2. Влияние на скорость переключения ключа процессов в базе.

Физика процесса:

• Чтобы через транзистор открылся и через него протекал ток I_к, необходимо накопить некий граничный заряд неосновных носителей в базе Q_гр.

• Чтобы запереть транзистор необходимо рассосать заряд неосновных носителей в базе.

• При токе базы превышающим граничный ток базы насыщения, транзистор быстрее открывается (большим током заряд Q_гр накапливается быстрее). Но в базе накапливается избыточный заряд носителей, на рассасывание которого требуется дополнительное время и появляется задержка выходного сигнала при выключении.

Время накопления и рассасывания носителей в базе зависят от величины граничного заряда Q_гр (тип транзистора) и базового тока (резистор R₁). В этом разделе исследуется влияние тока базы, задаваемого резистором R₁ на время переключения транзисторного ключа (тип транзистора задан в индивидуальном задании).

Моделирование скорости переключения ключа осуществляется схемой рис 8.7, где в качестве входного сигнала включен генератор импульсов Clock из меню Sources с частотой следования импульсов 100 кГц. Контроль входных и выходных сигналов ведется осциллографом.

Рис 8.7. Схема для исследования влияния R₁ на быстродействие ключа

Транзистор находится на границе насыщения (ток базы I_б равен току базы насыщения I_{б н}), так как R₁=63 кОм задает ток базы, при котором транзистор находится на границе насыщения. Осциллограммы приведены ниже.

Рис 8.8. Осциллограммы сигналов при R₁=63 кОм.

При прямоугольном входном сигнале длительность фронтов выходного сигнала велика:

• Длительность фронта выходного сигнала t_ф ^1/0 при открывании транзистора составляет практически весь импульс t_ф ^1/0 =5 мкс.

• А длительность фронта при выключении сигнала t_ф ^0/1 =1.5 мкс.

Рис 8.9. Осциллограммы сигналов при R₁=10 кОм.

При увеличении базового тока (уменьшении R₁) уменьшается длительность фронтов, но имеется задержка выходного сигнала при выключении транзистора (рисунки 8.9 и 8.10).

Рис 8.10. Осциллограммы сигналов при R₁=1 кОм.

Задержка при выключении транзистора составляет t_з ^1/0 =0.527 мкс.

Вывод:

• Ток базы транзисторы влияет на быстродействие ключа:

• растет длительность фронтов t_ф^1/0 и t_ф ^0/1;

• При большом токе базы растет время задержки при выключении.

3. Влияние на скорость переключения ключа емкости нагрузки

Физика процесса:

Напряжение на коллекторе транзистора устанавливается после завершения переходного процесса зарядки и разрядки емкости нагрузки С_н (зарядка - через сопротивление коллекторной нагрузки R₂, разрядка – через открытый транзистор).

Собрать схему, показанную на рис 8.11. С₁- емкость нагрузки.

Рис 8.11. Схема для исследования влияния С₁ на быстродействие ключа.

Осциллограммы для случая С₁=1 нФ приведены на рис 8.12.

Рис 8.12. Осциллограммы для С₁=1 нФ

Когда ключ отпирается, емкость С₁ быстро разряжается через открытый и глубоко насыщенный транзистор, длительность фронта мала. При запирании транзистора емкость С₁ достаточно медленно заряжается через резистор R₂ с постоянной времени τ=R₂·C₁.

При уменьшении емкости (С₁=100 пФ) уменьшается длительность фронта (рис 8.13)

Рис 8.13. Осциллограммы для С₁=100 пФ

Длительность фронта t_ф^0/1 =0.364 мкс

Задержка фронта вызвана процессами рассасывания избыточного заряда неосновных носителей в базе (см. раздел 8.2) и не связана с емкостью С₁.

Вывод: чем меньше постоянная времени τ=R₂·C₁, тем меньше длительность фронтов.

Для повышения быстродействия транзисторного ключа надо:

• Уменьшать емкость нагрузки С₁;

• Уменьшать сопротивление нагрузки R₁ (увеличивать ток нагрузки).