Как проектировать электронные схемы - Галле Клод. Страница 19

ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) заключается в генерировании последовательности прямоугольных импульсов постоянной амплитуды, длительность которых в каждый момент времени пропорциональна аналоговому сигналу. Принцип модуляции основан на изменении среднего значения прямоугольного напряжения в соответствии с мгновенным значением преобразуемого сигнала (рис. 2.53а).

Если взять прямоугольный сигнал в форме меандра, для которого длительность импульса равна длительности паузы, то его среднее значение составит половину амплитуды. Если длительность импульса равна трети общей длительности периода, то среднее значение напряжения также составит 0,33 от амплитуды импульсов и т. д. Подобное преобразование широко применяется для управления скоростью вращения двигателя, для синтезирования звуковых сигналов, для построения импульсного источника питания и др.

Замена аналогового напряжения импульсным обеспечивает резкое сокращение мощности, рассеиваемой в выходных каскадах, поскольку они работают в режиме переключения. В добавление к этому появляется возможность передавать сигнал сложной формы при помощи одного бита информации. Основная трудность при использовании ШИМ сигнала заключается в необходимости фильтрации восстановленного напряжения для подавления наложенного на него сигнала с частотой дискретизации.

Существует множество путей создания ШИМ сигнала, основанных на использовании специализированных ИС и схем на дискретных компонентах. В любом случае происходит сравнение исходного сигнала с опорным напряжением треугольной формы. Частота последнего должна быть максимально высокой, чтобы обеспечить достаточное разрешение устройства преобразования. Обычно периоды разделяют минимальной паузой, препятствующей наложению двух соседних импульсов при максимальном уровне входного сигнала. На рис. 2.53б показан пример схемы на операционных усилителях, реализующей широтно-импульсную модуляцию.

МОЩНЫЕ МОП ТРАНЗИСТОРЫ

Полевые транзисторы с изолированным затвором (МОП транзисторы) отличаются по характеристикам от биполярных транзисторов.

Как правило, они используются в качестве переключателей, хотя МОП транзисторы можно применять и в аналоговой электронике, о чем свидетельствуют многочисленные ИС усилителей на этих приборах. МОП транзистор в состоянии проводимости можно сравнить с замкнутым выключателем: он имеет остаточное сопротивление около 2 Ом для маломощных приборов и порядка 0,1 Ом для самых мощных. При высоких токах, которые способны пропускать данные компоненты, такие величины сопротивлений могут вызывать заметное падение напряжения. Например, резистор 0,1 Ом, через который проходит ток 10 А, имеет падение напряжения 1 В. При высоких рабочих напряжениях этой величиной можно пренебречь. Иначе обстоит дело при управлении вариатором скорости вращения двигателя, получающего питание от батарейки или аккумулятора напряжением 6 В (например, в радиоуправляемых моделях).

Для снижения остаточного сопротивления МОП транзисторы можно соединять параллельно. Два параллельно включенных идентичных транзистора с остаточным сопротивлением по 0,1 Ом составят один прибор с сопротивлением 0,05 Ом, который может пропускать удвоенный ток. Теоретически допустимо соединять подобным образом любое число транзисторов, но на практике обычно ограничиваются несколькими приборами (не более четырех).

В справочниках представлены мощные МОП транзисторы, которые могут коммутировать токи до 100 и даже до 150 А. Однако необходимо тщательно изучить техническую документацию, где представлены параметры транзисторов, прежде чем включать их в схему.

Как правило, приборы могут выдержать максимально допустимые токи лишь в течение очень короткого времени. Например, транзистор IRF540 (в корпусе Т0220) имеет максимальный ток 28 А при напряжении 100 В. Однако из анализа его характеристик следует, что такой ток допустим лишь в импульсном режиме, когда длительность импульсов не превышает 100 мкс. При ее увеличении до 10 мс приходится довольствоваться током 4 А. Превышение указанных значений сопряжено с риском вывода из строя самого транзистора или соединенного с ним защитного диода.

Ограничения по току распространяются и на случай параллельного включения транзисторов. Если учесть разброс параметров приборов, становится очевидным, что два параллельно включенных МОП транзистора никогда не имеют идентичные сопротивления в открытом состоянии. Вследствие этого через них будут проходить неравные токи, и риск превышения допустимых значений увеличивается. Наконец, следует отметить, что МОП транзисторы, как правило, менее надежны, чем биполярные. Кроме того, редко удается заранее выявить признаки возможного выхода прибора из строя.

Одно из несомненных достоинств полевых транзисторов — простота управления при малом токе, потребляемом от источника сигнала. Поданный на вход импульс напряжения 5 В, генерируемый логическим вентилем, позволяет коммутировать высокие токи в выходной цепи. Именно в этом и заключается основное преимущество полевых транзисторов по сравнению с биполярными, при использовании которых для достижения аналогичных выходных мощностей требуется каскадное соединение нескольких приборов.

Обычно МОП транзистор начинает проводить ток при управляющем напряжении 4 В. Однако для полного открывания на его вход нужно подать напряжение 10 или 12 В (последнее значение соответствует стандарту RS232). Управляющий электрод (аналогичный базе биполярного транзистора) называется затвором, аналогом эмиттера является исток, а коллектора — сток. Для наиболее распространенной схемы включения с общим истоком управляющим напряжением является Vgs, а выходным напряжением — Vds (рис. 2.54а). Между источником входного сигнала и затвором, как правило, включается низкоомный резистор. Одно и то же управляющее напряжение может подаваться на несколько параллельно включенных полевых транзисторов.

В этом случае на каждый транзистор требуется по затворному резистору (рис. 2.54б). Примеры управления МОП транзистором с помощью логического инвертора и каскада на биполярных транзисторах показаны на рис. 2.54в, г.

Аналогично существованию биполярных транзисторов n-р-n и p-n-p типов имеются полевые транзисторы с каналом n-типа и p-типа. Транзисторы с p-каналом редко применяются в виде дискретных элементов. Объединение МОП транзисторов обоих типов позволило создать комплементарные интегральные схемы, характеризующиеся исключительно низкой потребляемой мощностью. Тестирование МОП транзистора при помощи мультиметра затруднено, поскольку затворный электрод фактически изолирован от двух других. Можно лишь получить информацию о состоянии защитного диода, включенного между стоком и истоком, и проверить отсутствие короткого замыкания между выводами.

Следует помнить, что входной электрод МОП транзистора, как и вход логического вентиля КМОП типа, не должен оставаться свободным. Под воздействием наводок потенциал электрода способен принимать любое значение, что, в частности, может вызвать открывание транзистора и протекание высокого тока в выходной цепи при отсутствии входного сигнала. Поэтому во всех режимах, в том числе и на этапе тестирования, между затвором и общей точкой должно быть включено сопротивление утечки (обычно порядка 1 МОм).