4.2. Электронные ключи. Простейшие формирователи импульсных сигналов

4.2.1. Ключевой режим работы транзистора

Импульсная техника базируется на использовании электронных ключей. Через идеальный разомкнутый ключ ток не протекает, а в замкнутом состоянии падение напряжения на нем равно нулю. В качестве электронных ключей чаще всего применяют транзисторный каскад с ОЭ, показанный на рисунке 4.2.1., а, его нагрузочная диаграмма на рисунке 4.2.1, б.

Ключевой режим транзистора характеризуется двумя состояниями: режим отсечки и режим насыщения.

Режим отсечки

Режим отсечки (транзистор закрыт) - ключ разомкнут. Через транзистор протекает минимальный ток, соответствующий точке А на диаграмме. Это имеет место, если U_Б<0, т.е. эмиттерный переход закрыт, ток I_э=0, ток коллектора определяется обратным током коллекторного перехода I_ко, протекающим полностью по цепи базы. Мощность, потребляемая транзистором в режиме отсечки, минимальна.

а) б)

Рис.4.2.1. а) Транзисторный каскад с ОЭ; б) Нагрузочная диаграмма транзистора

Режим насыщения

Режим насыщения (ключ замкнут) характеризуется минимальным падением напряжения на транзисторе U_к=U_кэн@0, на диаграмме это точка В, а ток ограничен практически только R_к, т.е.

.

При малых значениях

U_к=U_кэн<U_БЭ

коллекторный переход оказывается прямосмещенным как и эмиттерный, поэтому напряжения между электродами транзистора весьма малы (реально U_кэн=0,05÷1,0В).

На практике можно считать в режиме насыщения все электроды между собой закороченными, при этом говорят, что транзистор "стянут в точку". Режим насыщения достигается при , дальнейшее увеличение тока базы I_Б>I_БН не изменяет тока в коллекторной цепи. Тем не менее для надежности на практике берут I_Б>I_БН и это превышение характеризуется "коэффициентом насыщения" транзистора S=I_Б/I_БН≥1 (обычно S=1,5÷3). Мощность, теряемая на транзисторе в режиме насыщения, т.к. мало U_к=U_кн<<E_к. Открытое состояние транзистора в режиме насыщения более устойчиво к воздействиям помех по входной цепи и изменению коэффициента передачи токаβ (в частности в зависимости от температуры).

Процессы в ключевой схеме при управлении прямоугольными импульсами проиллюстрированы на рис. 4.2.2.

Рис.4.2.2. Процессы в ключевой схеме

На интервале t_о÷t₁ транзистор заперт напряжением U_ВХзап отрицательной полярности. Токи I_Б и I_К равны I_ко. Напряжение на транзисторе

.

С момента t₁ начинается процесс отпирания транзистора под действием входного положительного импульса. Ток I_к и напряжение U_к с момента t₁ изменяются по экспоненте, что обусловлено инерционностью транзистора (за счет емкости коллекторного перехода С_к). Если

,

то соответствующий ему ток коллектора I_к(t), будет изменяться по закону: ,

где t_B=t_b+t_к – эквивалентная постоянная времени.

Причем ток I_к стремится к значению, определяемому

,

но по достижению значения Е_к/R_к в дальнейшем не изменяется.

Время от момента t₁ до момента достижения I_к значения Е_к/R_к называется длительностью фронта коллекторного импульса. Можно показать, что с ростом коэффициента насыщения длительность фронта импульса сокращается. В течение длительности фронта t_ф напряжение на коллекторе транзистора изменяется по закону

U_к(t)=Е_к-I_к(t)*R_к.

В момент t₂ действие отпирающего импульса заканчивается, к базе транзистора прикладывается запирающее напряжение U_ВХзап. Ток же коллектора I_к и напряжение U_к с момента t₂ в течение отрезка времени t_р, называемого "временем рассасывания", остается постоянным. Это происходит в связи с тем, что в предыдущем режиме насыщения в базе накопились избыточные носители заряда (электроны), которые и поддерживают ток коллектора постоянным при своем уходе из базы в коллектор. Только после рассасывания избыточных носителей и перехода транзистора в активный режим (на пологие участки выходных характеристик) ток коллектора начинает уменьшаться, а напряжение на коллекторе- возрастать. Время рассасывания t_р тем больше, чем больше коэффициент насыщения S. Далее идет отрезок времени t_с, в течение которого коллекторный ток достигает значения I_ко, а U_к значения (Е_к-I_ко*R_к). Время t_с называется "временем среза" или временем заднего фронта коллекторного тока и определяется С_к. Длительности t_ф, t_р, t_с характеризуют быстродействие ключа (это доли и единицы микросекунд).

Кремниевые транзисторы n-p-n, чаще используемые в ИМС, имеют весьма малый I_ко (I_ко создает падение напряжения на R_Б, которое приоткрывает транзистор), поэтому можно считать, что эти транзисторы запираются при U_ВХзап=0; что позволяет исключить дополнительные источники запирающего напряжения, которые являются необходимыми для германиевых транзисторов.