Конспект лекций по электронике В.А. Куликов

5.2 Способы обеспечения закрытого состояния ключа

Различают три способа закрывания ключа.

Способ 1. Закрытое состояние обеспечивается путем отключения базы БТ от источника входного сигнала (рис. 5.2, а).

Rсм

-Eсм

Рис. 5. 2

Обратный ток Iк0 коллекторного перехода протекает через эмиттерный переход в прямом направлении и приоткрывает его. В результате БТ пребывает в микротоковом активном режиме. Присутствует дополнительный компонент тока коллектора BIк0 , являющийся результатом усиления тока Iк0 . Общий ток коллектора составляет (1 B)Iк0 .

Если коэффициент усиления В БТ достаточно большой и обратный ток Iк0 имеет относительно большое значение (например, БТ работает при высокой температуре), то ток коллектора в закрытом ключе может оказаться соизмеримым с током в открытом состоянии ключа. Это означает, что будут неразличимыми низкий и высокий уровни напряжений на выходе. Таким образом, надежность закрывания ключа оказывается низкой. По этой причине способ не применяется в практической схемотехнике.

Способ 2. Для отвода обратного тока коллектора из базы, минуя эмиттерный переход, используют специальную цепь, называемую цепью смещения и образованную резистором Rсм и дополнительным источником напряжения отрицательной полярности Eсм (рис. 5.2, б). Параметры цепи выбирают из условия

Eсм Iк0 .

Rсм

В этом случае весь обратный ток коллектора будет протекать по цепи смещения, напряжение на базе будет равно нулю, переход БЭ закрыт, и ток коллектора закрытого ключа будет равен только Iк0 . Ключ надежно закрыт.

Недостатком способа является необходимость использования дополнительного источника питания, что существенно затрудняет разводку проводов, в особенности, в интегральных схемах. Поэтому для микросхем разработан третий способ закрывания.

Способ 3. Его рассматривают как промежуточный между первым и вторым способами. Для закрывания ключа параллельно переходу базаэмиттер устанавливается резистор Rсм (рис. 5.2, в). Если сопротивление резистора выбрано небольшим по сравнению с сопротивлением закрытого эмиттерного перехода, то большая часть обратного тока коллектора IкI0 будет протекать через этот резистор, минуя эмиттерный переход. Меньшая часть IкII0 будет протекать через переход и усиливаться. В результате общий ток коллектора будет составлять Iк0 BIкII0 и может быть приемлемым для закрытого состояния ключа.

5.3 Открытое состояние ключа

Рассмотрим простейший ключ на рис. 5.3, а. Пусть в исходном состоянии на вход подан низкий уровень напряжения Uвхну 0 В. БТ находится в

отсечке, ключ закрыт.

Будем постепенно увеличивать входное напряжение.

Пока Uвх Uбэот 0,7 В переход база-эмиттер БТ закрыт и БТ остается в отсечке. Как только входное напряжение становится больше 0,7 В, эмиттерный переход открывается, напряжение на нем фиксируется на этом уровне, и начинается нарастание тока базы БТ:

Iб Uвх Uбэот .

Rб

Транзистор переходит в активный режим, ток коллектора увеличивается пропорционально току базы в соответствии с выражением Iк ВIб . Напряжение на выходе ключа понижается: Uвых Eк Iк Rк .

При напряжении на выходе меньшем напряжения на базе на величину Uбкот 0,5 В переход база-коллектор открывается, БТ переходит в режим насыщения, и выходное напряжение фиксируется на уровне, определяемом в соответствии с рис. 5.3, б выражением Uкэн Uбэот Uбкот 0,7 0,5 0,2В. Это низкий уровень напряжения на выходе ключа. Ток коллектора достигает своего максимального значения – тока коллектора насыщения

Iкн Eк Uкэн

Rк

и далее увеличиваться не может.

При дальнейшем увеличении входного напряжения увеличивается ток базы и возрастает степень насыщения БТ, которая характеризуется коэффициентом насыщения

S Iб ,

Iбн

где Iбн Iкн - ток базы насыщения. Для обеспечения гарантированного (на-

B

дежного) насыщения БТ в открытом состоянии ключа минимальное значение коэффициента насыщения выбирают на уровне Sмин 1,5.

Рис. 5.3

5.4 Процесс открывания (включения) ключа

Пусть в исходном состоянии на вход ключа рис. 5.3, а подан низкий уровень напряжения Uвхну 0 В. Напряжение на базе равно входному на-

пряжению, поэтому БТ находится в отсечке и ключ закрыт. Токи базы и коллектора равны нулю. На выходе ключа – высокий уровень напряжения Eк

(см. рис. 5.4, а).

В момент t0 напряжение на входе скачком возрастает до высокого уровня Uвхву . Напряжение на базе Uб мгновенно увеличиться не может, так

как к базе подключены емкости закрытых эмиттерного и коллекторного переходов, на заряд которых требуется определенное время.

В момент t1 напряжение Uб достигает уровня Uбэот , и переход базаэмиттер открывается. Появляется ток базы

Iб1 Uвх ву Uбэот .

Rб

БТ переходит в активный режим. Из эмиттера в базу начинают поступать электроны, заряд электронов Qб в базе нарастает. Пропорционально заряду увеличивается ток коллектора Iк и уменьшается напряжение Uвых на выходе ключа.

- t2 t1 tф - время фронта нарастания тока коллектора (нарастает ток кол-

лектора, активный режим);

- t3 t2 tн - время накопления избыточного заряда в базе (в базе накапливается избыточный заряд неосновных носителей, режим насыщения).

Длительность открывания ключа (время включения), таким образом, можно представить как сумму трех временных интервалов:

tвкл tзф tф tн .

На практике учитывают только время фронта tф , так как интервал tзф у

современных транзисторов мал, а к моменту наступления интервала tн выходное напряжение ключа достигает своего установившегося значения, и его величина не влияет на задержку прохождения сигнала через ключ.

5.5 Процесс закрывания (выключения) ключа

Рассмотрим временные диаграммы на рис. 5.4, б.

В исходном состоянии на вход ключа подан высокий уровень напряжения Uвхву . Ключ открыт, БТ находится в насыщении. На базе – напряжение

Uбэот . Протекают открывающий ток базы Iб1 и ток коллектора насыщения Iкн. . В базе накоплен максимальный заряд неосновных носителей Qмакс , инжектируемых из эмиттера. На выходе ключа присутствует низкий уровень напряжения Uкэн .

В момент t4 напряжение на входе скачком уменьшается до низкого уровня Uвхну 0 В. Поскольку заряд неосновных носителей в базе мгновенно

рассасаться не может, то БТ продолжает оставаться в режиме насыщения и на базе сохраняется напряжение Uбэот . В результате ток в цепи базы меняет направление на противоположное и принимает значение

Iб2 Uвхну Uбэот Uбэот .

Rб Rб

Под действием токов базы и коллектора заряд в базе начинает рассасываться. В момент t5 уровень заряда достигает граничного значения Qгр , и БТ

переходит в активный режим. Пропорционально заряду в базе начинает уменьшаться ток коллектора и увеличиваться напряжение на выходе ключа.

К моменту t6 заряд в базе полностью рассасывается. Ток коллектора достигает минимального уровня, соответствующего закрытому состоянию ключа, который можно принять равным нулю. Напряжение на выходе увеличивается до Eк . БТ переходит в отсечку.

Далее происходит разряд паразитных емкостей коллекторного и эмиттерного переходов, который завершается в момент t7 , и процесс закрывания ключа заканчивается.

Как при включении, на временных диаграммах присутствуют три временных интервала:

- t5 t4 tр - время рассасывания избыточного заряда в базе (режим насыще-

ния БТ);

-t6 t5 tсп - время спада тока коллектора (активный режим);

-t7 t6 tвосст - время восстановления закрытого состояния ключа (режим отсечки).

Время выключения записывается в виде

tвыкл tр tсп tвосст .

На практике в расчет берут только tр и tсп , так как к моменту начала интер-

вала tвосст выходное напряжение ключа принимает установившееся значение

идальше не изменяется.

5.6Способы повышения быстродействия ключа. Ключ

с форсирующим конденсатором в цепи базы

Как видно из диаграмм рис. 5.4, а, б для уменьшения времени включения ключа необходимо уменьшать длительность фронта нарастания тока коллектора tф . Это достигается путем увеличения открывающего тока базы

Iб1 : накопление заряда в базе Qб происходит быстрее и быстрее достигается уровень Qгр .

Для уменьшения времени выключения необходимо уменьшать время рассасывания избыточного заряда tр и время спада tсп . Первое возможно за

счет снижения степени насыщения БТ перед началом выключения, то есть за счет снижения открывающего тока базы Iб1 , а также за счет увеличения закрывающего тока базы Iб2 . Второе также обеспечивается путем увеличения

тока Iб2 .

Таким образом, для повышения быстродействия ключа временная диаграмма тока базы должна выглядеть так, как показано на рис. 5.5.

Рис. 5.5

До момента t0 ключ закрыт. На время включения с момента t0 до момента t1 подается большой открывающий ток базы Iб1 , форсирующий процессы открывания. По окончании открывания ток базы уменьшается до минимально необходимого для поддержания БТ в насыщении уровня SминIбн . Это обеспечивает минимальную степень его насыщения перед началом закрывания ключа, которое в общем случае неизвестно во времени.

На время выключения с момента t2 до момента t3 в базу подается большой закрывающий ток Iб2 , и обеспечивается быстрое выключение ключа.

Желаемая диаграмма изменения тока базы наилучшим образом реализуется в схеме ключа с форсирующим конденсатором в цепи базы БТ (рис. 5.6, а).

Рис. 5.6

При открывании ключа в момент t0 (рис. 5.6, б) напряжение на входе скачком изменяется от низкого уровня до высокого. Конденсатор начинает заряжаться током Iб1 , который из-за малого сопротивления цепи заряда оказывается достаточно большим. Процесс включения ключа форсируется. По мере заряда конденсатора ток базы уменьшается. Если емкость конденсатора

Благодаря активному режиму БТ в открытом состоянии ключа на этапе выключения отсутствует интервал рассасывания избыточного заряда из базы (tр 0), поэтому уменьшается время выключения ключа.

Недостатком ключа является повышенное значение напряжения низкого уровня на выходе. Для снижения этого напряжения вместо двух диодов на основе p-n-перехода используют один диод Шоттки, который включают параллельно коллекторному переходу БТ (рис. 5.8, а). Комбинация БТ и диода Шоттки получила название транзистора Шоттки (рис. 5.8, б).

Рис. 5.8

По сравнению с диодом на основе p-n-перехода диод Шоттки имеет меньшее падение напряжения в открытом состоянии: Uдот ш 0,3 В. Поэтому

в ключе при открывании, когда напряжение на выходе понижается, первым открывается диод Шоттки, и напряжение на нем и коллекторном переходе фиксируется. При этом переход база-коллектор, несмотря на прямое смещение, остается закрытым, так как напряжения не достаточно для его открывания. Следовательно, БТ в открытом состоянии ключа пребывает в активном режиме. Напряжение низкого уровня на выходе ключа составляет

Uвыхну Uбэот Uдот ш 0,7 0,3 0,4 В,

что меньше, чем в предыдущей схеме.

5.8 Работа ключа на емкостную нагрузку

Емкость нагрузки представляет собой суммарную паразитную емкость, образованную емкостью соединительных проводов, посредством которых нагрузка подключается к выходу ключа, и емкостью самой нагрузки. Типичные значения емкости, например, в схемах с логическими элементами составляют единицы – десятки пикофарад.

Исследуем работу ключа на БТ (рис. 5.9) на емкостную нагрузку, считая транзистор идеально быстродействующим.