3.7. Сравнение ключевых свойств полупроводниковых элементов

С целью определения целесообразности использования в ключах аналоговых сигналов полупроводниковых приборов разных типов было проведено сравнительное исследование их свойств. Исследование проводилось при использовании ключевой ячейки потенциалометрического типа с включением коммутируемого элемента последовательно с нагрузкой с сопротивлением R_Н = 10 кОм. В случае исследования ПТ схема ключевой ячейки имела вид рисунок 3.8.

Нагрузка подключалась к анализатору гармоник с высоким входным сопротивлением. На вход ключевой схемы подавался сигнал звуковой частоты от прецизионного генератора с амплитудой 1В. Переходное затухание определялось на частоте 15 кГц как отношение амплитуды сигнала на нагрузке в положении «выключено» к амплитуде сигнала на нагрузке в положение «включено». Коэффициент гармоник измерялся на частоте входного сигнала равной 1 кГц, При экспериментах использовались по 10 экземпляров активных элементов каждого типа.

Как показали исследования переходное затухание ключевых схем при использовании для подключения ключевых элементов либо обычных панелек, либо обычный монтаж составляет не менее:

а) для полевых транзисторов данные приведены в таблице 3.2;

Таблица 3.2. Переходное затухание ключа на ПТ при обычном монтаже

Тип транзистора	Переходное затухание ключа D, дБ	Тип транзистора	Переходное затухание ключа D, дБ
КП101Д	61,6	КП303Г	65,8
КП102К	57,3	КП305И	42,4
КП103М	65,8	КП306Б	37,8
КП103И	58,8	КП350	4,63
КП103Ж	58,3	КП902	35,9
КП301Б	52,9	КП903	56,4
КП302В	65,4

Потенциальные возможности ключевой ячейки при использовании обычных панелек проверялись путем отключения от схемы ключевых элементов. При этом сигнал на выход попадал через сопротивление утечек и монтажные емкости. Переходное затухание, определенное в таком случае, составило 68,6 дБ. Это приводит к выводу, что для ряда типов ключевых элементов реализация максимального переходного затухания требует специальных мер по устранению паразитных сопротивлений утечек и емкостей и продуманного монтажа. Применение специальных мер экранирования, в частности, экранирования отдельных контактов панельки для подключения ключевых элементов, позволило достигнуть величины переходного затухания (при отключенных ключевых элементах) 92,4 дБ. Исследование переходного затухания в этом случае для испытанных элементов дали результаты, приведенные в таблице 3.3.

Таблица 3.3. Переходное затухание экранированного ключа на ПТ

Тип транзистора	Переходное затухание ключа D, дБ	Тип транзистора	Переходное затухание ключа D, дБ
КП101Д	79,4	КП303Г	69,6
КП102К	74,8	КПС104Д	68,6
КП103М	80	КП305И	45
КП103И	69,4	КП306Б	47
КП103Ж	68,1	КП350	45,8
КП103Б	77,6	КП902	38,1
КП302В	68	КП903	62,4

Таким образом, при нагрузке ключевых схем R_Н = 10 кОм, лучшие результаты по переходному затуханию обеспечивают полевые транзисторы КП101Д, КП103М и КП301Б. Причем для реализации высоких значений переходного затухания у транзисторов последнего типа, их подложки необходимо заземлять.

При необходимости получения более высоких значений переходного затухания возможно использование следующих способов:

а) необходимо уменьшить сопротивление нагрузки (уменьшение сопротивления нагрузки в 2 раза, дает увеличение переходного затухания порядка 6 дБ);

б) необходимо использовать каскадное соединение ключевых схем, подобных исследуемой;

в) необходимо резистор нагрузки заменить регулируемым элементом.

При реализации способа (в) и при использовании ПТ разных типов на частоте 15 кГц были получены результаты, приведенные в таблице 3.4.

Таблица 3.4. Переходное затухание ключа на двух ПТ

Транзистор в последовательном плече	Транзистор в параллельном плече	D, дБ
КП303Г	КП903	114
КП302В	КП302В	98
КП303Г	КП303Г	92
КП307	КП307	94
КП303Г	КП307	95
КП302В	КП307	102
КП903	КП903	107
КП302В	КП903	111
КП903	КП302В	88

Из таблицы 3.4 видно, что максимальное переходное затухание обеспечивается при использовании в последовательном плече транзисторов КП303Г (имеющих малую емкость сток-исток при таком включении) и использовании в параллельном плече транзисторов типа КП903 (имеющих малое сопротивление канала при таком включении).

При реализации способа а) следует учитывать, что уменьшение сопротивления нагрузки сопровождается увеличением коэффициента гармоник. Ориентировочную величину коэффициента гармоник в случае применения полевых транзисторов можно отыскать по формуле (3.12).

Следует отметить, что использование формулы (3.12) дает удовлетворительные результаты при отсутствии у ключевых схем избыточных искажений. Избыточные искажения обусловлены возникновением прямых токов затвора или подложки, когда напряжение входного сигнала превышает контактную разность потенциалов. Величину избыточных искажений удается снизить до пренебрежимого уровня путем включения в цепь затворов регулируемых ПТ резисто­ров величиной порядка (3÷10)·10⁶ Ом.

Коэффициент гармоник при сопротивлении нагрузки R_Н = 10 кОм и амплитуде входных сигналов U_Г = 1В у исследованных ключевых схем составлял:

а) в случае использования полевых транзисторов, данные приведены в таблице 3.5;

Таблица 3.5. Коэффициент гармоник ключа на ПТ

Тип	КП101Д	КП903	КП103М	КП303Г	КП302В	КП301Б	КП305Ж
КГ, %	0,5	0,08	0,3	0,3	0,1	0,4	0,2

б) для полупроводниковых диодов типа К_Г  0,1%;

в) для биополярных транзисторов типа К_Г  0,9%.

Коэффициент гармоник ключевых схем с различными регулируемыми элементами, как видно из приведенных выше данных, примерно одинаковы у биполярных транзисторов, диодов и полевых транзисторов с малым сопротивлением канала в состоянии «включено» (КП302, КП903),

Для управления ключевыми элементами источники питания обеспечивали:

а) в схемах с полевыми транзисторами:

напряжение управления  10 В;

ток управления  10^-8 А;

б) в схемах с полупроводниковыми диодами:

напряжение управления  30 В;

ток управления  30·10^-3 мА;

в) в схемах с биполярными транзисторами:

напряжение управления  10 В;

ток управления  3·10^-3 А.

Входное сопротивление по управляющему входу ключевых схем равнялось:

- у схем с полевыми транзисторами 10⁷ Ом;

- у схем с полупроводниковыми диодами 10⁴ Ом;

- у схем с биполярными транзисторами 10³ Ом.

При сравнении результатов исследования ключевых схем выполненных на полевых транзисторах с p-n переходом и со структурой МДП выяснилось следующее.

С точки зрения переходного затухания полевые транзисторы с p-n-переходом превосходят транзисторы со структурой МДП. Вероятно, это объясняется тем, что емкость p-n-перехода затвор-канал уменьшается с ростом запирающего напряжения (как у варикапов). У транзисторов со структурой МДП влияние p-n-перехода подложка-канал менее существенно, и емкость сток-исток при включении по схеме с общим затвором мало зависит от режима работы транзистора. Следовательно, переходное затухание ключевых схем на полевых транзисторах с p-n-переходом, уступающих по высокочастотным свойствам (согласно паспортным данным) транзисторам со структурой МДП, может быть больше, что и подтверждают эксперименты.

Переходное затухание у транзисторов со структурой МДП в значительной степени зависит от потенциала подложки. Так, например, заземление подложки у МДП - транзистора КП301Б позволило увеличить переходное затухание ключевой схемы на 25 дБ.

Сопоставляя результаты исследования ключевых элементов по совокупности параметров (переходному затуханию, коэффициенту гармоник, потребляемой мощности, входному сопротивлению управляющих входов) очевидны преимущества полевых транзисторов. С точки зрения переходного затухания перспективными элементами являются полевые транзисторы с p-n-переходом, имеющие малые значения проходной емкости в запертом состоянии при включении с общим затвором. С точки зрения коэффициента гармоник перспективными элементами являются ПТ с малым сопротивлением канала в состоянии «включено» (КП302 и КП903).

3.8. Практические схемы устройств техники связи

с ПТ в ключевом режиме

3.8.1. Применение ключевых схем на ПТ в коммутаторах

радиовещательных сигналов

Результаты исследования ключевых свойств активных элементов использовались при разработке электронного коммутатора с 5 входами и 2 выходами для тракта формирования и программ автоматизированной радиовещательной системы (АРС). Основными требованиями, предъявляемыми к такому коммутатору, являются.

1. Полоса рабочих часто (М_Н = М_В 1дБ) 30 Гц -15 кГц.

2. Номинально эффективное входное напряжение U_Г = 0,775 В.

3. Переходное затухание на частоте 15 кГц D ≥ 80 дБ < 0,2%.

4. Коэффициент гармоник при R_Н = 600 Ом 0,2%.

5. Входное сопротивление по управляющему входу R_ВХ > 10⁴ Ом.

6. Коммутатор должен иметь электронное переключение каналов, малые габариты и массу, а также малую потребляемую мощность. Рассмотрим некоторые варианты построения электронных коммутаторов АРС с 5 входами и 2 выходами.

Наиболее просто построить схему коммутатора можно, если использовать ключевые ячейки с одним регулируемым элементом, схемы сложения сигналов на сопротивлениях, работающие на два буферных каскада. Принципиальная схема коммутатора в этом случае имеет вид, изображенный на рисунке 3.14. Схема содержит 12 полевых транзисторов и 2 биполярных транзистора. Транзисторы VТ₁ ÷ VТ₁₀ и резисторы R₁₁ ÷ R₂₀ образуют 10 ключевых ячеек.

Транзисторы VТ₁₁, VT₁₂ и VT₁₃, VT₁₄ являются элементами схем сложных истоковых повторителей, обеспечивающих высокое входное и низкое выходное сопротивления. Истоковые повторители выполняют функции буферных усилителей.

В исходном состоянии транзисторы VТ₁ ÷ VТ₁₀ заперты напряжением Е_П = –10В. Требуемый канал подключается к одному из двух выходов при замыкании контактов своего управляющего входа. В последнем случае к участку затвор-исток транзистора используемой ключевой ячейки, прикладывается небольшое отрицательное напряжение (порядка 0,5 В) с сопротивления R₂₁. При этом даже в случае работы ячейки с максимальной амплитудой входного сигнала (U_Г = 0,775) не происходит отпирание p-n перехода ПТ и исключается причина появления избыточных нелинейных искажений.

В случае использования в качестве VТ₁ ÷ VТ₁₀ транзисторов типа КП302В и сопротивлений резисторов R₁₁ – R₂₀ = 10 кОм, удовлетворяются требования, предъявляемые к коммутатору АРС по входному сопротивлению и коэффициенту гармоник, однако переходное затухание меньше требуемого (45 ÷ 67 дБ). В случае использования VТ₁ ÷ VТ₁₀ транзисторов типа КП903 и сопротивлений R₁₁ ÷ R₂₀ = 200 Ом удается реализовать требуемое переходное затухание и коэффициент гармоник, однако не обеспечивается требуемое входное сопротивление.

Один из способов удовлетворить всем вышеупомянутым требованиям можно реализовать при использовании в схеме рисунка 3.14 дополнительно 10 ключевых элементов на ПТ типа КП302В, включив их последовательно с изображенными. В этом случае в коммутаторе будут использоваться 12 полевых и 2 биполярных транзистора.

В качестве буферных усилителей можно использовать микросхемы типа 284УЭ1. При этом коммутатор может питаться от одного источника.

Исследования позволили выявить новую схему коммутатора с 5 входами и 2 выходами, приведенную на рисунке 3.15. В этом случае транзисторы VТ₁ ÷ VТ₁₀ типа КП302А используются в качестве управляемых элементов ключевых ячеек. Транзисторы VТ₁₁ ÷ VТ₂₀ типа КП302В выполняют две функции: а) играют роль активных элементов сложных истоковых повторителей; б) играют роль ключевых элементов, работая в режиме с прямыми токами затвора.

В исходном состоянии входы управляющих сигналов 1 ÷ 10 должны быть замкнуты. В этом случае к затворам транзисторов VТ₁₁ ÷ VТ₂₀ прикладываются положительные потенциалы посредством резисторов R₂₁ ÷ R₃₀. Входное сопротивление ПТ резко уменьшается и ограничивается практически величиной сопротивлений резисторов R₃₁, R₃₃. Напряжение на резисторах R₃₁, R₃₃ больше напряжения запирания транзисторов VT₁ ÷ VТ₁₀ и поддерживает их в состоянии «выключено». Сигналы на выходе буферных усилителей не поступают, ослабляясь более чем на 80 дБ.

Рис. 3.14. Схема коммутатора с 5 входами и 2 выходами

Работу коммутатора при включении требуемого канала рассмотрим на примере включения сигнала с входа 1 на выход 2 В этом случае размыкают контакт управляющего входа 1.

Транзистору VT₁₁ посредством резистора R₁₁ обеспечивается нормальный режим смещения, при котором входное сопротивление очень велико. При этом, напряжение на резисторе R₃₁ не прикладывается к участку затвор-сток транзистора VT₁, и он оказывается отпертым. Сигнал, поступающий на вход транзистора VT₁ практически без затухания, поступает на выход буферного усилителя 2.

В цепях затворов транзисторов VT₁ ÷ VТ₁₀ включены высокоомные сопротивления. Благодаря им, даже при больших амплитудах входных сигналов и возникновении прямых токов затворов существенных нелинейных искажений не вносится.

Коммутатор, собранный по схеме рисунка 3.15, удовлетворяет требованиям, предъявляемым к коммутатору АРС типа 5/2. Благодаря высокому входному сопротивлению ключевых ячеек, в схеме нет необходимости в использовании электролитических конденсаторов C₁ ÷ С₁₀. Схема содержит только один источник питающего напряжения. Он может быть использован для подачи необходимых потенциалов управляющим входам в положении переключателя S «Проверка». В положении «Работа» необходимые управляющие потенциалы подаются от внешних схем управления. При необходимости обеспечения очень высоких входных сопротивлений цепей управляющих входов и уменьшения амплитуды управляющих импульсов по входам управления можно подключить каналы дополнительных ПТ.

В последнем случае переключатель S следует ставить в положение «Проверка», а управляющие импульсы, амплитудой соизмеримой с напряжением отсечки дополнительных транзисторов, подавать на их затворы.

Рассмотренный коммутатор содержит «нормально замкнутые» ключевые ячейки. Это требует подачи управляющих сигналов на все ячейки, которые в процессе вещательной передачи не используются. Возможна реализация коммутатора и с «нормально разомкнутыми» ключевыми элементами. Один из вариантов коммутатора с «нормально разомкнутыми» ключевыми ячейками приведен на рисунке 3.16. Подобно схеме рисунка 3.15 в рассматриваемой схеме транзисторы VT₁ ÷ VТ₁₀ типа КП302А используются в качестве управляемых элементов ключевых ячеек. Транзисторы VТ₁₁ ÷ VТ₂₀ выполняют функции активных элементов, работая в режиме с прямыми токами затвора.

Положение «выключено» в схеме рисунка 3.16 обеспечивается при отсутствии сигналов на входах управления. В этом случае к затворам транзисторов VТ₁₁ ÷ VТ₂₀ прикладываются положительные потенциалы посредством резисторов R₂₆ ÷ R₃₀, R₃₂ ÷ R₃₆ диодов VD₂ ÷ VD₁₁.

Входное и выходное сопротивления, а также крутизна транзисторов VT₁₅ ÷ VT₂₄ резко уменьшается, что способствует ослаблению сигналов. Кроме этого одновременно обеспечивается запирание транзисторов VТ₅ ÷ VТ₁₄.

К участкам затвор-сток транзисторов VТ₅ ÷ VТ₁₄ прикладывается основная часть напряжения источника питания (исключая падение напряжения на резисторах R₂₅ и R₃₁) и надежно запирает их. Сигналы на выходы буферных усилителей не поступают, ослабляясь более чем на 80 дБ.

Включение требуемого канала производят замыканием соответствующего входа управления. При этом затвор транзистора КП302А включенной ячейки оказывается под положительным потенциалом, что вызывает протекание прямых токов затвора. Сток, включенного транзистора имеет небольшой положительный потенциал. Это обеспечивает нормальную работу транзистора КП302В, включенной ячейки и надежное запирание диода, подключенного к его затвору, даже при максимальной амплитуде входного сигнала.

В схемах буферных усилителей используются составные биполярные транзисторы, что обеспечивает коэффициент передачи включенной ячейки близкий к единице и малые нелинейные искажения.

В цепях затворов транзисторов VТ₅ ÷ VТ₁₄ включены высокоомные сопротивления. Благодаря им, даже при больших амплитудах входных сигналов и возникновении прямых токов затворов не вносится существенных и избыточных нелинейных искажений.

Для обеспечения симметричного входа в коммутаторе используется пять однотипных дифференциальных буферных усилителей (ДБУ). Принципиальная схема одного из ДБУ изображена на рисунке 3.16. Каждый ДБУ выполнен на микросхеме типа 2HT173, содержащей четыре биполярных транзистора. Схема имеет достаточно высокое входное сопротивление (более 10⁴ Ом), эффективно ослабляет синфазные сигналы (более чем на 30 дБ), имеет коэффициент передачи несколько больший единицы и низкое выходное сопротивление, что желательно, для ослабления взаимного влияния выходных цепей ДБУ на характеристики переходного затухания коммутатора.

Коммутатор, собранный по схеме рисунка 3.15 удовлетворяет требованиям, предъявляемым к коммутаторам АРС типа 5/2. Выбором напряжений, снимаемых с резисторов R₂₅ и R₃₁, а также диодов VD2 ÷ VD11 с высоким обратным сопротивлением можно добиться требуемых технических характеристик коммутатора и при больших напряжениях входного сигнала (например, 1,5 В).

Другой вариант коммутатора АРС с «нормально разомкнутыми» ключевыми ячейками изображен на рисунке 3.17. Отличительной особенностью коммутатора является отсутствие активных элементов в продольных ветвях ключевых ячеек и высокое входное сопротивление управляющих входов. Благодаря гальванической связи ДБУ и буферных истоковых повторителей в схеме отсутствуют 12 разделительных конденсаторов. Рассматриваемое устройство может быть выполнено в виде гибридной интегральной схемы с навесными электролитическими конденсаторами.

Ключевые ячейки коммутатора образуются резисторами R₁₃ ÷ R₂₂ и сопротивлениями каналов транзисторов VТ₅ ÷ VТ₁₄. В исходном состоянии транзисторы VТ₅ ÷ VТ₁₄ имеют минимальные сопротивления ка­налов, т.к. к их затворам прикладываются положительные (относи­тельно общего провода) потенциалы от источника питания Е_П.

Через резисторы R₄₃, R₄₄, транзисторов VТ₅ ÷ VТ₁₄ и участки затвор-исток транзисторов сложных истоковых повторителей протекают прямые токи. Выходные сопротивления и крутизна транзис­торов VТ₅ ÷ VТ₁₄ малы и это способствует дополнительному ослаблению сигналов в состоянии «выключено».

Перевод требуемого канала в состояние «включено» осуществляться подачей управляющего потенциала –5 В на затвор полевого транзистора соответствующей ключевой ячейки. Транзистор запирается его выходное сопротивление становится очень большим.

Посредством резистора в цепи истока ключевой ячейки постоянное напряжение с выхода ДБУ поступает на один из полевых транзисторов сложного истокового повторителя, обеспечивая ему работу в режиме усиления. Входное сопротивление упомянутого полевого транзистора сложного истокового повторителя в режиме усиления велико и, следовательно, сигнал с выхода ДБУ поданный через резистор с сопротивлением R = 300 кОм практически не ослабляется. Входная емкость сложного истокового повторителя в состоянии «включено» невелика и поэтому частотные искажения на самой высокой рабочей частоте (15 кГц) не превышают 1 дБ.

Устройство удовлетворяет требованиям, предъявляемым к коммутаторам АРС, и имеет высокие сопротивления управляющих входов (10⁶ Ом).

Уменьшить мощность, потребляемую коммутаторами АРС при выполнении требований, предъявляемых к техническим показателям, можно при использовании МДП-транзисторов типа КП301Б. Особенность упомянутых транзисторов заключается в том, что они имеют максимальное выходное сопротивление в исходном состоянии. Принципиальная схема коммутатора, у которого ключевые ячейки практически не потребляют мощности от источников питания, приведена на рисунке 3.18.

С целью удовлетворения требований по переходному затуханию каждая ключевая ячейка содержит два ПТ со структурой МДП типа КП301Б и один ПТ типа КП302В. В исходном состоянии напряжение на управляющие входы не подается. При этом транзисторы типа КП301Б заперты, а транзисторы типа КП302Б открыты. Даже при отсутствии питания устройство эффективно ослабляет сигналы, поданные на входы ДБУ.

При необходимости включения требуемого канала на вход управления соответствующей ключевой ячейки подается управляющее напряжение Е_УПР= –5В (–5В относительно общего провода). Транзисторы типа КП301Б рассматриваемой ключевой ячейки переходят в состояние «включено», транзистор типа КП302В запирается. Сигнал с выхода ДБУ практически без ослабления поступает на вход истокового повторителя и затем выделяется в нагрузке.

Типы транзисторов в схемах ДБУ и истоковых повторителей выбраны из соображения обеспечения работоспособности коммутатора от одного источника питания.

Устройство удовлетворяет требованиям, предъявляемым к коммутаторам АРС, обеспечивая переходное затухание более 80 дБ.

При необходимости обеспечения более высоких значений переходного затухания вместо ПТ типа КП302B целесообразно использовать ПТ типа КП903, однако себестоимость коммутатора при этом существенно возрастет.

Для обеспечения малых нелинейных искажений, при амплитудах входных сигналов более 0,5 В, подложки ПТ типа КП301Б целесообразно соединить со стоками.

При монтаже коммутатора следует помнить о необходимости защиты затворов МДП транзисторов от попадания на них зарядов статического электричества, что может привести к их необратимому пробою.