Исследование переходных процессов в электронном ключе на биполярном транзисторе (110

Утверждено научно–методическим советом физического факультета Воронежского государственного университета 16 февраля 2012 г., протокол № 2

Рецензент канд. физ.-мат. наук, доцент А.Д. Коробова

Учебно-методическое пособие подготовлено на кафедре радиофизики физического факультета Воронежского государственного университета.

Рекомендуется для студентов 4-го курса очной формы обучения.

Для специальности 010801 – Радиофизика и электроника, направления 010800 – Радиофизика

2

I.Теоретическая часть

1.Общие положения и определения

Важнейшими элементами импульсных и цифровых радиоэлектронных устройств являются ключевые схемы, или электронные ключи.

Электронный ключ – это радиоэлектронное устройство, обеспечивающее замыкание и размыкание цепи нагрузки с помощью импульсных электрических сигналов, управляющих работой активного элемента (АЭ).

Электронный ключ называется транзисторным ключом (ТК), если в качестве АЭ используются биполярные или полевые транзисторы.

Далее рассматриваются ключи на биполярном транзисторе (БТ). В зависимости от схемы включения БТ, различают ТК с общей базой (ОБ), с общим коллектором (ОК) или с общим эмиттером (ОЭ). В импульсной технике в большинстве случаев используют включение транзистора по схеме с ОЭ. Далее исследуются ключевые схемы с ОЭ на кремниевом транзисторе p–n–p-типа, т.к. они получили наибольшее распространение.

Схема простейшего электронного ключа на БТ типа n–p–n с общим заземлённым эмиттером приведена на рис. 1. В управляемую коллекторную цепь БТ включена активная нагрузка (резистор) RК, через которую на коллектор БТ (относительно общего провода) подаётся постоянное положительное напряжение EК от источника питания. Если в схеме применяется БТ p–n–p-типа, то на коллектор подаётся отрицательное напряжение. Управляющие импульсы, приводящие к замыканию или размыканию ключа, подаются на базу БТ от генератора управляющего напряжения ЕБ(t) через сопротивление RБ . Генератор напряжения ЕБ(t) представлен на рис. 1 в виде эквивалентной схемы, содержащей последовательно соединенные источник

источника питания. В этом случае ключ находится в закрытом (выключенном) состоянии, а цепь нагрузки разомкнута.

Если же напряжение ЕБ(t) имеет положительную полярность и достаточно велико, чтобы открыть как эмиттерный, так и коллекторный переходы транзистора, то БТ открывается. При этом в цепи нагрузки RК протекает

на p–n-переходах транзистора.

В схемах транзисторного ключа (ТК) используются следующие режимы работы БТ (полярности напряжений указаны для БТ n–p–n-типа).

Режим отсечки. Здесь коллекторный и эмиттерный переходы БТ смещены в обратном направлении. Это значит, что потенциал базы меньше потенциалов коллектора и эмиттера, т.е. напряжение база-коллектор UБК < 0 и напряжение база-эмиттер UБЭ < 0. В режиме отсечки БТ закрыт, а его выходное сопротивление максимально. При этом выходной ток ТК практически равен нулю, через БТ протекает очень малый неуправляемый обратный ток коллектора, составляющий доли микроампер (для БТ малой мощности).

Нормальный активный режим. Здесь коллекторный переход смещён в обратном, а эмиттерный – в прямом направлении, т.е. напряжение ба- за-коллектор UБК < 0, а напряжение база-эмиттер UБЭ > 0. В этом режиме БТ открыт, выходное сопротивление транзистора велик, а через коллектор транзистора протекает выходной (коллекторный) ток IK. Здесь ток коллектора IK управляется током базы IБ , причем IK = β IБ , где β – статический коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ.

4

Режим насыщения, или режим двойной инжекции. Здесь оба пере-

хода смещены в прямом направлении и открыты, так что UБК > 0, UБЭ > 0. В этом режиме БТ открыт, а его выходное сопротивление минимально. При этом выходной ток IK практически определяется напряжением EК источника питания и сопротивлением нагрузки RК, так что IK ≈ EК / RК .

Инверсный режим. Здесь коллекторный переход смещён в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном, так что UБК > 0, UБЭ < 0.

2.Режимы работы простейшего электронного ключа на БТ

Включевых схемах различают статический и динамический режимы.

Встатическом режиме ТК находится в одном из двух устойчивых состояний: в замкнутом («включено»), либо в разомкнутом («выключено»).

Взамкнутом состоянии ключа БТ открыт, сопротивление ключа мало,

ачерез транзистор протекает коллекторный ток IК. Замкнутое состояние ТК характеризуют выходным остаточным напряжением UОСТ. В схеме ОЭ (рис. 1) оно равно разности потенциалов UКЭ между коллектором и эмиттером открытого транзистора. Напряжение UОСТ равно сумме напряжений на переходах коллектор–база и база–эмиттер, а также падения напряжения на сопротивлении пассивной части коллектора, вызываемого током IК.

Вразомкнутом состоянии ключа БТ закрыт, сопротивление ключа ве-

лико, а коллекторный ток IК очень мал. Разомкнутое состояние ТК характеризуют выходным остаточным током IОСТ, протекающим через коллектор закрытого транзистора. В транзисторе n–p–n-типа остаточный ток является неуправляемым обратным током коллектора и возникает за счёт неосновных носителей в коллекторе (дырок). Для кремниевого БТ обратный (остаточный) ток пренебрежимо мал (обычно составляет доли микроампер).

Чем меньше остаточное напряжение UОСТ и остаточный ток IОСТ, тем ключ лучше. Для идеального ключа остаточное напряжение и остаточный ток равны нулю. К идеальному ключу близки металлические контакты, замыкаемые и размыкаемые механически. У механических ключей остаточ-

ный ток определяется качеством (сопротивлением) изолятора, на котором укреплены контакты, и обычно не превышает пикоампера (1 pA = 10–12 A). Остаточное напряжение механических ключей определяется переходным сопротивлением контактов. При токах порядка 1 mA остаточное напряжение механического ключа составляет доли микровольта. По значениям остаточного тока и остаточного напряжения механические ключи значительно превосходят электронные.

Динамический режим ТК – это процесс перехода (переключения) из одного устойчивого состояния в другое, т.е. из замкнутого (открытого) состояния в разомкнутое (закрытое) или наоборот. Динамический режим характеризуют следующими параметрами: длительностью переключения, максимальной частотой переключения, сроком службы ключа. По динами-

5

ческим параметрам механические ключи значительно уступают электронным. Поэтому электронные ключи широко используются в импульсных и цифровых устройствах.

При переходе ТК из одного устойчивого состояния в другое меняют своё положение рабочие точки транзистора.

3.Рабочие точки и статические режимы ключа

Вкаждом из устойчивых состояний на переходах транзистора устанавливаются определённые напряжения, а через электроды транзистора протекают определенные токи. Значения этих токов и напряжений могут быть найдены как координаты т.н. рабочих точек, расположенных на вольтамперных характеристиках (ВАХ) транзистора. Рабочая точка является точкой пересечения соответствующей ВАХ транзистора и линии нагрузки (нагрузочной прямой).

3.1.Построение рабочих точек. Рассмотрим линию нагрузки для коллекторной (управляемой) цепи ТК в схеме рис. 1. Эта цепь содержит

последовательно соединенные сопротивление нагрузки RК и выходную часть БТ между коллектором К и эмиттером Э. Цепь подключена к источнику с напряжением EK и через неё протекает ток IK. Из рис. 1 следует, что

где URК = IК RК – падение напряжения на сопротивлении RК, IК – сила тока через сопротивление RК, UКЭ – падение напряжения между коллектором и эмиттером транзистора, EК - напряжение источника питания. Выражение (1) представляет собой уравнение прямой в координатах (IК, UКЭ). Эту прямую называют линией нагрузки (ЛН) по постоянному току для управляемой коллекторной цепи ТК.

Линия нагрузки (1) может быть построена по двум точкам, которые находят из рассмотрения двух крайних случаев – при IК = 0 (при бесконечно большом сопротивлении между коллектором и эмиттером) и при UКЭ = 0 (при бесконечно малом сопротивлении между коллектором и эмиттером). Из (1) при IК = 0 получаем UКЭ = EК, что соответствует точке A на рис. 3б с координатами (IК, UКЭ) = (0, EК). Аналогично при UКЭ = 0 имеем IК = EК/RК, что соответствует точке D на рис. 3б с координатами (IК, UКЭ) = (EК/RК, 0). Прямая, проходящая через точки А и D на рис. 3б, является линией нагрузки (ЛН) для управляемой коллекторной цепи ТК.

Значения тока IК и напряжения UКЭ при заданных значениях EК и RК являются координатами точки пересечения ЛН (1) и выходной ВАХ транзистора, задающей зависимости IК = f(UКЭ) при IБ = const (рис. 3б). Эта точка называется рабочей точкой управляемой коллекторной цепи ТК.

Линию нагрузки можно построить и для базовой (управляющей) цепи ТК, которая содержит последовательно соединенные сопротивление RБ и

6

входную часть БТ между базой Б и эмиттером Э. Цепь подключена к источнику напряжения EБ , так что через цепь протекает ток IБ. Из рис. 1 имеем

где URБ = IБ RБ – падение напряжения на сопротивлении RБ, IБ – управляющий ток в цепи базы, UБЭ – падение напряжения на переходе база–эмиттер, а EБ – управляющее напряжение, подаваемое на вход ключа. Выражение (2) представляет собой уравнение прямой в координатах (IБ, UБЭ). Эту прямую называют линией нагрузки (ЛН) по постоянному току для управляющей (базовой) цепи ТК.

Линию нагрузки (2) можно построить по двум точкам в системе коор-

динат (IБ, UБЭ), которые находят при IБ = 0 или UБЭ = 0 (рис. 3а). Значения тока IБ и напряжения UБЭ при заданных значениях EБ и RБ являются координа-

тами точки пересечения ЛН (2) и входных ВАХ транзистора, задающих зависимости IБ = f(UБЭ) при IК = const (рис. 3а). Эти точки являются рабочими точками для управляющей базовой цепи ТК.

Рис. 3. Положение рабочих точек ключевой схемы на статических ВАХ БТ

3.2. Статические режимы ТК. Транзистор можно считать практиче-

ски закрытым при условии UБЭ < UОТП, где UОТП – напряжение отпирания эмиттерного перехода (рис. 3а). Чтобы кремниевый БТ работал в микроре-

жиме (при токе 1…10 мкА через p–n-переход), прямое напряжение UБЭ на переходе база–эмиттер должно составлять ≈0.5 В. Для получения нормального токового режима (с током 0.1…1 мА через p–n-переход), прямое напряжение UБЭ должно быть ≈0.7 В. Поэтому кремниевый БТ n–p–n-типа практически закрыт при UБЭ ≤ 0.5…0.6 В, а напряжение отпирания UОТП можно полагать равным 0.7 В.

7

Режим отсечки. Пусть управляющее напряжение равно EБ = EБ0 < UОТП. Тогда эмиттерный переход транзистора закрыт, ток в цепи базы IБ = IБ0 = 0, а напряжение на эмиттерном переходе, согласно (2), равно UБЭ = EБ0. Строго говоря, во входной цепи закрытого БТ всё же протекает ток IБ0 = –IК0, где IК0

– обратный неуправляемый ток коллектора. Однако в кремниевом БТ этот ток мал и не превышает долей микроампера, поэтому им можно пренебречь и полагать, что IК0 = 0 и IБ0 = 0.

Из выражения (1) следует, что при IК = IК0 = 0 напряжение UКЭ на выходе ТК равно UКЭ = EК. Такой режим БТ называют режимом отсечки. Режиму отсечки соответствуют рабочие точки А на рис. 3а и рис. 3б.

Нормальный активный режим. Пусть теперь управляющее напряжение EБ увеличилось до значения EБ = EБ1 > EБ0 , при котором напряжение на эмиттерном переходе UБЭ ≈ UОТП. Это означает, что эмиттерный переход транзистора открывается, а в цепи базы протекает некоторый небольшой управляющий ток IБ. Значение IБ = IБ1 этого тока можно определить из рис. 3а по координате IБ точки 1 пересечения соответствующей линии на-

грузки (ЛН) со входной ВАХ при UБЭ ≈ UОТП . При этом в выходной цепи протекает коллекторный ток IК = IК1, пропорциональный управляющему то-

ку IБ1 и равный IК1 = β IБ1, где β – статический коэффициент передачи тока базы. Вследствие этого напряжение на коллекторе UКЭ уменьшится и будет

равно UКЭ = UКЭ1 < EК (точка 1 на рис. 3б).

Отметим, что ток базы IБ здесь управляет коллекторным током IК.. Это значит, что схема ключа из режима отсечки перешла в нормальный активный режим. Этому режиму соответствуют рабочие точки 1 на рис. 3.

При дальнейшем увеличении напряжения EБ базовый ток IБ экспоненциально возрастает с увеличением напряжения UБЭ (см. рис. 3а). При этом значительное увеличение тока IБ сопровождается почти неизменным

напряжением UБЭ ≈ UОТП на эмиттерном переходе БТ (см. рис. 3а). При этом с ростом IБ коллекторный ток IК продолжает расти, что приводит к увеличе-

нию падения напряжения URК = IК RК на сопротивлении RК. Это приводит, согласно (1), к уменьшению напряжения UКЭ = EК – URК на коллекторе БТ.

Режим насыщения. Пусть при некотором управляющем напряжении EБ = EБ2 > EБ1 и соответствующем базовом токе IБ = IБ2 > IБ1 напряжение UКЭ на коллекторе снижается до напряжения UОТП открывания p–n-перехода. При этом напряжение UКБ на между коллектором и базой БТ будет равно

UКБ = UКЭ – UБЭ ≈ UОТП – UОТП = 0, т.е. обращается в 0. Этому соответствуют рабочие точки 2 на рис. 3.

При ещё больших значениях EБ (например, при EБ = EБ3 > EБ2) и, соответственно, при больших значениях токов IБ и IК, напряжение UКЭ продолжает уменьшаться и становится меньше UОТП. Тогда напряжение UКБ принимает отрицательное значение, т.е. напряжение на переходе базаколлектор становится прямым. В результате коллектор начинает инжекти-

8

ровать в базу неосновные (для базы) носители (это электроны для n–p–n- транзистора), т.е. БТ оказывается в режиме двойной инжекции. Но пока прямое напряжение UБК = –UКБ на переходе база–коллектор удовлетворяет условию UБК < UОТП (UОТП ≈ 0.7 В для кремниевого n–p–n транзистора), то инжекция электронов коллектором остаётся малой и переход закрыт. При этом ток коллектора IK продолжает расти пропорционально току базы IБ. Этому соответствуют рабочие точки 3 на рис. 3.

Когда прямое напряжение UБК достигнет значения UОТП, инжекция электронов коллектором начинает препятствовать дальнейшему росту тока коллектора IК. При дальнейшем росте напряжения EБ ток коллектора IК достигает максимума и остаётся почти неизменным. Такой режим двойной инжекции называется режимом насыщения, а ТК в таком режиме называется насыщенным. Максимальный ток коллектора IК в режиме насыщения называют током насыщения IКН. Напряжение UКЭ на коллекторе транзистора в режиме насыщения называют остаточным напряжением UОСТ.

Режиму насыщения соответствуют рабочие точки В на рис. 3, в которых управляющие напряжение EБ и ток IБ обозначены как EБ+ и IБ+.

Режим насыщения характерен тем, что на обоих переходах БТ (база– эмиттер и база–коллектор) действуют прямые напряжения UБЭ > 0 и UБК > 0. При этом как эмиттер, так и коллектор инжектируют в базу носители (это электроны для транзистора n–p–n-типа) и одновременно каждый из них собирает носители, дошедшие до другого.

В режиме насыщения коллекторный переход не осуществляет полной экстракции (извлечения) носителей из базы, в ней происходит накопление носителей и их интенсивная рекомбинация. Поэтому пропорциональная зависимость между токами IК и IБ в режиме насыщения нарушается.

Критерий насыщения. Ток базы IБ = IБ+, обеспечивающий насыщение, можно найти из уравнения (2), полагая EБ = EБ+, IБ = IБ+ и UБЭ = UОТП :

Ток насыщения коллектора IКН можно найти из уравнения (1), полагая там IК = IКН, UКЭ = UОСТ. Так как на практике UОСТ << EК , то из (1) получаем:

Таким образом, в режиме насыщения токи ТК определяются параметрами внешних цепей: EБ, RБ и EК, RК . Поэтому при расчёте ключа токи IБ+ (3) и IКН (4) можно считать известными (заданными).

Если токи IБ+ и IКН заданы, то используют токовый критерий насыщения. Именно, считают, что ТК находится в режиме насыщения, если

где β – статический коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ. Смысл критерия насыщения (5) состоит в том, что ток базы IБ+ должен превышать значение, при котором коллекторный ток IК становится равен IКН.

Неравенство (5) должно быть достаточно сильным (выполняться с запасом), чтобы неизбежные изменения входящих в него величин не приводили к нарушению (5) и выходу ключа из режима насыщения. Силу неравенства (5) характеризуют степенью насыщения S, которая равна

Значение S = 1 соответствует границе между режимом насыщения и нормальным активным режимом. На рис. 3б в точке B степень насыщения S ≈ 2.

4. Переходные процессы в ключе на БТ

Переходные процессы в ТК происходят при его переключении из од-