Диодные ключи

Электронные ключи (ЭК) используются для коммутации электрических сигналов. В информационных маломощных устройствах их выполняют на полупроводниковых диодах, а также на биполярных и полевых транзисторах.

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. 1, 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.

Рис. 1. Диаграмма изменения сопротивления ЭК (а);

схема простого диодного ключа (б)

В диодных ЭК используют полупроводниковые диоды, имеющие барьерную емкость (0,5...2 пФ) и высокое быстродействие. Широко применяются кремниевые, микросплавные и эпитаксиально-планарные структуры, а также арсенид-галлиевые диоды с барьером Шоттки. Статические характеристики ключевой цепи, показанной на рис. 1, б, полностью определяются вольт-амперной характеристикой диода (рис. 2).

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика диода

В случае, приведенном на рис. 1, б, диод VD открыт, если напряжение между точками А и В превышает пороговое значение U_nop. Для его нахождения проводят касательную к вольт-амперной характеристике на участке, где невелико изменение ее наклона. В качестве U_nop берут напряжение в точке пересечения касательной с осью абсцисс. При прямом напряжении на диоде его статическое сопротивление существенно отличается от дифференциального, причем значение дифференциального сопротивления уменьшается при увеличении прямого тока.

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 p-n-переходе от пространственного заряда и его распределения в области базы и p-n-перехода.

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.

Наличие достаточно большого заряда неосновных носителей, накапливаемых в базе при прямом смещении диода, приводит к тому, что после переключения полярности напряжения дырки базы, оказавшиеся у p-n-перехода, беспрепятственно проходят через него в p-область. Эмиттер из инжектора дырок превращается в собирателя их.

Рассасывание заряда, накопленного в базе, происходит за счет возвращения дырок в эмиттер и рекомбинации их в объеме базы. До тех пор пока концентрация неосновных носителей заряда у p-n-перехода превышает равновесную, он открыт и через него протекает ток, зависящий от величины напряжения.

При подключении диодного ключа к источнику напряжения ток через него устанавливается не сразу, а увеличивается с течением времени вследствие уменьшения сопротивления базы при накоплении в ней избыточного заряда.

Таким образом, при отпирании и запирании диодного ключа напряжения и токи в цепи устанавливаются не мгновенно, а в течение промежутка времени, значение которого зависит от параметров диода и его режимов работы.