Электронные ключи и простейшие формирователи импульсных сигналов

В состав многих импульсных устройств входят электронные ключи. Основу любого электронного ключа составляет активный элемент (полупроводниковый диод, транзистор, электронная лампа), работающий в ключевом режиме. Ключевой режим характеризуется двумя состояниями ключа: «Включено» — «Выключено». На рис. 10.7, а—в приведены упрощенная схема и временные диаграммы идеального ключа.

Рис. 10.7. Схема (а), временные диаграммы тока (б) и выходного напряжения (в) идеального ключа

При разомкнутом ключе i = 0, а u_вых = Е, при замкнутом ключе i = E/R, u_вых = 0. При этом предполагается, что сопротивление разомкнутого ключа бесконечно ве­лико, а сопротивление замкнутого ключа равно нулю. В реальных ключах токи, а также уровни выходного напряжения, соответствующие состояниям «Включено» — «Выключено», зависят от типа и параметров применяемых активных элементов, и пе­реход из одного состояния в другое происходит не мгновенно, а в те­чение времени, обусловленного инерционностью активного элемента и наличием паразитных емкостей и индуктивностей цепи. Качество электронного ключа определяется следующими основными парамет­рами:

падением напряжения на ключе в замкнутом состоянии u_з;

током через ключ в разомкнутом состоянии i _p;

временем перехода ключа из одного состояния в другое (временем переключения) t_пер.

Чем меньше величины u_з, i _p и t_пер, тем выше качество ключа, по­скольку при этом уменьшается его мощность рассеяния (а следова­тельно, нагрев) и повышается быстродействие.

Простейший тип электронных ключей — диодные ключи. В качестве активных элементов в них используют полупроводниковые или электровакуумные диоды. На рис. 10.8, а приведена схема последовательного диодного ключа, а на рис. 10.8, б — его передаточная характеристика.

Рис. 10.8. Схема (а) и передаточная характеристика (б) последовательного диодного ключа с нулевым уровнем включения

При положитель­ном входном напряжении диод от­крыт, и ток через него

где R_пр — прямое сопротивление диода.

Выходное напряжение

Обычно R_пр « R, тогда u_вых ≈ u_вх. При отрицательном входном напряжении обратный ток через диод

где R_обр — обратное сопротивление диода. При этом выходное напряжение

Как правило, R_обр >> R и u_вых ≈ Ru_вх/R_обр << u_вх. При изменении полярности включения диода график функции u_вых(u_вх) повернется на угол π.

Схеме рис. 10.8, а соответствует нулевой уровень включения (уро­вень входного напряжения, определяющий отпирание или запирание диода). Для изменения уровня включения в цепь ключа вводят источник напряжения смещения Е_о (рис. 10.9, а).

Рис. 10.9. Схема (а) и передаточные характеристики (б) последовательно» го диодного ключа с ненулевым уров­нем включения

В этом случае при u_вх > Е_о диод открыт и u_вых ≈ u_вх, а при u_вх < Е_о — закрыт и u_вых = Е_о (рис. 10.9, б). Если изменить полярность источника Е_о, то гра­фик функции u_вых(u_вх) приобретет вид, показанный на рис. 10.9, б пунктирной линией.

На рис. 10.10, а приведена схема параллельного диодного ключа, а на рис. 10.10, б— его передаточная характеристика.

Рис. 10.10. Схема (а) и передаточная характеристика (б) параллельного диодного ключа с нулевым уровнем включения

При положительном входном напряжении диод открыт (ключ замкнут) и u_вых ≈ 0, а при отрицательном — закрыт (ключ разомкнут) и u_вых ≈ u_вх. Для изменения уровня включения в цепь ключа вводят источник напряжения смещения Е_о, включенный последовательно с диодом (рис. 10.11, а). При изменении полярности включения диода и источника Е_о получают характеристику, показанную на рис. 10.11, б пунктирной линией.

Рис. 10.11. Схема (а) и передаточные характеристики (б) параллельного диодного ключа с ненулевым уровнем включения

Комбинацией двух диодных ключей можно получить двойной диодный ключ (рис. 10.12, а), который передает входное напряжение на выход ключа, если оно находится в пределах границ, определяемых уровнями включения первого (U_вх1) и второго (U_вх2) ключей (рис. 10.12, б)

Рис. 10.12. Схема (а) и передаточная характеристика (б) двойного диодного ключа

Время переключения диодных ключей t_пер, определяющее их быстродействие, зависит от паразитных емкостей диодов (емкости р-n-перехода) и емкости монтажа, а также от времени выключения диода t_выкл, которое определяется временем рекомбинации носителей заряда.

Для повышения быстродействия ключей применяют малоинерционные диоды. Так, в обычных диодах t_выкл > 0,5 мкс, а в диффузионных диодах t_выкл ≈ 0,05 мкс.

Диодные ключи не позволяют разделить управляющую и управляе­мую цепь, что часто требуется на практике. В этих случаях используют транзисторные ключи. На рис. 10.13, а приведена схема ключа на биполярном транзисторе.

Рис, 10.13. Схема (а) и характеристики режима работы (б) ключа на биполярном транзисторе

Входная (управляющая) цепь здесь отделена от выходной (управляемой) цепи. Ключ мало отличается от усилителя, выполненного по схеме с общим эмиттером. Однако тран­зистор работает в ключевом режиме, характеризуемом двумя состояниями. Первое состояние~определяется точкой А₁ на выходных характеристиках транзистора; его называют режимом отсеч­ки. В режиме отсечки ток базы I_б = 0, коллекторный ток I_к1 равен начальному коллекторному току, а коллекторное напряжение U_к = U_к1 ≈ Е_к (рис. 10.13, б). Режим отсечки реализуется при отрицательных потенциалах базы. Второе состояние определяется точкой А₂ и называется режимом насыщения. Он реализуется при по­ложительных потенциалах базы. При этом ток базы определяется в ос­новном сопротивлением R_б и равен I_б = U_вх / R_б, поскольку сопро­тивление открытого эмиттерного перехода мало. Коллекторный пере­ход также открыт, и ток коллектора I_к2 = Е_к/R_к, а коллекторное напряжение U_к2 ≈ 0. Из режима отсечки в режим насыщения транзис­тор переводится воздействием положительного входного напряжения. При этом повышению входного напряжения (потенциала базы) соот­ветствует понижение выходного напряжения (потенциала коллектора), и наоборот. Такой ключ называют инвертирующим (инвертором). В рассмотренном транзисторном ключе уровни выходного напряжения, соответствующие режимам отсечки и насыщения, ста­бильны и почти не зависят от температуры.

Существуют также повторяющие ключи, у которых понижению входного напряжения соответствует понижение выходного на­пряжения. Повторяющий ключ выполняют по схеме эмиттерного повторителя.

Время переключения ключей на биполярных транзисторах определяется барьерными емкостями р-п-переходов и процессами накопле­ния и рассасывания неосновных носителей заряда в базе. Для повыше­ния быстродействия и входного сопротивления применяют ключи на полевых транзисторах.

Электронные ключи часто используют в устройствах формирования и м п у л ь с о в. К простейшим и наиболее распространен­ным устройствам формирования импульсов относят ограничители, а также линейные цепи, включаемые на выходе электронных ключей. Ограничителем называют нелинейный четырехполюсник, выходное напряжение которого повторяет форму входного напряжения если последнее не выходит за уровни ограничения, и почти не изме­няется, если входное напряжение превышает эти уровни. В качестве ограничителей используют рассмотренные электронные ключи.

Для ограничения сверху применяют последовательные или параллельные диодные ключи, а также транзисторные ключи, работающие только в режиме отсечки или только в режиме насыщения.

Рис. 10.14. Диаграммы, поясняющие работу ограничителя сверху

На рис. 10.14 показано ограничение синусоидального напряжения сверху с помощью схемы параллельного диодного ключа (см. рис. 10.11, а). Уровень огра­ничения равен уровню включения ключа. Аналогично получают ограничение снизу. Для двустороннего ограничения используют двой­ные ключи.

На рис. 10.15 показано двустороннее ограничение синусои­дального напряжения с помощью двойного диодного ключа (см. рис. 10.12, а).

Рис. 10.15. Диаграммы, поясняющие работу двустороннего ограничителя

Часто в качестве ограничителей используют устройства (рис. 10.16, a) с кремниевыми стабилитронами, аналогичные стабилиза­торам напряжения.

Рис. 10.16. Схема (а) и характеристика режима работы (б)

ограничителя на полупроводниковом стабилитроне

Используя вольт-амперную характеристику ста­билитрона (см. рис. 2.12), можно построить передаточную характерис­тику ограничителя на стабилитроне (рис. 10.16, б). Этот ограничитель дает двустороннее ограничение. Уровень ограничения сверху Е₀₁ ра­вен напряжению стабилизации U_ст, а уровень ограничения снизу Е₀₂ [Е₀₂= (0,7 — 0,8) U_пр] определяется прямой ветвью вольт-ам­перной характеристики стабилитрона. Для изменения уровня ограни­чения сверху требуется стабилитрон другого типа с иным значением U_ст, а для повышения уровня ограничения снизу можно использовать последовательное включение стабилитронов (рис. 10.17, а).

Рис. 10.17. Схема (а) и характеристика ре­жима работы (б) двустороннего

огра­ничителя на кремние­вых стабилитронах

В. этом случае уровни ограничения Е₀₁ и Е₀₂ (рис. 10.17, б) равны соответственно:

где индексы 1 и 2 относятся соответственно к первому и второму ста­билитронам.

Преимущество ограничителей на стабилитронах заключается в том, что они не нуждаются в источниках напряжения смещения; недостат­ками являются неудобство изменения уровня ограничения и значитель­ная инерционность, определяемая большой барьерной емкостью р-п-перехода стабилитронов (80—150 пФ). Поэтому ограничители на стаби­литронах обычно используют в низкочастотных устройствах.

С помощью ограничителя легко сформировать трапецеидальное напряжение из синусоидального (см. рис. 10.15). Если амплитуда входного напряжения значительно больше уровня ограничения (U_вхm >> Е_с), то можно получить выходное напряжение, близкое по форме к прямоугольным импульсам.

Другое применение ограничителей — сглаживание вершин импульсов, искаженных помехой или определяемых условиями формирования (рис. 10.18).

Рис. 10.18. Сглаживание вершин импульсов с помощью ограничителя сверху

Обширная область применения ограничителей — устройства амплитудной селекции (выделения). Амплитудным селекто­ром называют устройство, предназначенное для выделения импуль­сов, амплитуда которых больше или меньше определенного уровня (уровня селекции), или импульсов, амплитуда которых находится в за­данных пределах. Рис. 10.19, а поясняет применение последователь­ного диодного ограничителя (рис. 10.9, а (стр. 6) для селекции импульсов, превышающих уровень Е₀. При нулевом уровне ограничения (Е₀ = 0) можно выделять импульсы но полярности (рис. 10.19 б).

Рис. 10.19. Выделение импульсов с помощью ограничителей:

а — по амплитуде; б — по полярности

Для формирования коротких импульсов служат дифференцирующие це­пи — линейные четырехполюсники, у которых выходное напряжение приблизительно пропорционально производной входного на­пряжения по времени:

где k — коэффициент пропорциональности.

Рис. 10.20. Схема (а) и диаграммы работы (б) дифференцирующей цепи

На рис. 10.20, а, б приведены схемы про­стейшей дифференцирующей RС-цепи и диаграммы, поясняющие ее работу при воздей­ствии прямоугольного импульса напряжения. В момент времени t₁ напряжение на конденсаторе равно нулю, следовательно, в момент времени t⁺₁ (сразу после положительно­го перепада входного напряжения u_вх) вы­ходное напряжение u_вых (t⁺₁) = U_вхm. Затем конденсатор заряжается по экспоненте:

а выходное напряжение спадает по экспоненте:

Переходные процессы можно считать закончившимися при t = 3RC, поэтому при t_и = (t₂ — t₁) >> 3RC на выходе появляется экс­поненциальный положительный импульс. В момент времени t₂ (отри­цательный перепад напряжения u_вх) процессы аналогичны и на выхо­де появляется отрицательный импульс. Для уменьшения длительности выходных импульсов следует уменьшить постоянную времени цепи τ = RC. Можно показать, что при этом повышается и точность диф­ференцирования входного напряжения.

Интегрирующие цепи — четырехполюсники, у кото­рых выходное напряжение пропорционально интегралу по времени от входного напряжения — применяют для формирования импульсов реже, чем дифференцирующие цепи. Схема интегрирующей цепи отли­чается от схемы рис. 10.20, а тем, что конденсатор С и резистор R меняются местами [19].