Электронные ключи (ЭК) используются для коммутации электрических сигналов. В качестве коммутирующего элемента используются полупроводниковые диоды, биполярные и полевые транзисторы. Для коммутации цепей в мощных устройствах используются тиристоры.
В зависимости от коммутируемого сигнала электронные ключи разделяют на цифровые и аналоговые. Цифровые ключи предназначены для коммутации цифровых сигналов и обеспечивают получение двух уровней сигнала на выходе. Один уровень выходного сигнала соответствует открытому состоянию ключа, другой - закрытому. Цифровые клю
чи используются также для коммутации напряжения источника питания электронного оборудования. Аналоговые ключи используются для коммутации цепей аналоговых сигналов, имеющих произвольную форму напряжений.
ЭК характеризуются следующими параметрами: 1) быстродействие, характеризуемое временем переключения ключа; 2) пороговое напряжение (f/n0p), при достижении которого сопротивление ключа резко меняется; 3) чувствительность (Д?/упр), характеризующая минимальный перепад управляющего напряжения, в результате которого происходит бесперебойное переключение ключа; 4) помехоустойчивость, определяется чувствительностью ЭК к воздействиям импульсов помехи; 5) сопротивление ключа в открытом (#0тк) и закрытом (Дзакр)состояниях; 6) падение напряжения на ключе в открытом состоянии и токи утечки - в закрытом.
Диодные ключи. В диодных ЭК используют полупроводниковые диоды, имеющие высокое быстродействие. Их используют в основном для коммутации высокочастотных и сверхвысокочастотных токов и напряжений, где величина сопротивления открытого ключа должна быть минимальной. При этом сопротивление открытого ключа определяется динамическим сопротивлением R0 диода (смещенного в прямом направлении), а сопротивление закрытого ключа - обратным током /обр. Значение сопротивления Rd открытого ключа можно уменьшить путем увеличение прямого тока (рис. 7.25). Так как увеличение /70бр приводит к увеличению обратного тока, для обеспечения высокого значения сопротивления закрытого ключа величину обратного напряжения ?/обр выбирают из условия обеспечения требуемой помехоустойчивости:
При анализе быстродействия диодных ключей следует также учитывать влияние барьерной емкости, учитывающей эффект накопления зарядов на р-н-переходе.
На рис. 7.26 в качестве примера приведена схема включения диодного ключа в цепь коммутации токов высокой частоты. Диод VDI является коммутирующим элементов (ЭК). В исходном состоянии на его анод подано обратное напряжение и он закрыт. Если на диод подать прямое напряжение (открывающее ключ), информационный сигнал поступает через разделительный конденсатор Ср (который не пропускает постоянный ток, подаваемый на диод), через открытый ключ VD на колебательный контур LKCK, и далее на вход приемника этой информации.
Катушка индуктивности LK представляет собой высокочастотный дроссель, обладающий высоким сопротивлением для частот коммутируемого сигнала. Резистор Догр определяет оптимальное для данного коммутатора значение прямого тока через диод. Блокирующий конденсатор Сб устраняет возможность проникновения высокочастотного тока в цепь управления ЭК.
Электронные ключи на биполярных транзисторах. Наиболее распространенными элементами импульсных устройств являются транзисторные ключи (ТК), т.к. на их основе создаются многие устройства цифровой техники. Транзисторные ключи могут работать в следующих режимах: режим отсечки; нормальный активный, инверсный активный; режим насыщения. Как и все элементы коммутации, ТК имеет два основных состояния: разомкнутое (транзистор закрыт) и замкнутое (транзистор открыт). Открытое состояние характеризуется режимом насыщения транзистора или режимом, близким к нему. В течение процесса переключения транзистор работает в активном режиме.
Схема простейшего ключа показана на рис. 7.27.
Максимальный ток коллектора транзистора ограничен напряжением источника питания и номиналом резистора RK:
4 мах^ Ек /Як.
Обычно ток базы задается таким, чтобы выполнялось условие
4^21э = 4 > /к мах-ОчеВИДНО, что при данном источнике напряжения и значении RK такой ток получить нельзя. Транзистор откроется полностью, но через него будет протекать ток 4 мах, который меньше 4- Максимально возможное значение тока коллектора (при заданных значениях напряжения питания и сопротивления RK) называется коллекторным током насыщения. Его значение оценивают приближенно с помощью уравнения
4 нас= 4: мах ~ Ек /RK.
Критерием насыщения является неравенство
4 > 4 нас = 4 нас ^21э-
Оценку глубины насыщения производят с помощью параметра степень насыщения, которая определяется как относительное превышение базовым током /Б того значения тока 4 нас, характерное для границы насыщения:
іУ=(/Б - /б насУ 4 нас = (п2Ь 4 " 4 насУ 4 нас
или же с помощью коэффициента насыщения:
S = 4/4 нас-
Из приведенного соотношения следует, что коэффициент насыщения показывает, во сколько раз ток, протекающий в цепи базы, больше базового тока, обеспечивающего режим насыщения транзистора.
При насыщении сопротивление транзистора минимально, и оно является выходным сопротивлением ТК в стационарном замкнутом состоянии. С увеличением базового тока напряжение на эмиттерном переходе меняется незначительно, а напряжение между коллектором и эмиттером транзистора UK3 нас уменьшается. Его значение зависит от типа (и от структуры) транзисторов и обычно находится в пределах 0,05.. .0,8 В.
Входную цепь ТК характеризуют следующие параметры: 1) выходное сопротивление ключа RBbTK (RK при закрытом и Янас при открытом транзисторе); максимальный ток открытого ключа (равен току насыщения); 3) минимальное (остаточное) напряжение на коллекторе транзистора в открытом состоянии UK3 нас; 4) максимальное напряжение на коллекторе закрытого транзистора; 5) коэффициент использования напряжения питания КЕ = (UK3 зак - UK3 Нас)/?ю где UK3 зак - напряжение между коллектором и эмиттером закрытого транзистора.
Хотя и рассмотренный ключ относится к числу цифровых и обеспечивает получение двух уровней выходного напряжения, на его основе можно создать аналоговые ключи и ключи, позволяющие коммутировать разнополярные сигналы. В этом случае роль источника напряжения Ек выполняет коммутируемое напряжение UBX.
Электронные ключи на полевых транзисторах, Ключи на полевых транзисторах используются для коммутации как аналоговых, так и цифровых сигналов. Для этих ключей характерно: 1) малое остаточное напряжение на открытом ключе; 2) высокое сопротивление закрытого ключа; 3) малая мощность, потребляемая от источника управляющего напряжения; 4) хорошая электрическая развязка между цепью управления и цепью коммутируемого сигнала; 5) возможность коммутации сигналов в большом диапазоне уровней (от микро-вольть до единицы вольт).
Простейшие схемы ключей на полевых транзисторах приведены на рис. 7.28.
Для запирания ключей на полевых транзисторах с управляющим р-я-переходом и МДП (МОП)-транзисторах с встроенным каналом, приложенное к их затворам запирающее напряжение ?Узап, должно превышать напряжение стока и истока на величину напряжения отсечки (Узи ото с одной стороны, с другой - при большом значении с/зиотс может возникнуть лавинный пробой. Поэтому рекомендуется выполнять условия:
мах! И I ^Лапі — I ^ЗИ мах! ?
где Uic мах и ^зи мах - максимально допустимые напряжения затвор-сток и затвор-исток.
Входное сопротивление ключей на полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом при малой частоте коммутации не менее 108.. ЛО9 Ом, у ключей на МОП-транзисторах не менее 1012...1014 Ом. С увеличением частоты переключения это сопротивление уменьшается, т.к. начинает сказываться влияние паразитных межэлектродных емкостей транзистора.
Из-за большого входного сопротивления электрическая мощность, затрачиваемая на управление транзистором, невелика, и ее во многих случаях можно не учитывать.
Сопротивление закрытого ключа на МОП-транзисторах достигает значения 109.,.10и Ом.
Промышленность выпускает как аналоговые так цифровые ключи в виде интегральных микросхем. Если цифровые ключи входят в состав всех цифровых интегральных микросхем серии МОП или КМОП, аналоговые выпускаются в виде специальных микросхем, например, ключи серии 590, 543, 59І, 733, 564, и т.д. В ИМС 547КП1, К190КТ1, К190КТ2 и т.д., в состав которых входит несколько МОП-транзисторов с индуцированными каналами, требуют создания внешних цепей управления.
