Електронні ключі (Глава 3 навчального посібника)

Глава 3

ЕЛЕКТРОННІ КЛЮЧІ

Ключовими називають електронні пристрої, що працюють у двох режимах, які чітко розрізняються між собою: в одному з них електронний прилад повністю вимкнений, а в другому – повністю ввімкнений. Електронні ключі застосовуються для формування і генерування цифрових та імпульсних сигналів, виконання логічних функцій, а також у колах комутації, запобігання  неприпустимим напругам тощо.

Ідеалізований ключ можна уявити як механічний перемикач S (рис. 3.1,а), здатний перебувати в двох станах: 1) у вимкненому стані він має нескінченно великий опір, струм через нього відсутній, а вихідна напруга максимальна й дорівнює напрузі джерела живлення: u=U¹=E_ж; 2) у ввімкненому стані опір ключа нульовий, через нього протікає максимально можливий струм I=E_ж/R, а вихідна напруга дорівнює нулю: u=U⁰=0. За допомогою ключів S можна комутувати також джерело сигналу e (рис. 3.1,б,в).

У реальних електронних ключах зазначені співвідношення виконуються наближено, бо комутація здійснюєтья безконтактним способом за допомогою діодів, транзисторів, інших нелінійних елементів. Завдання побудови електронного ключа полягає в тому,  аби забезпечити, з одного боку, перебування його в двох статичних станах: вимкненому та ввімкненому і, з іншого боку, потрібну швидкодію: час перемикання від одного стану до іншого має не перевищувати припустиму величину.

Час перемикання залежить від інерційності як електронного приладу, що виконує функції перемикача S, так і паразитних елементів, зокрема, RC-кола (див. рис. 3.1, а), яке відображає вплив паразитної ємності навантаження С. З певною мірою наближення перехідні процеси в подібних колах описуються інтегро-диференціальними рівняннями першого порядку. Відгуком такого кола на ідеалізований прямокутний перепад вхідного сигналу в момент t=0, як відомо, є експоненційна функція (рис. 3.1, г), що відображає вихідний сигнал (напругу, струм тощо):

                                                                                            (3.1)

де  – повний розмах експоненти від початкового f(0) до усталеного  значення, t – її стала часу.

На підставі (3.1) не важко визначити тривалість відтинка часу (див. рис. 3.1, г), протягом якого функція змінюється між відомими значеннями f(t_п) та f(t_к) відповідно на його початку t_п та в кінці t_к:

                                                  (3.2)

де

Так, час усталення експоненти, наприклад, між її 5-відсотковими рівнями  та  згідно з (3.2) становить . Проте, враховуючи, що

за умови x<<1, розрахунок невеликих відтинків часу за (3.2) істотно спрощується:

                                                                                             (3.3)

§3.1. ДІОДНІ КЛЮЧІ

3.1.1. Характеристики діодів

Найпростішим нелінійним елементом, здатним забезпечити два статичні стани ключа, є діод. Як ключові доцільно використовувати імпульсні діоди, які мають контрольований, досить малий час перемикання від одного стану до іншого, а також мале значення ємності С_д між анодом та катодом, виміряне за відомої зворотної напруги U_зв.

На рис. 3.2,а наведено типові вольт-амперні характеристики (ВАХ) крем-нійового (позначено Si), германійового (Ge) діодів та діода Шотткі (D), що виконується на основі переходу метал-напівпровідник. Параметрами прямої гілки ВАХ є напруга відтину U_до, за якої струм діода у прямому напрямку припиняється: I_пр≈0, та напруга прямого зміщення U_пр за робочих значень струму I_пр. Для діодів в інтегрованому виконанні типовими можна вважати       

параметри: U_до≈0, U_пр≈0,2...0,3 В – для діодів Шотткі, U_до≈0,2 В, U_пр≈0,4...0,6 В – для германійових діодів та U_до≈0,6 В, U_пр≈0,7...0,8 В – для кремнійових.

Для ВАХ кремнійових імпульсних діодів, як і p-n-переходів взагалі, прийнятною є шматково-лінійна апроксимація (рис. 3.2,б), бо напруга на p-n-переході U_пр за його прямого зміщення майже не залежить від струму I_пр. Головними параметрами зворотної гілки ВАХ є зворотний тепловий струм I_до та допустима зворотна напруга U_зв.доп, з перевищенням якої настає електричний пробій p-n-переходу.  Струм I_до значною мірою залежить від температури і в кремнійових діодів набагато нижчий, ніж у германійових, тому в цифрових пристроях на кремнійових напівпровідникових приладах ним звичайно нехтують.

3.1.2. Статичні режими

Залежно від способу ввімкнення діода VD відносно навантаження Rн різні ключові схеми можна спрощено зобразити у вигляді послідовного (рис. 3.2,в,г) та паралельного (рис. 3.2,д) ключів, на  схемах яких джерело сигналу репрезентоване генератором напруги е з внутрішнім опором R_д. Статичні режими ключів зручно розглядати за допомогою статичних передатних характеристик (ПХ) – залежності вихідної напруги від вхідної u(е) під час повільної зміни останньої.

1. Послідовний ключ. У послідовному ключі (див. рис. 3.2,в) негативною вхідною напругою е<0 діод VD зачинений, що відповідає розімкненому станові перемикача S (див. рис. 3.1,б) та горизонтальній лінії ідеалізованої ПХ 1 (рис. 3.2,е). Напруга на виході реальної схеми при цьому