Фізичні основи формування цифрових інформаційних сигналів
Цифрові сигнали формуються електронними схемами, що називаються електронними ключами. В якості електронних ключів використовують в основному напівпровідникові елементи, що володіють нелінійною характеристикою, а саме: діоди, транзистори, тиристори, фотоелектронні пристрої на основі діодних та транзисторних структур. Особливістю роботи цих елементів в колах цифрової обробки сигналів є режим великого вхідного сигналу. В цьому випадку керуючі струми та напруги приймають максимальне значення.
Будь-який електронний ключ може по-різному вмикатись відносно навантаження, тому схема комутації ключів виконується в одному з трьох варіантів:
1) послідовна
2) паралельна
3) послідовно-паралельна
В цілому ключова схема обов’язково включає 3 компоненти:
1) джерело інформаційного сигналу
2) електронний ключ (нелінійний елемент)
3) навантаження
|
При послідовному ввімкненні всі ці елементи вмикаються в коло один за одним. При паралельному – електронний ключ обов’язково ввімкнений паралельно до навантаження. При послідовно-паралельному – використовуються два електронні ключі, один з яких вмикається паралельно до навантаження, а другий – послідовно паралельної ланки. Найбільшими властивостями володіє третя схема, в якій застосування довільних законів почергової чи одночасної комутації ключів можна досягти довільного перетворення інформаційного сигналу.
|
|
|
Діодні ключові схеми
Особливістю діодних ключів (вентелів) є те, що функції керуючого сигналу, які забезпечують закон комутації ключа, виконує сам інформаційний сигнал.
В ідеальному випадку, характеристика діодного вентеля повинна володіти нульовим опором (статичним) про прямому ввімкненні, і безмежним статичним опором – при зворотному ввімкненні. Такими параметрами володіють тільки механічні ключі. Реальні p-n- переходи можна змоделювати характеристикою 2, яка має певне порогове значення ввімкнення при прямому ввімкненні (прямій напрузі) і певний диференційний опір, що визначається нахилом прямої ВАХ 
~ rдиф.пр= 
, що еквівалентний tg кута нахилу цієї характеристики. Аналогічно в зворотному напрямку ´ визначає зворотний диференційний опір вентеля ´ = rдиф.зв. для детиктуючих - rдиф.зв 
. коефіцієнт передачі такого ключа визначається відношенням напруги на навантаженні до величини сигналу на вході 
Евх – амплітуда e(t).
Тому 
можна представити як:
Використовуючи додаткові джерела зміщення, які вмикаються послідовно або паралельно до навантаження, можна змінювати напруги комутації ключа.
|
|
|
Транзисторні ключі
На відміну від діодних ключів, в транзисторних схемах сигнал керування і інформаційний сигнал є розділеними на фізичному рівні.
При паралельному ввімкненні, в транзисторних, так як і в діодних схемах використовується баластний опір Rб, що забезпечує додатковий спад напруги при комутації (ввімкненні ключа).
Вихідні характеристики.
Транзисторний ключ характеризується режимом роботи при якому основними його станами є режим відсічки або режим насичення. Активний режим присутній тільки при перекомутації ключа з одного стану в інший. Реально значення напруг відсічки та насичення відрізняється від ідеальних значень, при яких Uвідс=Uж, а Uнасич → 0, крім того, як видно з лінії статичного навантаження, режим насичення в граничному випадку вже досягається при певних струмах бази, коли різниця потенціалів Uкб =0. Подальший перехід від точки Тн.гр до точки Тн вказує про так зване глибоке насичення транзистора.
Коефіцієнт насичення 
; в оптимальних випадках лінію статичного навантаження вибирають так, щоб q=1.5-2.
Лінія статичного навантаження визначається напругою живлення ключа і опору навантаження.
|
|
|
В стані відсічки при нульовому потенціалі на базі в схемі з загальним емітером можливе протікання зворотного струму колекторного переходу Iк0, що може створити додатковий спад напруги на емітерному переході, тому в цьому стані вихідний струм також є відмінним від нуля, а відповідно це так само як і в режимі насичення позначається на швидкодії ключа. В загальному випадку процеси перемикання визначаються двома способами:
1. часом розтікання носіїв заряду з базової області;
2. часом перезарядки бар’єрної ємності p-n-переходу.
Режими комутації ключів
Швидкодія ключових елементів визначається процесами накопичення неосновних носіїв заряду в базі ключового елементу при ввімкненні прямого напрямку ключа і процесами розтіканні цих носіїв – при закриванні ключового елементу, і тому час перемикання включає як час розтікання носіїв чи їх накопичення, так і час формування заданого рівня напруги. Епюри напруг відображають вказані процеси і зміну сигналів на вході, тобто в базовому колі, і на виході.
Розгортка сигналів при прямому ввімкненні біполярних транзисторів.
При вмиканні транзистора керуюча напруга ек, що подається у базове коло, змінює полярність і амплітуду від Uк.закр до Uк.нас в момент часу t0. Це приводить до початку зростання колекторного струму Iк. Різниця потенціалів Uбе може миттєво зменшитись до нуля, оскільки визначається величиною заряду бар’єрної ємності керуючого переходу транзистора. За певний проміжок часу величина цього заряду зменшиться до нуля, а потім ємність перезаряджається, тобто переполяризовується, в результаті чого на переході база – емітер встановлюється різниця потенціалів Uбе порогове, при якому транзистор вже можна вважати відкритим. Цей процес відбувається за рахунок інжекції носіїв зараду з емітерної в базову область, він триває протягом часу tз, протягом якого Uке практично не змінюється. Починаючи з моменту часу t1, транзистор починає входити в область насичення, тобто Uке експоненційно спадає і струм колектора досягає максимального значення в момент часу t2. Інтервал t2 - t1 називається часом формування фронту вмикаючого імпульсу; tз і tф разом складають ввімкнення транзистора. Момент часу t2, в залежності від вимог до ключової схеми, приймають таким, коли максимальне значення струму колектора або мінімальне значення Uке досягають рівня 0,5 – 0,7 від свого критичного значення.
|
|
|
Подальший інтервал часу tустановки визначає процеси глибокого насичення транзистора. Для швидкодіючих схем стараються зменшити tнас і реалізують схеми, де електронні ключі працюють без режиму глибокого навантаження. Одним з методів реалізації такого режиму є ввімкнення діода Шоткі між базою і колектором транзистора.
Оскільки пряма напруга на діоді Шоткі складає приблизно 0,7-0,8 В для кремнієвих структур, то відповідно різниця потенціалів між базою і колектором транзистора не перевищує цього значення. При перемиканні в закритий стан транзистора, керуюча напруга ек знову інвертується (2 діаграма), але протягом певного часу tрозтікання струм в колекторному колі залишається практично постійним, оскільки опір бази буде мати мінімальне значення до моменту часу t1, поки неосновні носії заряду не перейдуть в колекторну чи емітерну область. Після цього напруга Uке між відповідними електродами транзистора починає зростати до максимального значення, що дорівнює ек. Відповідно струм колектора зменшиться до нуля. При Iк=0,1*Iк.нас, транзистор вже вважається закритим. Тривалість вимикання складається з часу розтікання і часу формування спаду імпульсу.
Застосування діода Шоткі в цьому випадку дозволяє зменшити інтервал розтікання tр, а відповідно і підвищити швидкодію ключа на біполярному транзисторі.
Для корекції величини напруги насичення ключа з бар’єром Шоткі використовують додатково джерела зміщення в колах зворотного зв’язку.
В найпростішому випадку можна використати додаткові резистивні елементи Rб , які при протіканні керуючого струму Iб задають додаткове зміщення Uзм=Iб*Rб, що додається до вальєрної різниці потенціалів на діоді Шоткі, однак в цьому випадку тривалість розтікання носіїв при комутації буде зменшуватись за рахунок зростання постійної часу резистивно – ємнісного кола розрядки, що включає бар’єрну ємність переходу і додатковий опір Rб.
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 214; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!