7.3. Комутаційні елементи на біполярних транзисторах

Ключі та перемикачі можуть бути виконані на діодах або транзисторах. Діодні ключі [54-57, 62, 63] відрізняються від транзисторних високим рівнем залишкових параметрів, більшою схемною складністю та вимагають підвищеної потужності сигналу управління ключем. Перевагою діодних ключів є висока швидкість включення та виключення, тому вони знаходять застосування у швидкодійних цифро–аналогових перемикачах струму. В цифрових пристроях вимірювання та кодокерованих мірах переважно використовуються транзисторні ключі та перемикачі.

Транзисторний ключ має ряд схемних варіантів, з яких найширше практично застосовуються схеми зі спільним емітером (рис. 7.4.а), або зі спільним колектором (рис. 7.3.б) [54-57, 62, 63]. Перший варіант є нормальним включенням транзистора, другий – інверсне. Транзистор, включений за схемою ключа, може знаходитись в декількох режимах:

1) режим насичення – обидва p-n переходи у транзисторі зміщені в прямому напрямку;

2) нормальний активний режим – перехід емітер–база зміщений в прямому, а колектор–база в зворотному напрямках.

3) інверсний активний режим – перехід колектор–база зміщений в прямому, а емітер база в зворотному напрямках.

4) режим відсічки – обидва p-n переходи зміщені у зворотному напрямках.

З еквівалентної схеми заміщення насиченого транзистора, увімкненого за схемою спільний емітер (рис. 7.5), визначимо спад напруги на замкненому ключі

, (7.6)

де r_k0, r_e0 - об’ємні опори областей колектора та емітера; І_к, І_е – відповідно, струм колектора та емітера; U_кб, U_еб – відповідно, напруга колектор-база та емітер-база.

Рис. 7.4. Схеми транзисторних ключів

а – схема з загальним емітером; б – схема з загальним колектором

Звідси можна знайти різницю напруг U_ke=U_kб-U_eб, яка для режиму глибокого насичення та схеми спільний емітер має вигляд:

, (7.7)

Р ис. 7.5. Схема заміщення насиченого біполярного транзистора

а для схеми спільний колектор різниця цих напруг -

, (7.8)

де - температурний потенціал; - коефіцієнти передачі базового струму у прямому та інверсному включеннях транзистора.

Із співвідношень (7.7) та (7.8) можна зробити висновок, що завдяки більшому значенню коефіцієнта передачі базового струму у прямому включенні, менше значення спаду напруги на замкненому ключі матиме схема увімкнення транзистора зі спільним колектором, тобто його інверсного включення.

Напруги переходів U_кб та U_еб суттєво залежать від температури. Температурні коефіцієнти кожної з цих напруг (ТКН) дещо різні та залежать від ступеня насичення транзистора, а числові значення ТКН лежать у межах (1,2 – 2) мВ/К для германієвих та (1,2 – 3) мВ/К для кремнієвих транзисторів. Оскільки знак ТКН переходів однаковий, то різниця напруг U_кб-U_еб залежать від температури набагато слабше, її ТКН на 1–2 порядки менший від ТКН окремих переходів [54-57, 62, 63].

Залишкові напруги на затискачах транзисторного ключа в замкненому (насиченому) стані із врахуванням об’ємних опорів емітера та колектора, а також струму керування (струму бази) подамо у вигляді для схеми зі спільним емітером

, (7.9)

і для схеми зі спільним колектором

, (7.10)

Об’ємні опори областей емітера та колектора залежать від технології виробництва транзисторів і для сучасних елементів не перевищують одиниць Ом. Характер зміни напруг U_ке та U_ек в залежності від струму бази визначається залежністю обох складових виразів (7.9) та (7.10) та має добре виражений мінімум (рис. 7.6).

Рис. 7.6. - Загальний вигляд залежності залишкової напруги насиченого біполярного транзистора від струму бази

Іншою важливою характеристикою насиченого транзистора є його залишковий опір - опір переходу колектор–емітер r_ке. Величина r_ке визначається не тільки об’ємними опорами областей емітера та колектора, але й диференціальними опорами p-n переходів цих областей r_д. Його визначають як похідну від різниці U_кб-U_еб по струм в області малих колекторних струмів ( << I_б) опір r_д визначається за формулою

, (7.11)

Значення опору r_д транзистора, який знаходиться у глибокому насиченні, зазвичай знаходиться в межах декількох Ом та мало залежить від схеми включення транзистора. Наприклад, при I_б=2 мА, =5, _Т=25 мВ маємо r_д=2 Ом.

Повний опір кола емітер–колектор визначається сумою r_ке=r_д+r_к0+r_е0 та залежить від глибини насичення транзистора (рис. 7.7).

В режимі відсічки (розімкнений стан ключа) через переходи транзистора протікають зворотні струми I_к0, I_е0, що мають теплову та термогенераційну складові, які експоненційно залежать від температури (при кімнатних температурах 10 нА, а при +85˚С 5 мкА). Умовами глибокої відсічки є U_еб>> , U_кб>> , , , . Окрім залишкового струму, зумовленого зворотними струмами p-n переходу, в режимі відсічки транзистор характеризується ще й зворотним опором R_звр, значення якого

Рис. 7.7. Загальний вигляд залежності залишкового опору насиченого транзистора від струму бази

в основному визначається поверхневими витоками через ізоляцію. Його характерною особливістю є значна часова нестабільність, що зумовлює необхідність підбору для використання як комутаційних елементів транзисторів, виготовлених за якісною технологією.

Таким чином, транзисторні ключі мають такі властивості [54-57, 62, 63]:

1. Пасивні залишкові параметри мало залежать від схеми включення транзистора (спільний емітер або спільний колектор). Зі збільшенням струму керування диференціальний опір насиченого транзистора швидко спадає і вже при струмах більших, ніж (3–5) мА значення динамічного опору r_д стає співмірним із значеннями об’ємних опорів областей емітера та колектора.

2. Активні залишкові параметри, навпаки, залежать від схеми включення транзистора. Ці параметри як в замкненому стані ключа (режим насичення), так і в розімкненому стані (режим відсічки) менші в транзистора, увімкненого за схемою зі спільним колектором, порівняно зі схемою спільний емітер.

3. Значення залишкових параметрів при постійності сигналів керування відрізняються відносною стабільністю, особливо параметри насиченого транзистора. Це створює передумови до розроблення методів компенсації залишкових параметрів, що в кінцевому результаті дає можливість зменшити похибки, які вносяться ключем в комутоване коло.

На практиці при використанні транзистора як ключа, перевага зазвичай віддається схемі увімкнення зі спільним колектором завдяки меншим значенням активних залишкових параметрів порівняно зі схемою спільний емітер.