Аналоговые ключи. Диодные ключи. Ключи на биполярных транзисторах. Ключи на полевых транзисторах

Аналоговые ключи

Аналоговые ключи широко используются в радиоэлектронной технике.

Примеры:

1.  Синхронные детекторы, устройства выборки-хранения

2.  Стробоскопические преобразователи

3.  Преобразователи постоянного напряжения в переменное в  УПТ с МДМ преобразованием.

4.  ЦАП с весовыми сопротивлениями и с R-2R сеткой.

5.  Генераторы пилообразного напряжения.

6.  АЦП и другие.

Ключи аналоговых сигналов должны удовлетворять следующим требованиям:

1. Иметь большое сопротивление и малую проходную емкость в закрытом состоянии.
2. Малое сопротивление в открытом состоянии и малый дрейф  этого сопротивления.
3. Ключ должен создавать минимальные помехи в коммутируемом канале.
4. Иметь необходимое быстродействие.
5. Большой диапазон коммутируемого сигнала.

Применяются:   

а. Диодные ключи

б. Ключи на биполярных транзисторах.

в. Ключи на полевых транзисторах.

Существуют также ключи на оптронных парах, ферромагнитных элементах, туннельных диодах, стабилитронах, и т.д.  Ключи могут управляться потенциалом, импульсом и серией импульсов. Характеристики переключения диода и биполярного транзистора рассмотрены нами ранее.

Диодные ключи.

Быстродействующий мостовой ключ.

В статическом режиме диодный мост заперт источниками смещения и путь входному сигналу закрыт. При поступлении коммутирующего импульса через диоды начинает течь ток,  сопротивление диодов уменьшается и входной сигнал заряжает емкость С на выходе.  Трансформатор преобразует коммутирующие импульсы положительной полярности в пару импульсов разной полярности для отпирания диодного моста.

Время выборки ключа определяется длительностью входного коммутирующего импульса,  а также величиной постоянной времени t =

С · (Rдиода + Rисточика сигнала). Длительность коммутирующего импульса может быть уменьшена дифференцирующей цепочкой С1 · Rсм. При этом коммутирующий импульс должен иметь достаточно короткий передний фронт. 

Коммутаторы ВЧ сигналов.

При коммутации цепей  ВЧ сигналов остаточное напряжение на открытом диоде несущественно, поэтому можно использовать более простые схемы. В таких ключах используют специальные коммутационные диоды с большим временем жизни неосновных носителей и, следовательно, с большим накопленным зарядом в открытом состоянии.

При отрицательном управляющем напряжении Vупр. диод заперт и паразитное прохождение сигнала происходит через барьерную емкость диода. При положительном управляющем сигнале диод открыт. Входная и выходная  цепи развязаны по постоянному току блокировочными емкостями Сблок. 

При использовании диодов с большим временем жизни неосновных носителей коммутирующий ток от источника управляющего напряжения может быть намного меньше, чем коммутируемый ток ВЧ сигнала. Если время жизни носителей tж много больше периода коммутируемого ВЧ сигнала, то рекомбинацией носителей за один период сигнала можно пренебречь и накопленный заряд изменяется только из-за протекающего тока коммутируемого сигнала. При этом величина накопленного заряда изменяется около среднего значения, равного Q0 = I упр. · tж.  Диод при этом начнет ограничивать и вносить искажения в ВЧ сигнал, если амплитуда изменения накопленного заряда начнет превышать его среднее значение Q0. Амплитуду изменения накопленного заряда можно найти, если известна амплитуда коммутируемого ВЧ тока Ic и частота ВЧ сигнала w:

Q ^~ = Ic/w

Условие отсутствия отсечки диода  можно записать, как:

Q0 = I упр. · tж > Ic/w

Пример:

В ключе используется коммутационный диод КД407А. Время жизни носителей диода 50 · 10^-9 сек.

Нам необходимо коммутировать ток ВЧ сигнала на частоте 100 МГц, амплитуда тока  Ic = 100 мА. Наименьшая допустимая величина управляющего тока :

I упр. > 0.1/(50 · 10^-9 · 2p · 100 · 10 ⁶) = 3,2 мА.

При коммутации СВЧ сигналов широко применяются специально созданные p-i-n диоды. Сопротивление в открытом состоянии диода порядка одного Ома, емкость закрытого диода ~ 1 пф, допустимое обратное напряжение – сотни вольт, допустимая мощность рассеивания достигает десятка ватт в непрерывном режиме. При этом возможна коммутация значительной ВЧ мощности – сотен ватт в непрерывном режиме и десятков киловатт в импульсном режиме. Рабочий диапазон частот до десятков гигагерц.  Время включения и выключения находится в диапазоне единиц микросекунд. р-i-n диоды также используются в аттенюаторах и фазовращателях в СВЧ цепях с электронным управлением. При этом дифференциальное сопротивление диода достаточно точно определяется известной формулой:

Rд  (Ом) = 24/ I (мА)

Ключи на биполярных транзисторах

Биполярные транзисторы имеют малые токи утечки  и проходные емкости в закрытом состоянии и малое сопротивление в режиме насыщения, поэтому они также используются в качестве аналоговых ключей. Недостатком этих элементов является то, что напряжение насыщения довольно велико и имеет сильную зависимость от температуры и величины тока базы. Этот недостаток исправляется использованием подобранной пары транзисторов, которые включаются последовательно так, что напряжения насыщения у них вычитаются. Обычно пары таких транзисторов изготавливаются в одном кристалле в едином технологическом процессе, при этом гарантируется идентичность параметров транзисторов. Выпускаются специальные пары транзисторов, предназначенные для работы в качестве аналоговых ключей. Транзисторы используются, как правило, в инверсном включении, что уменьшает остаточное напряжение