1.2.2. Ключи на биполярных транзисторах

Режимы работы биполярных транзисторов в ключевых схемах

Базовая схема транзисторного ключа приведена на рис. 20, а. Различают следующие режимы работы транзистора: режим отсечки, нормальный активный режим, инверсный активный режим и режим насыщения (рис. 20, б). Рассмотрим эти режимы для транзистора n-p-n–структуры.

Рис. 20. Транзисторный ключ и режимы его работы

В режиме отсечки эмиттерный и коллекторный переходы обратно смещены ( , ), транзистор закрыт ( ). Границей этого режима является .

В нормальном активном режиме эмиттерный переход смещен в прямом направлении ( ), коллекторный остается обратно смещенным ( ).

Инверсный активный режим имеет место, если эмиттер и коллектор транзистора в схеме на рис.10.1, а поменять местами. При этом напряжение на переходах транзистора , , эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный переход смещен в прямом.

Из-за конструктивных различий эмиттерной и коллекторной областей параметры транзисторного ключа в нормальном и инверсном включении различаются, причем некоторые из характеристик при инверсном включении оказываются более благоприятными, чем при нормальном.

Так, для маломощных транзисторов остаточное падение напряжения на открытом ключе в нормальном включении =10..50 мВ, а в инверсном - =1..5 мВ. Обратный ток через закрытый ключ в нормальном включении , а в инверсном .

При инверсном включении транзистора растет его сопротивление в открытом состоянии: =10...20 Ом, =100…200 Ом.

Асимметрия эмиттерной и коллекторной областей приводит к снижению коэффициента инжекции тока до величины =0,5…0,6.

В режиме насыщения оба перехода прямо смещены ( , ), транзистор представляет собой малое сопротивление, величина остаточного падения напряжения на нем =0,2…0,5 В, что много меньше напряжения питания. Это позволяет заменить транзистор эквипотенциальной точкой. По коллекторной цепи протекает ток насыщения , величина которого ограничивается только сопротивлением :

.

Для обеспечения этого режима в цепи базы транзистора должен протекать ток , величина которого

.

Для того чтобы насыщение транзистора было достаточно надежным при изменении коэффициента передачи тока и учитывало разброс его значений, базовый ток, обеспечивающий режим насыщения, увеличивают до значения

,

где - это степень насыщения, равная 1,5…2,5.

Поскольку в режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, входное сопротивление самого транзистора будет мало, поэтому ток базы необходимо ограничивать сопротивлением .

Ток базы для схемы на рис. 20, а будет определяться выражением

.

Динамические характеристики ключей на биполярных транзисторах

Процесс открывания транзисторного ключа можно разделить на три стадии: задержка фронта; формирование фронта; накопление избыточного заряда. Задержка фронта обусловлена разрядом барьерных емкостей и закрытого транзистора через сопротивление в цепи базы . Время задержки обычно мало – единицы нс.

Процесс формирования фронта происходит в условиях заданного тока базы и определяется процессами заряда диффузионной емкости эмиттерного перехода и барьерной емкости коллекторного перехода.

Результирующий процесс формирования фронта определяется уравнением:

. (25)

Из (25) следует, что для уменьшения времени необходимо увеличивать отпирающий ток и уменьшать сопротивление в цепи коллектора.

Увеличение постоянной времени коллекторной цепи в раз обусловлено тем, что емкость образует отрицательную обратную связь, поскольку включена между выходом – коллектором и входом – базой. Это явление называется эффектом Миллера и наблюдается только при включении транзистора по схеме с общим эмиттером.

После отпирания транзистора и завершения формирования фронта токи базы и эмиттера практически не меняются, однако заряд в базе продолжает нарастать до значения

, (26)

где - стационарный заряд в режиме насыщения, - степень насыщения.

Первое слагаемое в уравнении (26) определяет заряд, накапливаемый в эмиттерном переходе, второе слагаемое – в коллекторном. Поскольку , то основной заряд будет накапливаться в коллекторном переходе.

Процесс запирания включает два этапа: задержку среза и формирование среза.

Задержка фронта обусловлена рассасыванием избыточного заряда, накопленного в переходах транзистора.

Рассасывание избыточного заряда происходит при постоянном токе базы. Процесс заканчивается, когда избыточный заряд в базе исчезнет и останется только граничный заряд.

Время задержки среза:

.

При токах запирания, существенно больших тока насыщения, постоянная времени отсечки будет определяться выражением и длительность среза на уровне от тока коллектора насыщенного транзистора можно оценить как .

Способы повышения быстродействия ключей на биполярных транзисторах

Рассмотрим наиболее широко распространенные схемные способы повышения быстродействия транзисторных ключей [17]:

динамическую форсировку режимов включения и отключения с помощью RC – цепей;

использование нелинейной обратной связи;

Схема динамической форсировки приведена на рис. 21, а.

а) б)

Рис. 21. Схемы повышения быстродействия транзисторных ключей: а –схема динамической форсировки; б – схема фиксации потенциала коллектора; в – схема с нелинейной обратной связью

Шунтирование резистора конденсатором С дает всплеск базового тока в момент включения за счет процесса заряда емкости. Запирание транзистора также сопровождается всплеском базового тока из-за разряда емкости C. Схема динамической форсировки позволяет обеспечить минимальную степень насыщения в установившемся режиме, когда ток базы ограничивается суммарным сопротивлением резисторов и .

Динамическая форсировка позволяет существенно уменьшить время накопления и рассасывания избыточного и граничного зарядов, обеспечивая малую длительность фронта и среза импульса.

При запирании транзистор может закрыться раньше, чем произойдет полный разряд емкости. Поскольку после запирания ток базы резко уменьшается, разряд конденсатора замедляется, и он может не успеть разрядиться до прихода следующего отпирающего импульса. В результате быстродействие схемы падает. Для устранения этого явления в схему включен диод VD. При запирании транзистора ток разряда конденсатора замыкается через открывающийся диод .

Схема с нелинейной обратной связью показана на рис. 21, б. В этой схеме насыщение транзистора предотвращается тем, что при подаче отпирающего импульса, когда повышается потенциал базы и понижается потенциал коллектора, диод VD отпирается и фиксирует коллекторный потенциал на уровне потенциала базы.

Для эффективной работы схемы необходимо, чтобы диод открывался раньше, чем откроется коллекторный переход транзистора, т.е. прямое падение напряжения на диоде должно быть меньше, чем на коллекторном переходе транзистора, и быстродействие диода должно быть существенно выше, чем транзистора. Указанным требованиям к диодам соответствуют диоды Шоттки.

Поскольку в схеме с нелинейной обратной связью коллекторный переход транзистора всегда оказывается закрытым, транзистор всегда будет работать в активном режиме, что исключает накопление заряда, свойственное режиму насыщения. Соответственно при запирании ключа будет отсутствовать задержка среза.

Процессы отпирания транзистора в схеме с нелинейной обратной связью не отличаются от процессов в базовой схеме.

Схема с нелинейной обратной связью имеют и недостатки, основными из которых являются:

– большее падение напряжения на открытом ключе;

– худшая помехоустойчивость, что объясняется более высоким входным сопротивлением в открытом состоянии;

– худшая температурная стабильность.