Ключи на полевых транзисторах широко используются для коммутации аналоговых и цифровых сигналов. В аналоговых ключах обычно используют транзисторы с управляющим p-n-переходом или МДП-транзисторы с индуцированным каналом. В цифровых ключах обычно используют МДП-транзисторы с индуцированным каналом. В последнее время полевые транзисторы часто используют в силовой импульсной электронике. Использование в качестве силового ключа транзистора с управляющим p-n-переходом проблематично вследствие ограниченности максимального тока канала.
Ключи на полевых транзисторах отличаются малым остаточным напряжением при малых коммутируемых токах. Поскольку выходные характеристики полевых транзисторов проходят через начало координат (канал транзистора ведет себя как управляемое сопротивление), они могут коммутировать слабые сигналы (в единицы микровольт и меньше).
Однако минимальное сопротивление включенного ключа на полевом транзисторе может быть больше, чем ключа на биполярном транзисторе (т. е. наклон самой круто поднимающейся характеристики полевого транзистора может быть меньше, чем наклон соответствующей характеристики биполярного транзистора). Поэтому при значительном токе падение напряжения на полевом транзисторе может быть больше, чем падение напряжения на биполярном транзисторе. Это нужно иметь в виду, чтобы понять смысл на первый взгляд парадоксального утверждения, что остаточное напряжение ключей на полевых транзисторах больше, чем ключей на биполярных транзисторах, и поэтому «полевой транзистор обладает худшими ключевыми свойствами по сравнению с биполярным».
В статическом состоянии ключ на полевом транзисторе потребляет очень малый ток управления. Однако этот ток увеличивается при увеличении частоты переключения. Последнее обстоятельство объясняется необходимостью перезаряда входной емкости полевого транзистора. Очень большое входное сопротивление ключей на полевых транзисторах фактически обеспечивает гальваническую развязку входных и выходных цепей.
На правой схеме изображена емкость нагрузки Сн, моделирующая емкость устройств, подключенных к транзисторному ключу, а также межэлектродная емкость затвор – сток СЗС, оказывающие влияние на характер протекания переходных процессов. Типовой вид переходных процессов при коммутации ключа приведен на графиках.
Очевидно, что при нулевом входном сигнале транзистор заперт, и Uси = Eс (за исключением падения напряжения на нагрузочном резисторе от протекания пренебрежимо малого неуправляемого тока стока). Если напряжение Uвх больше порогового напряжения Uзo транзистора, то он открывается, и напряжение Uси уменьшается.
Напряжение на ключе в его включенном состоянии Uвкл зависит от сопротивления стока Rc, величины входного сигнала и особенностей стоковых характеристик транзистора. Скорость изменения напряжения на выходе определяется сопротивлением Rc, емкостью Сн и частотными свойствами транзистора.
Характер переходных процессов при коммутации ключа на полевом транзисторе можно проанализировать с использованием модели LTspice.
На графиках приведены входное напряжение, напряжение на затворе транзистора, ток канала транзистора, напряжение на выходе ключа, а также мощность, рассеиваемая на транзисторе в процессе коммутации. Моделирование производилось при различных значениях емкости нагрузки.
Как видно из графика напряжения на затворе, существует задержка формирования переднего фронта выходного импульса, причиной которой является ток емкости СЗС при открывании ключа и снижении выходного напряжения (эффект Миллера).
Задержка заднего фронта импульса определяется скоростью спадания напряжения на затворе, а также процессом заряда емкости нагрузки.
На графике мощности рассеяния 1 В сигнала соответствует 1 Вт мощности.
Ключ с IGBT транзистором
В настоящее время широкое распространение получили ключи с использованием IGBT транзисторов, которые сочетают преимущества полевых и биполярных транзисторов (малую мощность управления и малые остаточные падения напряжения при протекании больших токов). С особенностями работы такого ключа, коммутирующего значительный ток, можно ознакомиться, используя модель LTspice.
