Электроника учебное пособие

3.Чем ограничивается полоса рабочих частот фильтра высоких час-

тот (рис. 9.2)?

4.Поясните, как конденсаторы C1 и C2 участвуют в формировании

передаточной характеристики полосового фильтра?

5.Какое устройство называется компаратором?

6.Какова особенность работы операционного усилителя при больших амплитудах входного сигнала?

7.Объясните принцип работы однопороговой схемы сравнения, представленной на рис. 9.10. Как эталонный источник Eэт влияет на ее пе-

редаточную характеристику?

8.Каковы особенности построения и функционирования регенеративной схемы сравнения?

9.В чем заключается отличие работы однопороговой и регенеративной схем сравнения?

101

Глава 10. ЭЛЕКТРОННЫЕ СХЕМЫ КОММУТАЦИИ

Впоследние годы расширилась область применения импульсных и цифровых методов преобразования электрических сигналов. Применение этих методов базируется на использовании режима коммутации, характеризующегося периодическим включением, выключением и переключением электрических цепей. На практике этот режим называют ключевым режимом, а графическое изображение подобных электрических цепей – схемами коммутации (СК). Большое влияние на переходные процессы в таких схемах наряду с реактивными элементами оказывают полупроводниковые приборы вследствие их инерционности. В зависимости от типа применяемого полупроводникового прибора и условий эксплуатации эта инерционность проявляется в большей или меньшей степени.

Вобщем случае любая электронная схема коммутации содержит

(рис. 10.1):

1) источник входного электрического сигнала eвх , изменяющегося

соответствующим образом во времени, с внутренним сопротивлением Rвн , которое в общем случае также может изменяться во времени;

2)полупроводниковый прибор, представляющий собой нелинейный элемент и выполняющий роль электронного ключа (ЭК);

3)нагрузку.

В общем случае для переключения электронного ключа необходим дополнительный входной сигнал eупр , подаваемый в его цепь управления.

Для надежного функционирования ЭК во всех условиях эксплуатации

102

Последовательная СК предусматривает последовательное включение eвх , ЭК и Rн (рис. 10.1).

бесконечности; 3) время переключения ЭК из выключенного состояния во включен-

ное и наоборот должно стремиться к нулю tпервк−вык → 0, tпервык−вк → 0. Степень приближения реальных свойств электронного ключа к ука-

занным требованиям отражается его статическими и динамическими характеристиками. Зависимость напряжения нагрузки от изменения входного электрического сигнала определяется статической характеристикой передачи схемы коммутации Uвых = f (eвх ). В общем случае таких характеристик две. Одна соответствует включенному, другая выключенному состоянию ЭК.

Динамические свойства СК характеризуют их способность передавать на выход короткие сигналы eупр и определяются как инерционными

свойствами используемых электронных ключей, так и паразитными параметрами самих электрических цепей. Численно эти свойства характеризуются временем переключения и временем задержки переключения.

103

Uвых = (eвх −Uд0 ), для eвх > Uд0 ;

Uвых = 0, для eвх < Uд0 .

Всоответствии с полученными выражениями статическая характеристика передачи последовательного диодного ключа имеет вид кусочнолинейной функции (рис. 10.5). В случае реальных диода и источника сигнала углы наклона прямой и обратной ветвей соответственно равны

Напряжение eвкл , соответствующее моменту включения и выключения диодного ключа, называется уровнем включения ключа. В данной схе-

ме eвкл = Uд0 .

Вид статической характеристики передачи и значения eвкл можно изменять, если в схему ключа ввести дополнительные источники смещения Eсм . Возможные варианты таких схем и соответствующие статические характеристики передачи приведены на рис. 10.6. В обеих схемах напряжение включения определяется выражением eвкл = Uд0 +Uсм . Значение Uсм зависит от места включения дополнительного источника. Так, для схемы

105

Рассмотренные выше зависимости Uвых = f (eвх ) справедливы лишь при медленном изменении входного напряжения. Если на входе диодного ключа действует импульсное напряжение, длительности фронта и среза которого соизмеримы с длительностью переходных процессов, протекающих в самом диоде, то зависимость Uвых = f (eвх ) приобретает качественно иной характер, связанный с инерционностью ЭК.

Можно указать две основные причины инерционности полупроводникового диода: 1) эффект накопления избыточного заряда в базовой области прибора; 2) наличие барьерной емкости диода.

106

Рассмотрим процессы, происходящие в СК, когда на вход подается eвх , имеющий форму однополярных импульсов. Будем полагать, что

tф = tсп = 0; Rн >> rд. пр .

Типовые временные диаграммы, поясняющие работу рассматриваемой схемы коммутации для однополярного прямоугольного переменного входного сигнала eвх , приведены на

ляции сопротивления области базы).

Поскольку накопление избыточного заряда в области базы происходит с конечной скоростью, следовательно, установление прямого сопротивления диода требует некоторого времени. Поскольку мы определили, что Rн >> rд. пр , то можно сказать, что ток диода не зависит от его сопротивле-

ния. В результате эти процессы определяют резкий выброс напряжения на диоде при его включении. Длительность всплеска называют временем ус-

тановления;

t2 – t1: характеризуется установившимся режимом функционирования диодного ключа. В базовой области накоплен избыточный заряд неосновных носителей;

t2: происходит изменение входного напряжения с Uпр до 0. При этом напряжение на диоде резко уменьшается на величину UД , которое определяет падение напряжения на активном сопротивлении диода. Еще доста-

107

точно продолжительное время напряжение сохраняет полярность прямосмещенного диода;

t3 – t2: неосновные носители в области базы постепенно рекомбинируют, определяя ток в цепи нагрузки диода и соответственно падение напряжения на диоде. Длительность данного интервала называется временем спада обратного тока диода.

Анализ динамических характеристик показывает, что инерционность полупроводниковых диодов служит причиной искажения формы выходного напряжения диодного ключа, причем эти искажения тем существеннее, чем меньше длительность импульсов входного напряжения.

§10.2. КЛЮЧИ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Вотличие от ключей на полупроводниковых диодах ключи на биполярных транзисторах являются управляемыми, т.е. их статические характеристики определяются не значением и полярностью коммутируемого напряжения eвх , а значением управляющего сигнала eупр . В этом смысле для

транзисторного ключа необходимо рассматривать две статические характеристики: одну для включенного, а другую для выключенного состояния транзистора.

При построении транзисторных ключей наибольшее распространение получила схема включения с общим эмиттером. Рассмотрим особенности работы этой схемы.

Проведем на семействе выходных характеристик нагрузочную прямую, соответствующую выбранному значению сопротивления Rн . Эта прямая отсечет на оси x напряжение Eк , а на оси y – ток, равный Eк Rн . Пересечение кривой Uкб = 0 с нагрузочной прямой дает точку границы режима насыщения (точку Нс). Пересечение кривой iб = 0 с нагрузочной прямой дает точку границы режима отсечки (точка От). В соответствии с вышесказанным для работы транзистора в ключевом режиме рабочая точка транзисторного каскада должна находиться либо левее точки насыщения Нс, либо правее точки отсечки От. Нахождение между точками Нс и От допускается только при переключении транзистора из насыщенного состояния в состояние отсечки и наоборот (рис. 10.8).

108

ивыходные ВАХ транзистора для схемы с общим эмиттером (б)

Впромежутке времени t1...t2 транзистор открыт. Определим токи и напряжения для рассматриваемого отрезка времени:

Для оценки глубины насыщения пользуются так называемым коэффициентом насыщения qнас , показывающим, во сколько раз реальный ток базы больше того минимального значения тока базы, которое необходимо для обеспечения режима насыщения. Очевидно, что минимальный ток базы Iб.нас.мин , необходимый для режима насыщения, определяется выражением:

109