Базисные структуры электронных схем

курсовая работа

5. Влияние неидеальности электронных ключей на свойства базисных структур

При построении ЦУП в качестве коммутаторов чаще всего используются МДП ключи (рис. 19, 20).

Рис. 19. Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы i-й ветви ЦУП

Рис. 20. Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы i-й ветви ЦУП

Широкий диапазон рабочих частот обусловливает в перестраиваемых схемах дополнительный источник погрешности, связанный с влиянием паразитных емкостей настоящих ключей и конечного сопротивления канала полевого транзистора. Рассмотрение эквивалентных схем i-й ветви ЦУП (рис. 19, 20) (26, 27) показывает, что сильное влияние неидеальности электронного ключа проявляется в разомкнутом состоянии последнего, когда сопротивление канала (R0кл) очень велико.

Для выяснения степени влияния сложных ЦУП на характеристики проектируемых схем можно использовать «структурно-параметрическую» суперпозицию, когда тот или иной элемент схемы в анализируемой функции заменяется его эквивалентом или более точной математической моделью. Поэтому задача анализа влияния неидеальности электронных ключей на свойства схем заключается в нахождении крутизны преобразования

(30)

через комплексные проводимости i-й и j-й ветвей при заданном коэффициенте веса k.

Эквивалентные схемы, изображенные на рис. 19 и 20, однозначно определяют основную составляющую (19)

(31)

Где

В табл. 2 приведены важнейшие в практическом отношении варианты включения электронного коммутатора на полевом транзисторе.

Таблица 2

Базовые соотношения для i-й ветви ЦУП

Схема

Вариант

Постоянная времени

Примечание

T

Снижение частотных искажений в разомкнутом состоянии, как это видно из

Рис. 20

(33), (34) и рис. 21, возможно увеличением T. Рост Т без изменения реализуется включением дополнительных корректирующих емкостей между стоком

и общей шиной. Коррекция уменьшает 0max.

Примечание. Для получения соотношений схемы рис. 20 необходимо поменять местами индексы, обозначающие электроды сток и исток.

Причем независимо от рассматриваемого случая

(32)

и, следовательно, амплитудно- и фазочастотные характеристики определяются из следующих выражений:

; (33)

. (34)

Изучение особенностей АЧХ и ФЧХ (рис. 21) в двух характерных режимах показывает, что:

- для разомкнутого ключа:

; (35)

- для замкнутого ключа:

. (36)

Рис. 21. Нормированная амплитудно-частотная (а) и фазочастотная (б) характеристика эквивалентной крутизны i-й ветви ЦУП

В общем случае для расширения диапазона рабочих частот необходимо увеличивать , и(или) уменьшать , . В рамках конкретной ветви увеличение отношений являющихся некоторой интегральной оценкой качества ЦУП, возможно только за счет выбора Ri.

(37)

Существенное снижение погрешностей крутизны преобразования обеспечивается «переносом» отключаемой проводимости в эквипотенциальные узлы, которыми в схемах с решающими усилителями являются инвертирующий вход ОУ и общая шина устройства.

Один из возможных способов переключения i-й (j-й) ветви ЦУП показан на рис. 22. В разомкнутом состоянии (i=0) сопротивление канала полевого транзистора велико (R0кл1>>Ri), и передача тока в ветвь yi (рис. 22а) ослабляется делителем, образованным сопротивлением канала открытого транзистора V2 и Ri (R1кл2 << Ri). Аналогичные процессы имеют место при коммутации тока (рис. 22б). В замкнутом состоянии (i=1) «потери» управляющего тока незначительны, т.к. R1кл1 << Ri << R0кл2.

Рис. 22. Принципы и реализация переноса проводимости при коммутации напряжения (а) и тока (б)

Детальный анализ частотных искажений в i-й ветви ЦУП осуществляется через передаточную функцию

. (38)

Все составляющие с индексом 1 соответствуют V1 , а с индексом 2 - V2. Структура постоянных времени i и Тi указана в табл. 2. Выражения для T2 при различных сочетаниях Rп2 и Rз2 приведены в табл. 3.

Таблица 3

Варианты формирования постоянной времени ЦУП

Схема

Вариант

Т2

Рис. 22а

Примечание. Получение соотношений для схемы рис. 22б осуществляется взаимной заменой индексов, обозначающих электроды сток и исток.

Линейные искажения крутизны определяются через амплитудно-частотную

(39)

и фазочастотную характеристики

. (40)

Анализ приведенных соотношений показывает, что значения (рис. 23):

- для разомкнутого состояния (i=0):

(41)

- для замкнутого состояния (i=1), как и асимптоты (рис. 23):

(42)

оказываются более благоприятными по сравнению с вариантом реализации i-й ветви с одним коммутатором.

(a) (б)

Рис. 23. Нормированная амплитудно-частотная (a) и фазочастотная (б) характеристики эквивалентной крутизны i-й ветви ЦУП

Более детальное рассмотрение показывает, что выбором

(43)

можно по сравнению с ранее рассмотренным случаем значительно повысить и тем самым уменьшить погрешность для Ski при =0.

Некоторое уменьшение аналогичного показателя при =1

, (44)

как правило, незначительно и изменяет Ski в области частот, превышающих рабочие.

Полученные результаты показывают, что для снижения влияния электронных ключей на характеристики управителей в ЦУП необходимо использовать для каждой ветви индивидуальные аен (аеI) при оптимальном сопротивлении их ветвей. Такая структура многополюсника наиболее удачно реализуется в лестничных резистивных матрицах. Однако построение ЦУП с переносом отключаемой проводимости повышает влияние операционного усилителя на характеристики проектируемого устройства. Действительно, подключение проводимости между инвертирующим входом и общей шиной снижает эквивалентное входное сопротивление ОУ.

В этом отношении схема с коммутацией тока (рис. 22б) имеет определенные преимущества, т.к. входная проводимость изменяется только на величину выходной проводимости закрытого ключа, тогда как в схеме с коммутацией напряжения (рис. 22a) yi соединяется с общей шиной через замкнутый ключ V2. Целесообразно отметить высокое быстродействие реализации, приведенной на рис. 22б, где ключ коммутирует Yi между двумя практически эквипотенциальными узлами. Последнее существенно снижает длительность переходных процессов в резистивной части управителей. Настоящие выводы, однако, не указывают на полное преимущество схемы с коммутацией тока. Более детальное рассмотрение характера подключаемой проводимости указывает на ее емкостный характер, что может снизить в схеме запас устойчивости или даже привести к самовозбуждению. При коммутации напряжения вносимая часть входной проводимости определяется практически только Yi (сопротивлением замкнутого ключа V2 можно пренебречь). Отмеченное ранее повышение влияния ОУ можно предотвратить введением дополнительного ключа, как это показано на рис. 24.

Рис. 24. Повышение ресурса цепи в ЦУП с коммутацией напряжения

Действительно, теперь в анализируемом режиме Yi подключается ко входу через разомкнутый ключ.

Делись добром ;)