Диодные ключи

Двусторонние ограничители со смещением

На рис. 2.9 а, б приведены схемы двустороннего последовательного ограничителя, а

также временные диаграммы, демонстрирующие работу этой схемы.

На рис. 2.10 а, б приведены схемы двустороннего параллельного ограничителя, а также

временные диаграммы, иллюстрирующие работу этой схемы.

3.Диодные аналоговые ключи. Способы управления диодными ключами. Применение ключей. Привести пример схемы ключа для коммутации знакопеременного напряжения.

Рис. 7.9. Диаграмма изменения сопротивления ЭК (а); схема простого диодного ключа (б)

В зависимости от характера коммутируемого сигнала электронные ключи разделяют на цифровые и аналоговые. Цифровые ключи коммутируют напряжения или токи источника питания и обеспечивают получение двух уровней сигнала на выходе. Один уровень соответствует открытому состоянию ключа, другой — закрытому. Аналоговые ключи обеспечивают подключение или отключение источников аналоговых информационных сигналов, имеющих произвольную форму напряжений. Причем характеристики измерительных устройств, в которых они используются, во многом зависят от качества передачи сигнала аналоговым ключом и помех в цепи, появляющихся при его коммутации.

Цепь с электронным ключом можно рассматривать как четырехполюсник, параметры которого существенно изменяются при достижении определенного уровня входным или управляющим сигналом.

Характеризуя свойства ЭК, вводят понятие околопороговой области. Под ней понимают те значения входного или управляющего сигнала, при которых сопротивление ЭК резко изменяется (рис. 7.9, а).

При анализе работы ключей и их практическом использовании необходимо знать следующие параметры: 1) быстродействие, характеризуемое временем переключения ключа; 2) пороговое напряжение, в окрестностях которого сопротивление ключа резко меняется; 3) чувствительность, под которой обычно понимают минимальный перепад сигнала, в результате действия которого происходит бесперебойное переключение ключа; 4) помехоустойчивость, характеризуемую чувствительностью электронного ключа к воздействиям импульсов помехи; 5) падение напряжения на ключе в открытом состоянии и токи утечек — в закрытом; 6) сопротивление ключа в открытом и закрытом состояниях.

В диодных ЭК используют полупроводниковые диоды, имеющие барьерную емкость и высокое быстродействие. Широко применяются кремниевые, микроплавные и эпитаксиально-планарные структуры, а также арсенид — галлиевые диоды с барьером Шотки.

Рис. 7.10. Вольт-амперная характеристика (а) и эквивалентные схемы открытого (б) и закрытого (в) диодов; изменения и при увеличении

Статические характеристики ключевой цепи полностью определяются вольт-амперной характеристикой диода, показанной на рис. 7.10, а (см. §2.6).

В случае, приведенном на рис. 7.9, б, диод VD открыт, если напряжение между точками А и В превышает пороговое значение . Для его нахождения проводят касательную к вольт-амперной характеристике на участке, где невелико изменение ее наклона. В качестве берут напряжение в точке пересечения касательной с осью абсцисс. Эквивалентные схемы диода, смещенного в прямом и обратном направлениях, приведены на рис. , в. При прямом напряжении на диоде его статическое сопротивление существенно отличается от дифференциального гдиф, причем значение гдиф уменьшается при увеличении прямого тока (рис. 7.10, г). При обратном смещении через диод протекает ток (рис. 7.10, в). Для учета увеличения обратного тока при повышении напряжения введено сопротивление . Барьерная емкость С учитывает эффект накопления зарядов на -переходе. Значение ее уменьшается при увеличении (рис. 7.10, д).

В тех случаях, когда диодные ключи применяются для коммутации быстроизменяющихся сигналов, их характеристики отличаются от статических.

Это связано с наличием переходных процессов накопления неосновных носителей заряда в базе и зависимостью напряжения на от пространственного заряда и его распределения в области базы и -перехода.

Так, если через диод протекал ток , и заряд в базе где — время жизни неосновных носителей заряда в базе, то при резком изменении тока заряд мгновенно измениться не может. Его новое значение будет получено по истечении конечного промежутка времени. В этот промежуток изменяется сопротивление базы и падение напряжения на диоде. Сопротивление базы при токе I и заряде в ней можно найти из уравнения

где - сопротивление базы при — коэффициент накопления заряда.

В связи с тем что сопротивление базы диода зависит от времени и тока, протекающего через диод, а также вследствие наличия нелинейной барьерной емкости при отпирании и запирании диодного ключа наблюдаются переходные процессы. Их приходится учитывать при проектировании быстродействующих устройств.

Если диод подключить к источнику импульсных сигналов с внутренним сопротивлением (рис. 7.11, а), удовлетворяющему условиям , где — высота импульса; — напряжение на -переходе; — сопротивление диода, то максимальный прямой ток будет определяться параметрами источника сигнала:

Рис. 7.11. Схема диодного ключа, включенного в прямом направлении (а); зависимость распределения зарядов в базе от времени (б); характеристика переходных процессов в диодном ключе (в)

Диаграммы изменений тока и напряжения на диоде в этом случае показаны на рис. .

В первый момент, когда , напряжение на диоде изменяется скачком на ибэт. Этот скачок обусловлен напряжением на -переходе и падениями напряжения на сопротивлениях . Так как , то начальное сопротивление диода прямому току

Оно называется импульсным сопротивлением.

Распределение концентрации дырок в области базы в первый момент после скачка отпирающего тока характеризуется нижней кривой для (рис. 7.11, б).

Под действием отпирающего импульса тока дырки диффундируют в сторону омического контакта и соответственно кривая распределения концентраций перемещается вверх, как показано на рис. . При этом следует подчеркнуть, что градиент концентрации пропорционален току и для -перехода остается неизменным.

Заряд носителей в базе, пропорциональный площади, заключенной между уровнем и соответствующей кривой , с течением времени увеличивается. Это приводит к уменьшению сопротивления . В итоге при постоянном токе диода падение напряжения на нем уменьшается по экспоненциальному закону.

Через промежуток времени , называемый временем установления, напряжение на диоде достигает установившегося значения и сопротивление диода становится равным статическому значению, соответствующему данному току .

При этом в базе будет находиться дополнительный заряд, пропорциональный площади, заключенной между уровнем и кривой для со, который равен .

Если в момент времени диод отключить от источника питания, то его ток скачком уменьшится до нуля (рис. 7.11, в).

В этот момент скачок напряжения на диоде . Однако на диоде останется напряжение , обусловленное наличием дополнительного заряда в базе. А так как ток диода равен нулю, то этот заряд будет исчезать только за счет рекомбинации, причем уменьшение его будет происходить по экспоненциальному закону. Измеряя промежуток времени, в течение которого происходит рассасывание заряда, и считая, что длительность рассасывания (восстановления исходного состояния) , можно вычислить время жизни неосновных носителей заряда:

Рис. 7.12. Схема, обеспечивающая коммутацию напряжения на диодном ключе (а); переходные процессы при коммутации полярности напряжения (б); зависимость распределения носителей заряда от времени при их рассасывании (е)

4.Транзисторные насыщенные ключи. Режимы работы транзистора. Ключи в схеме с общим эмиттером и общей базой. Применение насыщенных ключей (привести примеры схем и описание их работы).

Преобразователи уровней логических сигналов на транзисторах – ЭСЛ-ТТЛ, ТТЛ-ЭСЛ, КМОП-ТТЛ, ТТЛ-КМОП.

Дата добавления: 2015-03-29