ВЫБОР СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Для построения типового переключателя на ПТ с p-n-перехо-дом за основу берётся последовательный переключатель (рис. 3, а). Входной сигнал подаётся на исток ПТ, а сток соединён с выходной шиной. В такой схеме управления с непосредственной связью можно получить большие скорости переключения, поскольку затвором может управлять быстродействующий переключатель с низким выходным сопротивлением.

Рис. 3. Схемы управления ключом на ПТ.
а - с непосредственной связью; б - с «плавающим» затвором; в - с резистором связи R_з; г - с буферным усилителем.

Но при работе ключа (рис. 3, а) в режиме большого сигнала сопротивление канала либо резко возрастает, либо смещается в прямом направлении в зависимости от входного сигнала:

      (55)

Поэтому схема управления с непосредственной связью применяется лишь При U_{вх макс}<< U_отс [2].

Для обеспечения неискажённой передачи сигналов высокого уровня (1-10 В) применяют схемы со стабилизацией напряжения на затворе в рабочей точке (U_зи=0) во всём диапазоне напряжений входного сигнала.

Схема управления должна иметь также низкое выходное сопротивление в момент переключения для уменьшения времени перезарядки межэлектродных ёмкостей С_з.и и С_з.с.

На рис. 3, б приведена схема с «плавающим» затвором, обеспечивающая выполнение условия U_з.и=0 для постоянного или медленно изменяющегося входного сигнала. Когда управляющее напряжение на затворе отрицательно, диод Д1 находится под запирающим напряжением смещения и можно считать, что на затворе и истоке одно и то же напряжение. Поэтому сопротивление канала полевого транзистора всегда имеет минимально возможное значение, т. е. r_к0. Прибор переводится в непроводящее состояние положительным управляющим напряжением затвора.

Скорость переключения будет определяться временем, в течение которого затвор полевого транзистора получит потенциал, близкий к потенциалу истока.

Постоянная времени установления потенциала затвора для схемы с «плавающим» затвором (рис. 3, б) [5]

τ_з = С_зR_d,

где С_з - полная ёмкость цепи затвора ключевого транзистора; R_d - сопротивление обратно смещенного развязывающего диода Д1

Для транзисторов типа КП103 Сз=30 пФ, R_d = 10⁸ Ом; при этих значениях τ_з=30*10^-12*10⁸=3*10^-3 (с).

Отсюда следует, что время включения схемы (рис. 3, б) измеряется миллисекундами.

Рассмотренная выше схема управления через развязывающий диод хотя и отличается простотой, но имеет большое время включения, так как в цепь разряда межэлектродных ёмкостей входит сопротивление обратно смещённого диода Д1. Для уменьшения времени включения диод шунтируется конденсатором (на рис. 3, б показан пунктиром) Этот конденсатор способствует рассасыванию заряда Q_з, накопленного на затворе закрытого транзистора [3]:

Q_з = C_з(U_зап - U_вх - U_d)

Для реализации быстрого включения необходимо выполнить условие Q_с = Q_з, где Q_c - заряд, накопленный на ёмкости включенного транзистора:

Q_c = (C + C_d)(U₀ - U_вх + U_d).

Если Q_c<Q_з, то время включения будет большим, так как полный разряд конденсатора С_з будет происходить через закрытый диод Д1.

При Q_c>Q_з избыточный заряд будет на некоторое время смещать переход затвор-канал в прямом направлении до тех пор, пока не рассосётся избыточный заряд. Если при этом сопротивление источника аналоговых сигналов высокое, то длительность и амплитуда выбросов могут быть значительными [3]

Учитывая изложенное выше, ёмкость конденсатора С должна быть выбрана по условию

      (56)

Иногда в качестве развязывающего диода используется полевой транзистор в диодном включении [6].

Необходимо заметить, что при коммутации значительных положительных сигналов (измеряемых вольтами) напряжение на затворе (для схемы рис. 3, б) в момент включения может принимать отрицательные относительно истока значения. При этом через переход затвор-исток протекают значительные импульсы прямого тока, приводящие к увеличению выбросов в коммутируемой цепи.

Схема с «плавающим» затвором (и при наличии ускоряющей ёмкости) имеет еще одну особенность [5]: в многоканальном коммутаторе при последовательной коммутации на нагрузку двух аналоговых напряжений, первое из которых имеет более высокий по отношению к последующему уровень, ключ может остаться в закрытом состоянии, а на нагрузке будет присутствовать ложный сигнал, обусловленный переходным процессом разряда ёмкости нагрузки через омическую составляющую сопротивления нагрузки.

Для ускорения процесса переключения используют несколько видоизменённые схемы управления.

Подключив к схеме рис. 3, б резистор R_з, как показано на рис. 3, в, можно ускорить процесс перезаряда ёмкости затвора ключевого транзистора и избавиться от недостатков схемы с «плавающим» затвором. При насыщении транзистора Т1 диод Д1 запирается и потенциал затвора становится равным входному. Скорость срабатывания цепи затвора в этой схеме зависит от сопротивления резистора R_з, при выборе которого необходимо считаться с двумя противоположно действующими факторами: постоянной времени цепи затвора и значением тока, подаваемого через него на вход при запертом переключателе. Такая схема позволяет работать с очень низкой частотой переключения. Недостатком схемы следует считать её относительно низкое входное сопротивление в состоянии «разомкнуто», которое в основном определяется сопротивлением резистора R_з. Этот резистор может быть заменён дополнительным ключом [2], который включается синхронно с транзистором Т2, что устраняет вышеуказанный недостаток схемы, но усложняет её.

При использовании в схеме (рис. 3, в) в качестве ключа полевого транзистора типа КП103, R_з = 100 кОм были получены следующие результаты:

Время переключения, мкс	1,5
Максимальная частота коммутируемого сигнала, кГц	60
Значение коммутируемого напряжения, В	+-5

Наиболее универсальной схемой управляющей цепи, обеспечивающей быстрое включение затвора, является схема, приведённая на рис. 3, г, в которой затвор ПТ подсоединён через резистор R_св к выходу буферного каскада - повторителя. Буферный каскад, с усилением, равным единице, «отбирает» ток, который во включённом состоянии течёт через резистор R_св. Благодаря этому напряжение U_з.и при включённом канале передачи сигнала равно нулю, причём обеспечивается полная развязка всех каналов от цепей управления затвором. Выходной сигнал можно снимать либо до буферного усилителя (при высокоомной нагрузке), либо после него (при низкоомной нагрузке), что придает схеме определённую гибкость.

В качестве буферного каскада может быть использован либо усилитель, согласующий выход коммутатора с нагрузкой, либо специальный каскад, точность передачи которого определяется допустимым увеличением сопротивления ключа в состоянии «замкнуто». Основные требования, предъявляемые к буферным каскадам, следующие: высокое входное сопротивление, стабильность коэффициента передачи и напряжения смещения. Схема управления с буферным усилителем приведена на рис. 4.

Рис. 4. Схема аналогового ключа на ПТ с буферным усилителем.

Буферный усилитель - истоковый повторитель с динамической нагрузкой выполнен на двух транзисторах Т4 и Т5 типа КП103 с идентичными параметрами. На выходе буферного усилителя включен эмиттерный повторитель на Т6 с целью уменьшения выходного сопротивления. Буферный усилитель имеет низкое напряжение сдвига нуля и коэффициент передачи, близкий к единице.

Для практической реализации буферного усилителя может быть использован сдвоенный полевой транзистор КПС104.

В рассмотренной схеме управления сопротивление связи R_св выбирается исходя из допустимой постоянной времени цепи затвора и потребляемой от усилителя мощности.

Недостатком схемы (рис. 4) является то, что к выходу буферного УПТ (БУ) оказывается подключенным напряжение Е_к через сопротивление R_св всех закрытых ключей, это приводит к значительному потреблению тока от источника Е_к, а также к смещению нуля на выходе БУ.

На рис. 5 [3] приведена схема ключа с непосредственной связью через БУ, которая отличается высокой экономичностью, простотой, имеет хорошие характеристики переключения и не требует мощного БУ. Экономичность схемы обеспечивается использованием в цепи непосредственной связи транзистора Т3.

Рис. 5. Экономичная схема управления ключём на ПТ

При закрытом ключе транзисторы Т5, Т4, Т3 закрыты, а запирающий потенциал Е_к поступает на затвор транзистора Т1 через открытый транзистор Т2. В этом состоянии потребляемая мощность от источника питания исчисляется микроваттами и обусловлена только тепловыми токами.

В режиме открытого ключа транзистор Т3 открывается, обеспечивая этим привязку потенциала затвора к уровню коммутируемого напряжения на выходе БУ. Потребление мощности в этом режиме определяется током стока транзистора Т2, коллекторными токами транзисторов и Т5 и составляет 50 мВт.

Быстродействие описанного ключа определяется в основном временами перезаряда межэлектродных ёмкостей С_з.и и С_з.с транзистора Т1. При отпирании ключа эти ёмкости разряжаются до уровня коммутируемого сигнала через низкоомное сопротивление открытого транзистора Т_з, а при запирании заряжаются через низкоомное сопротивление открытого полевого транзистора.

Схема ключа (рис. 5), выполненная на полевых транзисторах типа КП103, при указанном напряжении питания позволяет коммутировать сигналы +6...-3 В и обеспечивает скорость установления напряжения на выходе выше 6 В/мкс [22].

<< Предыдущее Содержание Назад Далее >>