3.5. Ключевой режим работы транзистора

Транзисторная импульсная и цифровая техника базируются на работе транзистора в качестве ключа. Замыкание и размыкание цепи нагрузки – главное назначение транзистора, работающего в ключевом режиме. По аналогии с механическим ключом, качество транзисторного ключа определяется остаточным напряжением на транзисторе в замкнутом (открытом) состоянии и остаточным током через транзистор в выключенном (закрытом) состоянии.

Кроме того, транзисторный ключ должен быть быстродействующим, обеспечивать усиление сигнала по напряжению и мощности, т. к. при передаче информации от элемента к элементу теряется энергия информационного сообщения, а также должен обеспечивать инверсию сигнала, т. к. функционально полный набор логических функций включает инверсию. Поэтому схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ), обеспечивающая инверсию входного сигнала, является наиболее предпочтительной.

На рис. 3.7, а приведена схема ключа на биполярном транзисторе с ОЭ, а на рис. 3.7, б – его выходные характеристики. Зависимость напряжения на коллекторе Uк от тока коллектора в соответствии со вторым законом Кирхгофа описывается следующим выражением:

(3.18)

Это выражение представляет собой уравнение прямой линии и называется нагрузочной прямой по постоянному току. Как известно, любая прямая строится по двум точкам: вначале полагают, что Uк = 0 и находят Iк: Iк = E/Rк. Затем полагают, что Iк = 0, и находят Uк = E. На выходных характеристиках транзистора (рис. 3.7, б) нагрузочная прямая обозначена точками а – б. При работе в ключевом режиме транзистор VT находится в двух крайних режимах: насыщения и отсечки и выполняет роль ключа в последовательной цепи с резистором Rк и источником питания Е. В качестве входных сигналов обычно используются прямоугольные импульсы.

Рис. 3.7. Транзисторный ключ:

а – схема; б – выходные характеристики транзистора

Для перехода из линейного режима в режим насыщения необходимо увеличивать ток базы до тех пор, пока обратное напряжение на коллекторе не понизится до такого значения, при котором произойдет отпирание коллекторного перехода. Это происходит потому, что увеличение тока базы i_б приводит к увеличению тока коллектора i_к. В результате увеличивается падение напряжения на резисторе Rк и уменьшится напряжение на участке коллектор – эмиттер транзистора U_кэ. Условием насыщения транзистора является равенство нулю напряжения :

(3.19)

При этом U_кэ = U_бэ, коллектор, как и эмиттер, инжектирует носители тока в базу. База «наводнена» носителями, отсюда и название режима – режим насыщения. Выполнение условия Uкб = 0 называют граничным режимом, так как он характеризует переход транзистора из линейного режима в режим насыщения. При глубоком насыщении Uкб > 0. В базе протекает избыточный ток. Глубину насыщения транзистора характеризуют коэффициентом насыщения, который определяют как отношение тока базы транзистора в насыщенном режиме к току в граничном режиме:

(3.20)

При глубоком насыщении транзистора в базе накапливается большое количество неосновных носителей, которые задерживают выключение транзистора по окончанию импульса, т. е. влияют на его быстродействие. Параметром для характеристики режима насыщения транзистора в справочнике приводится сопротивление насыщения , которое определяется наклоном выходной вольт-амперной характеристики транзистора в режиме насыщения:

. (3.21)

У маломощных транзисторов величина от 20 до 60 Ом [12].

При токах мА величина U_кэ._н не превышает 0,4 В. Поскольку в режиме насыщения напряжение U_кэ.н достаточно малое, то в этом режиме транзистор выполняет роль замкнутого ключа, как показано на рис. 3,8 а.

Рис. 3.8. Представление логической переменной в виде ключа:

а – ключ замкнут; б – ключ разомкнут

Режим отсечки является другим ключевым режимом транзистора. Перевести транзистор в режим отсечки можно приложением между базой и эмиттером обратного напряжения. Граничным режимом в этом случае является выполнение условия U_бэ = 0. На вольт-амперных характеристиках транзистора (рис. 3.7, б) режиму отсечки соответствует область характеристик ниже почти горизонтальной линии при I_б = 0. При этом в цепи коллектор – эмиттер транзистора (и через R_К) протекает «сквозной» ток Iк0э:

I_к0э = I_ко(β + 1). (3.22)

Для характеристики транзистора в режиме отсечки в справочниках приводится значение обратного неуправляемого тока коллектора Iко. У современных маломощных кремниевых транзисторов величина этого тока мала, порядка 0,1 1 мкА. Даже при использовании транзисторов с высоким коэффициентом β, остаточный ток через транзистор Iко.э не превышает десятых и даже сотых долей миллиампера. Поэтому в режиме отсечки транзистор можно заменить разомкнутым ключом, как показано на рис. 3.8, б. Таким образом, два ключевых режима транзистора – режимы насыщения и отсечки – позволяют использовать транзистор как замкнутый и разомкнутый ключ.

Процесс переключения биполярного ключа. При использовании транзистора в качестве ключа представляет интерес изучение процесса переключения, определяющего его быстродействие. Переходные процессы при отпирании и запирании ключа можно разделить на 5 этапов. Они показаны на рис. 3.9: время задержки переключения t_З, формирования фронта t_ф, время накопления избыточных носителей в базе, время рассасывания избыточного заряда t_р и время спада выходного тока t_А.

Отпирание транзистора сопровождается изменением тока i_К и напряжения U_КЭ. Как видно из диаграмм, характер изменения тока i_К и напряжения U_КЭ при отпирании транзистора отличается от вызвавшего их скачкообразного изменения входного напряжения. При подаче на вход ключа отрицательного импульса с амплитудой, достаточной для перевода транзистора в насыщенный режим, увеличение тока I_K (отпирание транзистора) начинается не сразу, а с некоторой задержкой – t_ЗД.

Рис. 3.9. Импульсный режим работы транзистора

t_ЗД – время задержки включения обусловлено, во первых, необходимостью заряда входной паразитной емкости ключа С_ВХ (см. рис. 3.7, а) до напряжения, при котором транзистор начинает открываться. Второй причиной является конечное время диффузии носителей через область базы со сравнительно небольшой скоростью (порядка сотен метров в секунду).

t_Ф – время формирования фронта (при нарастании выходного импульса то 0,1 до 0,9 величины амплитуды) обусловлено временем заряда выходной паразитной емкости ключа С₀, включенной параллельно нагрузке (см. пунктир на рис. 3.7, а)

(3.23)

где – емкость коллекторного перехода,

– емкость нагрузки. Время фронта определяется следующим соотношением:

, (3.24)

где S – степень насыщения транзистора,

Из приведенного соотношения видно, что t_ф уменьшается при увеличении степени насыщения, однако это уменьшение незначительное.

Накопление избыточных зарядов в базе. После того, как напря-жение на коллекторе достигнет напряжения насыщения U_КЭ.Н процесс насыщения не заканчивается, т. к. I_Б > I_Б.Н , то идет процесс накопления избыточного заряда в базе. Установившееся значение заряда:

(3.25)

где постоянная времени насыщения избыточных носителей.

Поскольку процесс насыщения происходит по экспоненциальному закону, то можно считать, что он завершится за время примерно равное 3 Это время на рис. 3.9 не обозначено. Если транзистор начать закрывать раньше, чем заряд успеет полностью накопиться, то закрытие произойдет быстрее.

t_Р − время рассасывания избыточного заряда. В момент окончания отпирающего импульса направление тока базы изменяется на противоположное: ток базы становится вытекающим. Начинается процесс рассасывания избыточных носителей с постоянной времени τ_Р = (2…4)τ_β. Время рассасывания tp существенно превышает остальные временные интервалы. В течение этого времени происходит запирание предварительно насыщенного транзистора. Если уменьшить степень насыщения, то время рассасывания существенно уменьшится. Поэтому, если требуется получить быстродействующую схему ключа, используют различные способы предотвращения глубокого насыщения транзистора. Электронные ключи, работающие по этому принципу, называют ненасыщенными, а цифровые логические схемы называют ненасыщенной логикой.

t_А – время формирования спада тока коллектора. Здесь транзистор работает в нормальном усилительном режиме. Процесс формирования спада коллекторного тока значительно сложнее процесса формирования фронта и во многом определяется высокочастотными свойствами транзистора ( ) и процессом перезаряда выходной паразитной емкости.

Применение ключей для выполнения логической операции.

_{Электронные ключи являются основой элементной базы цифровых ЭВМ, которые выполняют арифметические и логические операции. При решении задач управления и обработки информации числа и логические переменные связаны друг с другом. Например, при управлении} лифтом, его можно привести в движении кнопкой вызова, если кабина пуста, если двери кабины и шахты закрыты, отсутствуют вызовы, поступившие с других этажей. Таким образом, многие задачи управления приводят к анализу логических условий и выдаче логических команд. Логическая переменная может принимать одно из двух значений: истинно или ложно, для краткости их обозначают обычно символами 1 или 0, не вкладывая в них смысл количества.

Существуют три основные операции между логическими переменными: конъюнкция (логическое умножение), дизъюнкция (логическое сложение) и инверсия (логическое отрицание).

Как можно представить логические функции с помощью электронных схем? Так как логические переменные могут иметь только два дискретных значения, то простейшим способом реализации логической переменной является ключ: разомкнутый ключ эквивалентен логическому нулю, а замкнутый – логической единице.

На рис. 3.10, а показана схема, реализующая функцию И двух переменных. Значение зависимой переменной Y характеризуется тем, будет ли замкнута или разомкнута составная коммутируемая цепь, расположенная между входными клеммами. Очевидно, что цепь будет замкнута только тогда, когда Х₁ и Х₂ замкнуты, т. е. равны единице.

Рис. 3.10. Реализация функций:

а – И; б – ИЛИ

Таким образом, последовательное включение ключей реализует функцию И. Функция ИЛИ может быть получена, если ключи включить параллельно (рис. 3.10, б).

Более сложные логические функции также реализуются с помощью соответствующих электронных схем. Эти схемы имеют один или несколько входов и один выход. Они называются логическими элементами (ЛЭ). Уровень выходного напряжения ЛЭ определяется уровнями напряжений на входах и характером логической функции.

В качестве примера рассмотрим схему ЛЭ И-НЕ (рис. 3.11), реализованную на многоэмиттерном транзисторе (технология ТТЛ).

Рис. 3.11. Схема логического элемента И-НЕ

Для реализации одной и той же логической функции существует довольно большое число схем логических элементов, изготовленных по различным технологиям.

1 2 3 4 5 6

Рис. 3.12. Условное графическое изображение простейших ЛЭ:

1 – НЕ; 2 – ИЛИ; 3 – И; 4 – ИЛИ-НЕ; 5 – И-НЕ; 6 – исключающее ИЛИ

Поэтому с целью упрощения документации были введены символы, которые обозначают только лишь логическую функцию и не раскрывают внутреннее строение схемы.

В качестве примера на рис 3.12 приведено условное графическое изображение некоторых логических элементов.

Более подробное описание логических элементов их параметров и применений в вычислительной технике приводится в ряде учебников и других учебных пособиях [7, 9].