Электронные ключи

Электронные ключи на диодах

Характеристики нелинейных ключевых цепей

Импульсную электрическую или электронную цепь называют нелинейной, если хотя бы один из составляющих ее элементов имеет нелинейную вольт-амперную характеристику. Элементы с такой характеристикой, используемые в электронике, весьма многочисленны и разнообразны, однако все они объединяются важнейшим качеством - способностью работать в ключевом режиме. В статическом режиме ключевая схема находится либо в состоянии «включено» (ключ замкнут, открыт), либо в состоянии «выключено» (ключ разомкнут, закрыт). Переключение схемы из одного состояния в другое осуществляется воздействием на нее входных управляющих сигналов, имеющих форму импульсов или уровней напряжения.

В зависимости от назначения ключевые схемы подразделяются на цифровые и аналоговые.

Цифровые ключевые схемы (ключи) применяются для формирования и преобразования последовательностей электрических импульсов в виде тех или иных кодов.

Аналоговые ключевые схемы (ключи) предназначены для подключения или отключения аналоговых сигналов ко входам электронных усилительных или преобразующих устройств автоматики. Различное назначение цифровых и аналоговых ключей определяет и различные требования к ним.

Так как в цифровых ключах важен сам факт наличия или отсутствия импульса, требования к его амплитуде не столь существенны, а значит, и не столь важны электрические характеристики открытого и закрытого ключа. Зато на первый план выступает скорость переключения ключа, которая определяет число операций в единицу времени, т. е. производительность построенного на таких ключах устройства.

Основные области применения цифровых ключей дискретная автоматика, вычислительная техника, цифровая связь, преобразовательная техника.

Аналоговые ключи преимущественно находят применение в системах обегающего контроля, измерения и управления, для построения аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, в измерительной технике, для построения многоканальных коммутаторов.

Электронные элементы, используемые в ключевых схемах, по своим ключевым свойствам можно разделить на два класса:

- элементы, ключевые свойства которых обеспечиваются заданием их режима работы;

- элементы, ключевые свойства которых определяются самим принципом их работы.

К первым относятся биполярные и полевые транзисторы, электронные лампы, диоды, ко вторым однопереходные транзисторы, туннельные диоды, тиристоры, газонаполненные приборы (тиратроны, лампы с холодным катодом) и т. д.

Строго говоря такое разделение на классы достаточно условное, так как существуют режимы, когда даже такие приборы, как тиристоры или туннельные диоды, имеющие ярко выраженные ключевые характеристики, могут работать и в линейном или квазилинейном режиме. Однако такие режимы скорее являются исключением. Важным отличительным свойством элементов второго класса является наличие участка вольт-амперной характеристики, имеющего отрицательное сопротивление, что обеспечивает регенеративный (лавинообразный) переход таких элементов из выключенного состояния во включенное практически независимо от параметров входного переключающего сигнала.

Элементы первого класса не имеют на своей вольт-амперной характеристике участка с отрицательным сопротивлением и их работа в линейном или ключевом режиме определяется исключительно параметрами входного сигнала. При слабых входных сигналах рабочая точка перемещается на малом участке вольт-амперной характеристики и ее нелинейность проявляется слабо, нелинейные искажения сигнала имеют место, но лишь как побочный, нежелательный результат усилительного процесса. В импульсных цепях приборы работают, как правило, в режиме большого сигнала, когда рабочая точка перемещается в широком диапазоне значений тока и напряжения, и нелинейные свойства прибора проявляются в полной мере.

Общих методов анализа импульсных процессов в нелинейных цепях, обеспечивающих получение точных аналитических выражений для искомых параметров, или, как говорят, решения в квадратурах, не существует.

Введение нелинейных зависимостей тока от напряжения для соответствующих нелинейных элементов цепи приводит к тому, что описывающее цепь дифференциальное уравнение оказывается также нелинейным и аналитически решается лишь в ограниченном числе случаев. Поэтому непосредственно нелинейные зависимости тока от напряжения используются редко. Инженерным методом анализа процессов в нелинейных импульсных цепях является метод линейной аппроксимации.

При этом методе нелинейную функцию разбивают на ряд участков, на каждом из которых нелинейная функция заменяется линейной с соответствующим углом наклона. Дискретность разбиения определяется требуемой точностью аппроксимации и видом аппроксимируемой функции.

Как результат такого разбиения получают кусочнолинейно-аппроксимированную вольт-амперную характеристику, переход от которой к аналитическим выражениям осуществляют с помощью эквивалентных схем замещения прибора. Различают статические и динамические эквивалентные схемы. Первую используют как в статическом режиме, так и при медленно изменяющихся процессах. Поэтому такие схемы также называют эквивалентными схемами для области низких частот. Статическую эквивалентную схему получают исходя из рассмотрения положения аппроксимирующего отрезка вольт-амперной характеристики, что позволяет представить элемент в виде резистора, генератора тока, генератора напряжения или комбинации этих элементов.

Динамическую эквивалентную схему получают из статической путем добавления реактивных параметров прибора. Физическая природа этих добавляемых параметров объясняется инерционностью носителей заряда в полупроводнике, возникновением паразитных емкостей между электродами, наличием индуктивности выводов. Последний параметр в импульсной технике обычно не учитывают из-за его небольшой величины и слабого влияния на импульсные процессы. Учет реактивных параметров прибора делает динамическую эквивалентную схему пригодной для анализа быстрых процессов, в частности для анализа процессов, возникающих при воздействии на нелинейную цепь фронта импульса.

Следует отметить, что для большинства импульсных устройств, цепи соединения которых между отдельными составляющими их ключами имеют много большие реактивные параметры, чем паразитные параметры электронных приборов, переходные процессы в последних практически не учитывают, и для расчетов используются статические эквивалентные схемы приборов. Кроме того, такие устройства, как правило, имеют два устойчивых (квазиустойчивых состояния), в течение которых в схеме наблюдаются только медленно изменяющиеся процессы, что позволяет рассчитывать и анализировать эти устройства по статическим схемам замещения, составными элементами которых являются статические эквивалентные схемы приборов.

К нелинейным электронным элементам, как к ключевым приборам предъявляются следующие требования:

1) минимальные, стремящиеся к нулю, сопротивление и остаточное падение напряжения в открытом, включенном состоянии;

2) максимальное, стремящееся к бесконечности, сопротивление закрытого, выключенного ключа и минимальные тепловые токи и токи утечки в закрытом состоянии;

3) высокое быстродействие ключа;

4) небольшое пороговое напряжение напряжение, в окрестностях которого сопротивление ключа резко меняется;

5) высокая помехоустойчивость, которая является характеристикой чувствительности электронного ключа к воздействиям  импульсной помехи;

6) высокая надежность ключа и большое число допустимых переключений в процессе эксплуатации.

Кроме общих перечисленных требований каждый электронный элемент, работающий в ключевом режиме, характеризуется рядом дополнительных требований, определяемых его особенностями

Диодные ключи

В диодных электронных ключах преимущественно используют полупроводниковые диоды трех типов: точечные, плоскостные сплавные и плоскостные диффузионные.

Точечные диоды (например, Д18, Д101) имеют малую барьерную емкость  и сравнительно низкое допустимое обратное напряжение .

Плоскостные сплавные диоды, например Д219, обладают большой барьерной емкостью , но могут работать при значительных обратных напряжениях. Разброс их параметров значительно меньше, чем у точечных диодов. Плоскостные диффузионные диоды (например, мезадиоды Д312) сочетают в себе лучшие качества точечных и плоскостных сплавных диодов. Их барьерная емкость СБАР ≤ 1 ...3 пФ, допустимое обратное напряжение порядка 70 ... 100 В, поэтому они находят наиболее широкое применение в ключах различного назначения.

Основные схемы диодных ключей, наиболее широко используемых в импульсной технике, представлены на рисунке сверху.

Диодные ключи. Применяются для точного переключения токов и быстрого переключения напряжений. Первое применение объясняется высокой точностью диодных токовых ключей и легкостью управления ими. Второе связано с появлением диодов с тонкой базой и диодов Шоттки, в которых слабо выражены эффекты накопления носителей и инерционность в основном определяется процессом перезаряда барьерных емкостей.

Ключи на биполярных транзисторах

Электронный ключ на биполярном транзисторе

Простейшая схема ключа состоит из транзистора Т и резистора RК. Ключ управляется от источника тока. В зависимости от значения источника тока (низкий уровень или высокий) транзистор должен быть в закрытом (режим отсечки) или насыщенном статическом состоянии. В первом случае напряжение на выходе ключа близко к входному, во втором - к нулю. Таким образом, ключ представляет собой простейший логический элемент НЕ - инвертор.

Ключи на биполярных транзисторах. Применяются для переключения как напряжений, так и токов. В ключах напряжения, как правило, используется режим насыщения в инверсном включении транзистора. При этом используются как отдельные транзисторы (последовательные и параллельные), так и согласованные пары встречно включенных двухэмиттерных транзисторов, получивших название интегральных прерывателей. Ключи тока чаще всего строят на согласованных транзисторах. Ключи с одиночными транзисторами обычно имеют управление по постоянному току

Ключи на полевых транзисторах

Создание цифровых ИС с повышенной степенью интеграции обусловило особый интерес к базовым логическим элементам с очень малыми потребляемой мощностью и занимаемой на кристалле площадью. Традиционный способ повышения экономичности за счет увеличения сопротивления резисторов неизбежно приводит к увеличению их геометрических размеров и паразитной емкости на подложку. Кардинальным способом решения проблемы явилось использование в ключевых схемах вместо резисторов динамической нагрузки - МОП- транзисторов. Они способны хорошо работать в режиме микротоков и имеют малые габариты. Получили распространение две схемы ключевых элементов: на транзисторах с каналами одного типа проводимости и на комплементарных транзисторах на парах транзисторов с каналами разного типа проводимости

Эти ключи получили преимущественное распространение из-за отсутствия остаточного напряжения на открытом транзисторе, малых токов утечки и управления, хорошей совместимости с интегральной технологией.

Переключатель тока

Переключатель тока выполняется обычно на биполярных транзисторах и представляет собой дифференциальный усилительный каскад, работающий в режиме большого сигнала, но без насыщения транзисторов.

Ключи на тиристорах

Тиристоры составляют наиболее широкий класс полупроводниковых приборов с отрицательным сопротивлением и предназначены в основном для коммутации токов и напряжений в сильноточных схемах. Большое число типов тиристоров с разнообразными характеристиками определяют многообразие ключевых и коммутирующих схем на их основе, тем не менее, общее свойство этих приборов S-образная вольтамперная характеристика позволяет обобщенно подходить к анализу статических и динамических свойств тиристорных ключей

Аналоговые ключи

Аналоговые ключи предназначены для передачи сигналов с минимальными искажениями в открытом состоянии и отключают цепи источников сигнала от цепей потребления в закрытом состоянии. Аналоговые ключи могут коммутировать ток или напряжение. Для коммутации напряжения можно использовать либо однополюсный последовательный ключ (прерыватель), либо переключатель на два положения (нагрузка подключается к источнику напряжения или к общей точке схемы).

При коммутации же тока необходим переключатель на два положения (ток источника никогда не должен прерываться, а лишь переключаться в различные ветви цепи). Требования к характеру нагрузки должны быть различными для ключей тока и напряжения. В цепи для коммутации напряжения нагрузка должна иметь достаточно высокое сопротивление по сравнению с выходным сопротивлением источника сигнала, а для коммутации тока наоборот. Реальные аналоговые ключи вносят погрешность при передаче сигнала (тока, напряжения) от источника в нагрузку.

Основными параметрами ключа, определяющими значение погрешности, являются остаточное напряжение на замкнутом ключе UОСТ, сопротивление открытого ключа RПР.

Кроме основных параметров, аналоговые ключи характеризуются рядом дополнительных, которые позволяют определить основные режимы работы ключа и его влияние на передаваемый сигнал и сопряженную с ним схему. К таким параметрам относятся:

Ток утечки из цепи управления в сигнальную цепь в замкнутом состоянии ключа, равный разности токов через входной и выходной выводы ключа. Особое значение этот параметр имеет для ключей тока. Для ключей напряжения при значительном токе утечки важно, куда он течет: в источник сигнала или в нагрузку;

Диапазон входных сигналов диапазон напряжений или токов, который способен переключать данный ключ. Он ограничивается схемой управления, пробивными напряжениями ключа и допустимой погрешностью передачи входных сигналов.

К параметрам разомкнутого ключа относятся токи утечки по входу и выходу разомкнутого ключа и обратные сопротивления. В паспортных данных обычно указывают максимальные значения токов утечки на входе и выходе разомкнутого ключа при нормальной и максимальной температурах.

Времена включения и выключения, которые определяют при заданном полном сопротивлении нагрузки (обычно 10 кОм с параллельно включенной емкостью 15 ... 20 пФ) как задержку между моментом приложения управляющего импульса и концом фронта переключения напряжения (или тока) на нагрузке (по уровню 0,9 или 0,1).

Время установления выходного сигнала время, за которое выходной сигнал при переключении достигает установившегося значения с допустимой погрешностью (на заданной нагрузке).

Паразитные емкости ключа, которые определяют паразитные выбросы управляющего сигнала при переключениях ключа, а также сквозное прохождение аналогового сигнала при разомкнутом ключе. Важное значение имеет также развязка (изоляция) на высокой частоте, численно равная отношению входного сигнала к выходному при разомкнутом ключе и при определенной частоте и нагрузке.

Выходные логические уровни, которые характеризуют цепи управления ключа и их совместимость с цифровыми ИС.

Кроме того, аналоговые ключи характеризуются такими параметрами, как предельно допустимые режимы, напряжения питания, потребляемая мощность, диапазон рабочих температур, размеры, тип корпуса и т. д.

Часто большое значение имеют следующие дополнительные параметры: собственный шум, ограничивающий снизу уровни переключаемых сигналов; перекрестные связи между ключами; коэффициент передачи замкнутого ключа в зависимости от частоты входного сигнала (амплитудно-частотная характеристика). Обычно указывают коэффициент передачи на низкой частоте или постоянном напряжении.

С точки зрения схемного построения аналоговые ключи различают по используемым в них полупроводниковым элементам и способам управления ими. В настоящее время наиболее распространены ключи на диодах, биполярных и полевых транзисторах, оптронах. В ряде случаев аналоговые и цифровые ключи имеют внешне схожие принципиальные схемы, однако различные их предназначения определяют различные режимы и порядок поступления входных сигналов.