Принципы построения полупроводниковых ключевых схем

В цифровой электронике ключевая схема предназначена для коммутации (переключения) тока в нагрузке или создания двух резко отличающихся уровней напряжения на нагрузке, соответствующих логическому нулю и логической единице.

Ключевая схема на биполярном транзисторе

В интегральных микросхемах выполненных на биполярных транзисторах роль ключа выполняет транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером (рис. 9).

а б

Рис.9. Ключевая схема на биполярном транзисторе: а- принципиальная схема; б – вольт/амперная характеристика (ВАХ) ключа

Управление состоянием ключа осуществляется сигналом U_вх. При U_вх = 0 соответственно I_б = 0 и состояние схемы определяется точкой B на ВАХ ключа. Транзистор находится в состоянии отсечки, что эквивалентно разомкнутому ключу, а выходное напряжение U_вых равно U_{кэ отс}, т. е. несколько меньше, чем E_к. Ток через транзистор I_ко в этом случае пренебрежительно мал.

При U_вх, достаточном для создания базового тока I_{б нас}, переводящего транзистор в режим насыщения, состояние схемы определяется точкой А на ВАХ, что равносильно замкнутому ключу. Выходное напряжение равно U_{кэ нас}, т.е. несколько выше нулевого уровня, а ток через транзистор I_{к нас} максимален и равен .

Оценим энергетические затраты в ключевой схеме:

1.В режиме отсечки мощность, выделяемая на транзисторе и вызывающая его нагревание, определяется выражением

P_отс = I_ко × U_{кэ отс} .

Вследствие крайней малости I_ко, мощность P_отс значительно меньше допустимой величины.

2.В режиме насыщения мощность P_нас = I_{к нас} × U_{кэ нас}. Так как U_{кэ нас} мало, P_нас также находится в допустимых пределах.

3.Более подробно рассмотрим процесс переключения – процесс перехода ключа из одного состояния в другое.

Так как переключение транзистора происходит не мгновенно, а в течение времени t_ф, ток i_к(t) и напряжение U_кэ(t) достигают относительно высоких величин. На переключение транзистора затрачивается энергия

Допустив, что ток i_к(t) за время переключения изменяется по линейному закону, т.е. i_к(t)=I_нас × t/t_ф, и, считая, что R_к, E_к известны, получим

.

Тогда с учетом

Если транзистор ключа переключается с частотой f, то мощность, выделяемая на нем, будет равна

,

где  – период переключения.

В этом случае, в зависимости от частоты переключения и режимов работы ключа, P_{перекл.} может достигать значительных величин.

Идеализированная временная диаграмма работы ключа приведена на рис. 10.

Анализ временной диаграммы работы ключевой схемы (рис. 9) показывает, что для статистического режима если U_вх – низкий потенциал, то U_вых – высокий, и наоборот. Следовательно, простейшая ключевая схема на транзисторе с нагрузкой в цепи коллектора, с которого снимается выходное напряжение, является инвертором, реализующим функцию НЕ как в положительной, так и в отрицательной логике.

Рис. 10. Идеализированная временная диаграмма работы ключа