При этом выходное напряжение

.

Как правило, и . При изменении полярности включения диода график функции повернется на угол π вокруг начала координат.

Схеме рис. 3.8,а соответствует нулевой уровень включения (уровень входного напряжения, определяющий отпирание или запирание диода). Для изменения уровня включения в цепь ключа вводят источник напряжения смещения (рис 3.9,а). В этом случае при диод открыт и , а при - закрыт и (рис. 3.9,б). Если изменить полярность источника , то график функции приобретет вид, показанный на рис. 3.9,б пунктирной линией.

а) б)

Рис. 3.9. Схема (а) и передаточные характеристики (б) последовательного диодного ключа с ненулевым уровнем включения.

В качестве источника часто используют резистивный делитель напряжения, подключенный к общему для электронного устройства источнику питания. Применяя переменный резистор как регулируемый делитель напряжения, можно изменять уровень включения.

На рис. 3.10, а приведена схема параллельного диодного ключа, а на рис . 3.10, б – его передаточная характеристика. При положительном входном напряжении диод открыт (ключ замкнут), , а при отрицательном – закрыт (ключ разомкнут), . Для изменения уровня включения в цепь ключа вводят источник смещения , включенный последовательно с диодом (рис. 3.11, а). При изменении полярности включения диода и источника получают характеристику, показанную на рис. 3.11, б пунктирной линией.

а) б)

Рис. 3.10. Схема (а) и передаточная характеристика (б) параллельного диодного ключа с нулевым уровнем включения.

а) б)

Рис. 3.11. Схема (а) и передаточные характеристики (б) параллельного диодного ключа с ненулевым уровнем включения.

Комбинацией двух диодных ключей можно получить двойной диодный ключ (рис.3.12,а), который передает входное напряжение на выход ключа, если оно находится в пределах границ, определяемых уровнями включения первого ( ) и второго ( ) ключей (рис. 3.12, б).

а) б)

Рис. 3.12. Схема (а) и передаточная характеристика (б) двойного диодного ключа.

Время переключения диодных ключей , определяющее их быстродействие, зависит от паразитных емкостей диодов (емкости p-n-перехода) и емкости монтажа, а также времени выключения диода , которое определяется временем рекомбинации носителей заряда. Для повышения быстродействия ключей применяют малоинерционные диоды. Так, в обычных диодах , а в диффузионных диодах .

Диодные ключи не позволяют электрически разделить управляющую и управляемую цепи, что часто требуется на практике. В этих случаях используют транзисторные ключи. На рис. 3.13, а приведена схема ключа на биполярном транзисторе.

а) б)

Рис. 3.13. Схема (а) и характеристика режима работы (б) ключа на биполярном транзисторе.

Входная (управляющая) цепь здесь отделена от выходной (управляемой) цепи. Ключ мало отличается от усилителя, выполненного по схеме с общим эмиттером. Однако транзистор работает в ключевом режиме, характеризуемом двумя состояниями. Первое состояние определяется точкой на выходных характеристиках транзистора; его называют режимом отсечки. В режиме отсечки ток базы , коллекторный ток равен начальному коллекторному току, а коллекторное напряжение (рис. 3.13, б). Режим отсечки реализуется при отрицательных потенциалах базы. Втрое состояние определяется точкой и называется режимом насыщения. Он реализуется при положительных потенциалах базы. При этом ток базы определяется в основном сопротивлением резистора и , поскольку сопротивление открытого эмиттерного перехода мало. Коллекторный переход также открыт, и ток коллектора , а коллекторное напряжение . Из режима отсечки в режим насыщения транзистор переводится воздействием положительного входного напряжения. При этом повышению входного напряжения (потенциала базы) соответствует понижение выходного напряжения (потенциала коллектора), и наоборот. Такой ключ называют инвертирующим (инвертором). В рассмотренном транзисторном ключе уровни выходного напряжения, соответствующие режимам отсечки и насыщения, стабильны и почти не зависят от температуры.

Существуют также повторяющиеключи, у которых понижению входного напряжения соответствует понижение выходного напряжения. Повторяющий ключ выполняют по схеме эмиттерного повторителя.

Время переключения ключей на биполярных транзисторах определяется барьерными емкостями p-n-переходов и процессами накопления и рассасывания не основных носителей заряда в базе. Для повышения быстродействия и входного сопротивления применяют ключи на полевых транзисторах.

Электронные ключи часто используют в устройствах формирования импульсов. К простейшим и наиболее распространенным устройствам формирования импульсов относят ограничители, а также линейные цепи, включаемые на выходе электронных ключей.

Ограничителем называют нелинейный четырехполюсник, выходное напряжение которого повторяет форму входного напряжения, если последнее не выходит за уровни ограничения, и почти не изменяется, если входное напряжение превышает эти уровни.

В качестве ограничителей используют рассмотренные электронные ключи. Для ограничения сверху применяют последовательные или параллельные диодные ключи, а также транзисторные ключи, работающие только в режиме отсечки или только в режиме насыщения. На рис. 3.14 показано ограничение синусоидального напряжения сверху с помощью параллельного диодного ключа (см. рис. 3.11,а).

Рис. 3.14. Диаграммы, поясняющие работу ограничителя сверху.

Уровень ограничения равен уровню включения ключа. Аналогично получают ограничение снизу. Для двустороннего ограничения используют двойные ключи. На рис. 3.15 показано двустороннее ограничение синусоидального напряжения с помощью двойного диодного ключа (см. рис. 3.12, а).

Рис. 3.15. Диаграммы, поясняющие работу двустороннего ограничителя.

Часто в качестве ограничителей применяют устройства (рис. 3.16, а) с кремниевыми стабилитронами, аналогичные стабилизаторам напряжения. Используя вольт-амперную характеристику стабилитрона можно построить передаточную характеристику ограничителя на стабилитроне (рис. 3.16, б). Этот ограничитель дает двустороннее напряжение. Уровень ограничения сверху равен напряжению стабилизации , а уровень ограничения снизу определяется прямой ветвью вольт-амперной характеристики стабилитрона и близок к нулю. Для изменения уровня ограничения сверху требуется стабилитрон другого типа с иным значением , а для повышения уровня ограничения снизу можно использовать последовательное встречное включение стабилитрона (рис. 3.17, а). В этом случае уровни ограничения и (рис. 3.17, б) равны соответственно:

= Uст1 + Uпр2; = Uст2 + Uпр1,

где индексы 1и 2 относятся соответственно к первому и второму стабилитронам.

Рис. 3.16. Схема (а) и характеристика режима работы (б) ограничителя на полупроводниковом стабилитроне.

а) б)

Рис. 3.17. Схема (а) и характеристика режима работы (б) двустороннего ограничителя на полупроводниковых стабилитронах.

Применение ограничителей весьма разнообразно. С помощью ограничителя легко сформировать трапецеидальное напряжение из синусоидального (см. рис. 3.15). Если амплитуда входного напряжения больше уровня ограничения ( ), то можно получить выходное напряжение, близкое по форме к прямоугольным импульсам. Другое применение ограничителей - сглаживание вершин импульсов, искаженных помехой или определяемых условиями формирования (рис. 3.18). Ограничители применяют также для формирования импульсов неизменной амплитуды, например, в устройствах измерения временных или фазовых сдвигов между сигналами.

Рис. 3.18. Сглаживание вершин импульсов с помощью ограничителя сверху.

Обширная область применения ограничителей - устройства амплитудной селекции (выделения). Амплитудным селекторомназывают устройство, предназначенное для выделения импульсов, амплитуда которых больше или меньше определенного уровня (уровня селекции), или импульсов, амплитуда которых находится в заданных пределах (см. 3.10). Рис. 3.19, а поясняет применение последовательного диодного ограничителя (см. рис. 3.9, а) для селекции импульсов, превышающих уровень Е. При нулевом уровне ограничения (Е=0) можно выделять импульсы по полярности (рис. 3.19, б).

Рис. 3.19. Выделение импульсов с помощью ограничителей:

а – по амплитуде; б – по полярности.

Для формирования коротких импульсов служат дифференцирующие цепи – линейные четырехполюсники, у которых выходное напряжение при

близительно пропорционально производной входного напряжения по времени:

,

где k – коэффициент пропорциональности.

На рис. 3.20, а, б приведены схемы простейшей дифференцирующей RC-цепи и диаграммы, поясняющие ее работу при воздействии прямоугольного импульса напряжения. Для уменьшения длительности выходных импульсов следует уменьшить постоянную времени цепи . Можно показать, что при этом повышается и точность дифференцирования входного напряжения.

Интегрирующие цепи – четырехполюсники, у которых выходное напряжение пропорционально интегралу по времени от входного напряжения, - применяют для формирования импульсов реже, чем дифференцирующие цепи. Схема интегрирующей цепи отличается от схемы рис. 3.20, а тем, что конденсатор С и резистор R меняются местами [19].

Рис. 3.20. Схема (а) и диаграмма работы (б) дифференцирующей цепи.