальной части его выходной ВАХ (U_кэ ® 0), выполняется условие dU_кэ/di_к = R_нас = const. Поэтому параметры включенного состояния БТ практически не зависят от управляющего напряжения.

2) Сопротивление R_нас для включенного транзистора, как правило, меньше аналогичного сопротивления диодного ключа (взаимная компенсация напряжений U_Д0 p-n-переходов).

В выключенном состоянии, соответствующем, как правило, режиму отсечки БТ, свойства ДК и транзисторных ЭК примерно одинаковы. Ключ на БТ по свойствам ближе к идеальному.

При использовании схемы с ОЭ полярность коммутируемого напряжения неизменна и определяется типом проводимости БТ.

Последовательная СК на БТ

Статическая характеристика передачи для включенного состояния

Статическая характеристика передачи для выключенного состояния

Параллельная СК на БТ

Статическая характеристика передачи для включенного состояния

Статическая характеристика передачи для выключенного состояния

При получении аналитических зависимостей, характеризующих эти схемы, учитывалось, что эмиттерный и коллекторный переходы БТ симметричны: U_Д0БЭ + U_Д0БК = 0.

Значения углов наклона приведенных характеристик нетрудно найти из выражений для ДК.

При включенном транзисторном ключе:

для последовательной СК

для параллельной СК

При выключенном транзисторном ключе:

для последовательной СК

для параллельной СК

R_ВЫКЛ – эквивалентное сопротивление транзистора в выключенном состоянии. При построении ТК наибольшее распространение получила схема включения с ОЭ.

Длительность нахождения транзистора в области между Нс и От для реального ЭК зависит от собственных частотных свойств транзистора, которые и определяют предельное быстродействие СК.

I_{Б НАС} – реальный базовый ток насыщения транзистора;

I_{Б ГР} – базовый ток, соответствующий границе активного режима работы и режима насыщения (U_КБ = 0).

I_{Б НАС} > I_К/h_21Э = I_{Б ГР}

Опр. Превышение базового тока насыщенного транзистора над его граничным значением принято характеризовать коэффициентом насыщения q_нас = I_{Б НАС}/ I_{Б ГР}.

Значение q_нас выбирается из следующих соображений:

· режим насыщения должен обеспечиваться при заданном технологическом разбросе параметров реального БТ с учетом зависимости этих параметров от внешних возмущающих воздействий (T);

· увеличение I_{Б НАС} приводит к уменьшению U_КЭ, что снижает мощность, рассеиваемую в выходной цепи БТ;

· чрезмерное увеличение I_{Б НАС} приводит к значительному увеличению мощности, рассеиваемой во входной цепи БТ.

Расчеты дают оптимальное значение q_нас» 1,5…2,0.

Особенности выключенного состояния БТ

Коллекторный ток БТ не может быть меньше I_К0. Напряжению U_БЭ = 0 соответствует I_Кнач = I_К0h_21ЭI, т.е. при U_БЭ = 0 в коллекторной цепи транзистора протекает некоторый начальный ток, который в h_21ЭI раз больше I_К0.

h_21ЭI – коэффициент передачи тока для инверсного включения транзистора.

При проектировании импульсных и цифровых ЭУ принято считать, что транзистор выключен, если выполняется условие i_к £ 0,1 I_Кнас, что соответствует смещению эмиттерного перехода в прямом направлении меньшем некоторого порогового напряжения U_{БЭ пор}.

В зависимости от реального напряжения на эмиттерном переходе различают (на практике):

· режим глубокой отсечки, характеризующийся тем, что эмиттерный переход внешним источником смещен в обратном направлении (U_БЭ < 0), а ток базы транзистора равен току обратно смещенного коллекторного перехода, т.е. I_Б = - I_К0;

· режим пассивного запирания, характеризующийся неравенством

0 < U_БЭ < U_{БЭ пор}

U_{БЭ зап} = U_зап – I_К0R_у

Глубокая отсечка: R_у < U_зап / I_К0;

Пассивное запирание: R_у < U_{БЭ пор} / I_К0.

Основные преимущества СК на БТ по сравнению с ДК:

1) Управляемость внешним сигналом;

2) Лучшие характеристики во включенном состоянии;

3) Возможность управления быстродействием устройства посредством изменения параметров управляющего сигнала.

Основной недостаток: большая сложность схем.

Ключи на полевых транзисторах (ПТ)

Замена в СК БТ на ПТ качественно не меняет статические характеристики передачи устройства.

Особенности СК на ПТ:

1) Управление электрическим полем предполагает управление напряжением, что в отличие от управления током (в БТ) позволяет свести практически к 0 мощность, потребляемую для поддержания стационарных включенного и выключенного состояний;

2) ПТ сохраняет свои характеристики и при смене полярности напряжения между стоком и истоком. Поэтому, как и в ДК, входное напряжение e_вх СК на ПТ может изменять свою полярность;

3) Переходные процессы в ПТ обусловлены только процессом перезарядки его емкостей.

Однако в СК эти достоинства могут быть реализованы только при учете специфических свойств ПТ:

1. ПТ обладает худшими, чем БТ, ключевыми свойствами. Это выражается в больших уровнях остаточного напряжения и выходного сопротивления во включенном состоянии;

2. Выходная ВАХ ПТ на начальном участке качественно отличается от аналогичной характеристики БТ зависимостью ¶ i_с/ ¶ u_си от управляющего напряжения u_зи ® остаточное падение напряжения на включенном ПТ сильно зависит от управляющего напряжения. Необходимо уменьшать I_С, увеличивая сопротивление нагрузки.

3. Необходимость увеличения сопротивления нагрузки при последовательном включении нескольких ключей, характерном для цифровых схем, увеличивает постоянную времени перезаряда емкости t_н = R_нC_н и, следовательно, снижает быстродействие ключей на ПТ.

С ростом частоты коммутации значительно увеличивается входной ток ПТ, что обусловлено необходимостью перезаряда его входной емкости.

Следовательно, полностью реализовать преимущества схемы коммутации, выполненной на ПТ, можно только на невысоких частотах переключения и с помощью специальных схемотехнических решений, позволяющих повысить скорость перезарядки C_н.

Схема КМОП-ключа

Временные диаграммы переключения КМОП-ключа

Дата добавления: 2015-07-25