3. Свойства и применение пт в ключевом режиме

3.1. Особенности работы пт в ключевых схемах аналоговых сигналов

В технике связи используются различные по назначению и сложности системы коммутации аналоговых сигналов. Наиболее перспективными системами коммутации являются системы, использующие электронные переключатели. Применение электронной коммутации повышает надежность, сокращает вес и габариты аппаратуры, а также позволяет осуществлять дистанционное и автоматизированное управление.

Структурная схема электронного переключателя приведена на рисунке 3.1. Как видно из рисунка 3.1, переключатель состоит из схемы управления и ключевых схем S₁, S₂, S₃, …, S_n.

Рис. 3.1. Структурная схема электронного переключателя

Каждая ключевая схема содержит транзистор, имитирующий в данном случае механический контакт. В режиме замыкания транзистор должен обладать малой величиной разности потенциалов между эмиттером и коллектором, а в режиме размыкания не должен добавлять заметного тока в нагрузочную цепь. Кроме того, нельзя допустить, чтобы ток управления транзистором, подаваемый в базу, замыкался через цепь источника сигнала или через нагрузку. Этим требованиям удовлетворяет схема, представленная на рисунке 3.2.

Рис. 3.2. Ключ на основе биполярного транзистора

Значительное упрощение схемы можно получить, используя в качестве ключа полевой транзистор в режиме управляемого сопротивления, как показано на рисунке 3.3.

Рис. 3.3. Ключ на основе полевого транзистора

Для управления полевым транзистором не требуется тока. Следовательно, можно гальванически связать схему управления с затвором ПТ.

На рисунке 3.4, а приведена простая эквивалентная схема ПТ во включенном состоянии, при отсутствии внешнего напряжения. В этом состоянии на выходе переключателя нет статического напряжения, и он может быть представлен пассивным компонентом - резистором, который включен между истоком и стоком разомкнута.

Эквивалентная схема запертого ПТ изображена на рисунке 3.4, б. Она отражает тот факт, что при напряжении затвора больше напряжения запирания, резистивная связь между истоком и стоком разомкнута. При этом через переключатель текут лишь постоянные токи диодов затвор-исток и затвор-сток, находящиеся под напряжением обратного смещения.

Помимо простоты, схема ключа на ПТ в качестве управляемого сопротивления, обладает рядом достоинств.

а)	б)

Рис. 3.4. Эквивалентные схемы ПТ

Помимо простоты схема ключа на ПТ в качестве управляемого сопротивления обладает рядом достоинств.

Основные из них следующие:

- весьма малое напряжение в цепи контакта (сдвиг нулевого уровня) во включенном состоянии;

- высокое сопротивление по постоянному току в цепи контакта в запертом состоянии (более 10⁷ Ом);

- высокая надежность;

- малая мощность, потребляемая от схемы управления;

- малые габариты и масса.

Таким образом, наиболее перспективными ключевыми элементами для электронных коммутаторов являются ПТ, работающие в крутой области выходных характеристик при отсутствии постоянной составляющей тока в управляемой цепи.

Принцип работы ячейки коммутатора, рассмотрим в случае выполнения ключевой схемы на ПТ типа КП103Л. Работа ключа на ПТ основана на изменении сопротивления канала при изменении напряжения на затворе и поясняется с помощью рисунка 3.5.

Здесь изображены зависимости проводимости канала G, сопротивления канала и тока затвора I_З от напряжения затвор-исток.

В состоянии «выключено» на затвор ПТ подается положительный потенциал U_ВЫКЛ = +7В относительно истока, превосходящий напряжение запирания (U₀ = 4 В). При этом транзистор находится в запертом состоянии и сопротивление канала R_К превышает 10⁷ Ом.

Рис. 3.5. К работе ключа на ПТ

В состояние «включено» напряжение на затворе снижается до фиксированной величины (+1В), определяемой амплитудой напряжения, вырабатываемого схемой управления. Аналоговая информация, со входа ключа поступает на выход и выделяется в нагрузке.

Рабочая точка выбирается при U_ЗИ = +1В из следующих соображений. Во-первых, гарантируется, что при максимальной отрицательной амплитуде входного аналогового сигнала не будет отпираться p-n-переход затвор-исток. Во-вторых, сопротивление канала в рабочей точке близко к минимальному, что обеспечивает малые нелинейные искажения аналогового сигнала и максимальный коэффициент передачи ключа.

В тех случаях, когда к частотным свойствам коммутатора не предъявляется жестких требований, рабочую точку ключа в состоянии «включено» можно выбирать при нулевом или даже небольшом прямом смещении участка затвор-исток, включив в цепь затвора высокоомный резистор.