3.3. Параметры в ключевом режиме

В ключевом режиме ПТ характеризуется следующими параметра­ми: сопротивлением канала в открытом состоянии R_КО, сопротивлением канала в запертом состоянии R_КЗ, междуэлектронными емкостями, напряжением запирания канала U₀, током стока закрытого канала I_СЗ, допустимым напряжением на затворе U_З.ДОП. , напряжением пробоя U_ПР.

Важнейшим ключевым параметром ПТ является сопротивление канала в открытом состоянии. Величина этого сопротивления в зависимости от типа и группы ПТ может составлять от единиц Ом до единиц кОм. Величину сопротивления R_КО удобно определять как тангенс угла наклона касательной к стоковой характеристике в точке с координатами I_C = 0, U_СИ = 0. Для транзисторов с p-n-переходом сопротивление R_КО определяют при напряжении затвор-исток равном 0. Для транзисторов со структурой МДП сопротивление R_КО определяют при заданном отпирающем напряжении затвор-исток. Напряжение U_ЗОТП выбирается меньше допустимого напряжения на затворе U_ЗОТП.

Сопротивление канала в запертом состоянии R_КЗ определяется при напряжении затвор-сток превышающем напряжение запирания U₀. Для исправных ПТ любого типа , R_КЗ обычно превышает 10⁷Ом. Величина сопротивления R_КЗ зависит от напряжений прикладываемых к электродам ПТ.

Междуэлектродные емкости определяют время переключения ключа на ПТ и его динамическое сопротивление в состояние «выключено».

Ток стока запертого транзистора I_СЗ определяется величиной сопротивления R_КЗ и током утечки участка затвор-сток ПТ:

. (3.2)

В справочниках приводятся данные о токе затвора I_З , измеренные при объединенных стоке и истоке. Приближенно можно считать, что стоковая составляющая тока утечки I_У равна половине I_З.

Напряжение запирания U₀ характеризует напряжение на затворе ПТ, когда канал полностью перекрыт и, следовательно, превышает напряжение отсечки U₀, измеряемое при фиксированном токе стока (обычно, 10^-5А). Ориентировочные значения напряжения запирания U₀ можно найти по формуле:

, (3.3)

где I_C – ток стока насыщения, S – крутизна, измеренная при токе стока насыщения I_C,  – коэффициент нелинейности, значения которого для ПТ разных типов приводятся в пункте 4.3.

Допустимое напряжение на затворе U_{З ДОП} определяет динамический диапазон коммутируемого сигнала. Оно измеряется как напряжение затвор – сток, при котором ток утечки участка затвор – сток I_СЗ достигает максимально допустимого значения.

Максимальное значение амплитуды коммутируемого сигнала находится из соотношения:

. (3.4)

В случае, если условие последнего соотношения не выполняется, может произойти пробой участка затвор-сток ПТ. Этот пробой имеет обратимый характер для ПТ с p-n-переходом, если не превышена допустимая мощность рассеивания в приборе. В случае ПТ со структурой МДП пробой имеет необратимый характер.

3.4. Принципы построения ключевых схем на пт и особенности их расчета

Ключевую схему на ПТ удобно рассматривать как частный случай электронного регулятора, у которого коэффициент передачи принимает только два значения: максимальный и минимальный. Первое значение соответствует состоянию «включено», а второе значение – состоянию «выключено». Такой подход позволяет строить ключевые схемы на ПТ по принципу построения электронных регуляторов описанных в главе 2 и использовать для расчета плечевых схем соотношения, приведенные в таблицах 2.1 ÷ 2.4.

Принцип построения ключевых схем рассмотрим на примере использования электронного регулятора потенциометрического типа с последовательным включением ПТ с каналом p типа, схема которого приведена на рисунке 3.8.

Как отмечалось выше, в ключевых схемах аналоговых сигналов целесообразно использовать ПТ в качестве управляемых сопротивлений. При этом, удается реализовать максимальное отношение сопротивлений канала в запертом и открытом состояниях и благодаря отсутствию постоянной составляющей тока в цепи канала, обеспечить крайне низкий уровень специфических нелинейных ис­кажений сигнала.

Рис. 3.8.Схема ключа на основе регулятора потенциометрического типа

В случае, когда цепь управления связана с затвором ПТ посредством высокоомного резистора, эквивалентная емкость, шунтирующая канал ПТ, как видно из рисунка 3.8 равна:

. (3.5)

Несколько уменьшить значение эквивалентной емкости шунтирующей канал удается соединить по переменному току затвор ПТ с общей точкой, например, с помощью конденсатора. При этом:

C_Э=С_СИ +С_М. (3.6)

Коэффициенты передачи напряжения ячейки коммутатора на рисунке 3.8 равны:

- в состоянии «включено», (3.7)

- в состоянии «выключено». (3.8)

Важнейшим параметром ключевой ячейки является переходное затухание. Переходное затухание D_П показывает во сколько раз коэффициент передачи ключа в состоянии «включено» больше коэффициента передачи ключа в состоянии «выключено».

. (3.9)

Учтя, что в практических случаях на звуковых частотах , последнее выражение можно упростить и записать в виде:

. (3.10)

Другим важным показателем ключевой ячейки на ПТ является величина вносимых им нелинейных искажений.

Из таблицы 2.2 следует, что коэффициент гармоник ключевой ячейки рассматриваемого типа, можно определить из выражения:

, (3.11)

где Е_УПР = U_РЕГ.

Если рабочая точка ключа в состоянии включено выбирается при Е_УПР = 0, выражение упрощается и принимает вид:

. (3.12)

Рассматривая (3.10) и (3.12) нетрудно заметить, что сопротивление нагрузки коммутатора приходится выбирать из компромиссных условий. С точки зрения нелинейных искажений сопротивление нагрузки желательно иметь как можно большое. Для обеспечения значительной величины переходного затухания на верхней рабочей частоте, сопротивление нагрузки приходится выбирать небольшое.

Элементы ключа следует выбирать таким образом, чтобы к каналу ПТ прикладывалось минимальное напряжение сигнала.

Напряжение управления, обеспечивающее состояние «выключено» должно превышать напряжение запирания ПТ, однако должно быть меньше напряжения пробоя p-n-перехода. Выбор управляющих напряжений удобно производить, используя входные характеристики ПТ. Входные характеристики ПТ типа КП103 приведены на рисунке 3.9.

Из рисунка видно, что пределы значений управляющих напряжений ограничены и зависят как от амплитуды сигнала прикладываемого к участку сток-исток, так и от сопротивления резистора в цепи затвора.

С целью уменьшения нелинейных искажений и увеличения переходного затухания в ключевой ячейке рисунке 3.8 резистор R_Н целесообразно заменить вторым регулируемым элементом. В схемах многоканальных коммутаторов необходимо обеспечить малое взаимное влияние между ключевыми ячейками. Это приводит к необходимости использовать Т-образные ключевые ячейки. Один из перспективных вариантов построения схемы такой ячейки приведен на рисунке 3.10.

Предлагаемая схема имеет крайне простую схему управления. Благодаря использованию транзисторов с индуцированным каналом (VT₁ и VТ₂) при Е_УПР = 0 обеспечивается состояние «выключено». При подаче отрицательного напряжения Е_УПР по абсолютной величине большего, чем напряжение запирания транзистора VТ₃ и напряжение отпирания транзисторов VT₁ и VТ₂ ключ переходит в состояние «включено».

Рис. 3.9. Входные характеристики ПТ

В такой схеме резистор R_Н можно выбрать достаточно высокоомным и, следовательно, получить малые нелинейные искажения. Такой ключ обеспечивает высокое переходное затухание, так как в состоянии «выключено» сопротивление канала транзистора VТ₃ минимально.

Рис. 3.10. Схема Т-образного ключа на ПТ