§ 7.2. ДИОДНЫЕ КЛЮЧИ

Электродные ключи (ЭК) используются для коммутации электрических сигналов. В информационных маломощных устройствах их выполняют на полупроводниковых диодах, а также на биполярных и полевых транзисторах.

Рис. 7.9. Диаграмма изменения сопротивления ЭК (а); схема простого диодного ключа (б)

В зависимости от характера коммутируемого сигнала электронные ключи разделяют на цифровые и аналоговые. Цифровые ключи коммутируют напряжения или токи источника питания и обеспечивают получение двух уровней сигнала на выходе. Один уровень соответствует открытому состоянию ключа, другой — закрытому. Аналоговые ключи обеспечивают подключение или отключение источников аналоговых информационных сигналов, имеющих произвольную форму напряжений. Причем характеристики измерительных устройств, в которых они используются, во многом зависят от качества передачи сигнала аналоговым ключом и помех в цепи, появляющихся при его коммутации.

Цепь с электронным ключом можно рассматривать как четырехполюсник, параметры которого существенно изменяются при достижении определенного уровня входным или управляющим сигналом.

Характеризуя свойства ЭК, вводят понятие околопороговой области. Под ней понимают те значения входного или управляющего сигнала, при которых сопротивление ЭК резко изменяется (рис. 7.9, а).

При анализе работы ключей и их практическом использовании необходимо знать следующие параметры: 1) быстродействие, характеризуемое временем переключения ключа; 2) пороговое напряжение, в окрестностях которого сопротивление ключа резко меняется; 3) чувствительность, под которой обычно понимают минимальный перепад сигнала, в результате действия которого происходит бесперебойное переключение ключа; 4) помехоустойчивость, характеризуемую чувствительностью электронного ключа к воздействиям импульсов помехи; 5) падение напряжения на ключе в открытом состоянии и токи утечек — в закрытом; 6) сопротивление ключа в открытом и закрытом состояниях.

В диодных ЭК используют полупроводниковые диоды, имеющие барьерную емкость и высокое быстродействие. Широко применяются кремниевые, микроплавные и эпитаксиально-планарные структуры, а также арсенид — галлиевые диоды с барьером Шотки.

Рис. 7.10. Вольт-амперная характеристика (а) и эквивалентные схемы открытого (б) и закрытого (в) диодов; изменения и при увеличении

Статические характеристики ключевой цепи полностью определяются вольт-амперной характеристикой диода, показанной на рис. 7.10, а (см. §2.6).

В случае, приведенном на рис. 7.9, б, диод VD открыт, если напряжение между точками А и В превышает пороговое значение . Для его нахождения проводят касательную к вольт-амперной характеристике на участке, где невелико изменение ее наклона. В качестве берут напряжение в точке пересечения касательной с осью абсцисс. Эквивалентные схемы диода, смещенного в прямом и обратном направлениях, приведены на рис. , в. При прямом напряжении на диоде его статическое сопротивление существенно отличается от дифференциального гдиф, причем значение гдиф уменьшается при увеличении прямого тока (рис. 7.10, г). При обратном смещении через диод протекает ток (рис. 7.10, в). Для учета увеличения обратного тока при повышении напряжения введено сопротивление . Барьерная емкость С учитывает эффект накопления зарядов на -переходе. Значение ее уменьшается при увеличении (рис. 7.10, д).

В тех случаях, когда диодные ключи применяются для коммутации быстроизменяющихся сигналов, их характеристики отличаются от статических.

Это связано с наличием переходных процессов накопления неосновных носителей заряда в базе и зависимостью напряжения на от пространственного заряда и его распределения в области базы и -перехода.

Так, если через диод протекал ток , и заряд в базе где — время жизни неосновных носителей заряда в базе, то при резком изменении тока заряд мгновенно измениться не может. Его новое значение будет получено по истечении конечного промежутка времени. В этот промежуток изменяется сопротивление базы и падение напряжения на диоде. Сопротивление базы при токе I и заряде в ней можно найти из уравнения

где - сопротивление базы при — коэффициент накопления заряда.

В связи с тем что сопротивление базы диода зависит от времени и тока, протекающего через диод, а также вследствие наличия нелинейной барьерной емкости при отпирании и запирании диодного ключа наблюдаются переходные процессы. Их приходится учитывать при проектировании быстродействующих устройств.

Если диод подключить к источнику импульсных сигналов с внутренним сопротивлением (рис. 7.11, а), удовлетворяющему условиям , где — высота импульса; — напряжение на -переходе; — сопротивление диода, то максимальный прямой ток будет определяться параметрами источника сигнала:

Рис. 7.11. Схема диодного ключа, включенного в прямом направлении (а); зависимость распределения зарядов в базе от времени (б); характеристика переходных процессов в диодном ключе (в)

Диаграммы изменений тока и напряжения на диоде в этом случае показаны на рис. .

В первый момент, когда , напряжение на диоде изменяется скачком на ибэт. Этот скачок обусловлен напряжением на -переходе и падениями напряжения на сопротивлениях . Так как , то начальное сопротивление диода прямому току

Оно называется импульсным сопротивлением.

Распределение концентрации дырок в области базы в первый момент после скачка отпирающего тока характеризуется нижней кривой для (рис. 7.11, б).

Под действием отпирающего импульса тока дырки диффундируют в сторону омического контакта и соответственно кривая распределения концентраций перемещается вверх, как показано на рис. . При этом следует подчеркнуть, что градиент концентрации пропорционален току и для -перехода остается неизменным.

Заряд носителей в базе, пропорциональный площади, заключенной между уровнем и соответствующей кривой , с течением времени увеличивается. Это приводит к уменьшению сопротивления . В итоге при постоянном токе диода падение напряжения на нем уменьшается по экспоненциальному закону.

Через промежуток времени , называемый временем установления, напряжение на диоде достигает установившегося значения и сопротивление диода становится равным статическому значению, соответствующему данному току .

При этом в базе будет находиться дополнительный заряд, пропорциональный площади, заключенной между уровнем и кривой для со, который равен .

Если в момент времени диод отключить от источника питания, то его ток скачком уменьшится до нуля (рис. 7.11, в).

В этот момент скачок напряжения на диоде . Однако на диоде останется напряжение , обусловленное наличием дополнительного заряда в базе. А так как ток диода равен нулю, то этот заряд будет исчезать только за счет рекомбинации, причем уменьшение его будет происходить по экспоненциальному закону. Измеряя промежуток времени, в течение которого происходит рассасывание заряда, и считая, что длительность рассасывания (восстановления исходного состояния) , можно вычислить время жизни неосновных носителей заряда:

Рис. 7.12. Схема, обеспечивающая коммутацию напряжения на диодном ключе (а); переходные процессы при коммутации полярности напряжения (б); зависимость распределения носителей заряда от времени при их рассасывании (е)

Если открытый диод, через который протекал ток , в момент времени мгновенно отключить от источника и подключить к источнику , имеющему напряжение противоположной полярности (рис. 7.12, а), то его запирание произойдет не мгновенно, а через определенный интервал времени, называемый временем восстановления.

Наличие достаточно большого заряда неосновных носителей, накопленных в базе, приводит к тому, что после переключения полярности напряжения дырки базы, оказавшиеся у p-n-перехода, беспрепятственно проходят через него в -область. Эмиттер из инжектора дырок превращается в собирателя их.

Таким образом, рассасывание заряда, накопленного в базе, происходит за счет возвращения дырок в эмиттер и рекомбинации их в объеме базы. До тех пор пока концентрация неосновных носителей заряда у p-n-перехода превышает равновесную, он открыт и через него протекает ток, зависящий от напряжения

Поэтому при изменении полярности приложенного напряжения ток диода изменяется скачком (рис. 7.12, б) на , что вызывает скачок напряжения на диоде .

Максимальное значение обратного тока в основном определяется параметрами внешнего источника и сопротивлением открытого диода

В результате значения обратного тока могут быть довольно значительны.

Кривые распределения концентраций неравновесных зарядов в базе для этапа рассасывания приведены на рис 7.12, в. В первый момент после подключения обратного напряжения кривая распределения меняет наклон у p-n-перехода и градиент кривой уже направлен не к , а от него, т. е. направление тока изменяется. В интервале времени от до -переход открыт и ток диода остается практически неизменным. В момент времени напряжение на -переходе становится практически равным нулю, а концентрация дырок на границе перехода .

Начиная с момента обратный ток диода постепенно уменьшается, кривая распределения концентраций опускается вниз и ее градиент у границы падает.

Время восстановления сопротивления диода можно найти из выражения

При подключении диодного ключа к источнику напряжения ток через него устанавливается не сразу, а увеличивается с течением времени вследствие уменьшения сопротивления базы при накоплении в ней избыточного заряда.

Таким образом, при отпирании и запирании диодного ключа напряжения и токи в цепи устанавливаются не мгновенно, а в течение промежутка времени, значение которого зависит от параметров диода и его режимов работы.