3. Транзисторные ключи

Транзисторный ключ это электронный ключ, в качестве коммутирующего элемента в котором используется транзистор.

Назначение транзисторных ключей.

Транзисторные ключи предназначены для коммутации цепей нагрузки.

Классификация транзисторных ключей.

Транзисторные ключи классифицируются по следующим основным признакам:

1. По виду нелинейного элемента.

• транзисторные ключи на биполярных транзисторах;

• транзисторные ключи на полевых транзисторах.

2. По схеме включения (для схем транзисторных ключей на биполярных транзисторах).

• схемы транзисторных ключей с общим эмиттером;

• схемы транзисторных ключей с общим коллектором;

• схемы транзисторных ключей с общей базой;

• схемы транзисторных ключей ключ-звезда.

1. По состоянию транзистора в открытом состоянии.

• насыщенный (схемы транзисторных ключей с внешним смещением; схемы транзисторных ключей с ускоряющим конденсатором).

• ненасыщенный (схемы транзисторных ключей с диодной фиксацией (нелинейной отрицательной обратной связью).

2. По включению сопротивления нагрузки в цепь транзисторного ключа.

• последовательные схемы транзисторных ключей.

• параллельные схемы транзисторных ключей.

Устройство транзисторных ключей.

Рассмотрим типовые схемы транзисторных ключей.

Рис. 14

Транзисторный ключ состоит из коммутирующего прибора, нагрузки, источника питания. Иногда коммутирующий элемент и нагрузка могут меняться местами.

Принцип действия транзисторных ключей.

Транзистор работает в ключевом режиме (режим большого сигнала), и может находиться в двух устойчивых состояниях:

0. закрытом состоянии, (режиме отсечки);

1. открытом состоянии.(режиме насыщения).

Активный режим имеет место при переходе из одного статического режима в другой.

Рассмотрим работу различных схем транзисторных ключей более подробно.

Схемы транзисторных ключей:

Как говорилось выше, транзистор работает в режиме большого сигнала, (т.е. ключевом режиме). При этом он может находиться в двух устойчивых состояниях:

0. закрытом (режиме отсечки);

1. открытом (режиме насыщения).

Активный режим, характерный для работы транзистора в усилительном каскаде, имеет место при переходе из одного устойчивого (статического) состояния в другое.

Работа транзисторного ключа в схеме с общим эмиттером.

Рассмотрим работу транзисторного ключа в схеме с общим эмиттером без источника внешнего смещения.

Схема такого транзисторного ключа имеет вид:

Рис. 15

Здесь

R_б - резистор, устанавливающий пределы изменения входного тока базы I_б при заданных пределах изменения входного напряжения U_б,

R_к - резистор, ограничивающий ток коллектора открытого транзистора.

Данная схема работает в следующих основных режимах:

1. Режим отсечки.

1. Режим насыщения.

2. Переходный процесс выключения и включения (активный режим).

Рис. 16

Режим отсечки.

Возникает при отрицательном напряжении входа U₁, в случае, если оно обеспечивает запирание электронно-дырочного перехода, т.е. оба p-n перехода включены в обратном направ­лении.

При этом, ток базы равен обратному току коллектора (току неосновных носителей зарядов), т.е. I_б=I_ко.

Условием отсечки является:

U_бэ≤U_пор

где:

U_пор=-U₁+I_коR_б (≤0,2 В для германия, ≤0,6 В для кремния).

В режиме отсечки выходное напряжение определяется из формулы:

U₂=Е_к-I_коR_нЕ_к (т.к. I_ко0).

Режим насыщения.

Возникает при положительном напряжении входа U₁, в случае, если создаваемый им ток базы больше или равен току базы насыщения, т.е. I_б I_бнас.

Вспомнив выражение, что I_кнас≥I_б, можно получить условие насыщения. При этом, величина тока базы насыщения I_бнас определяется через ток коллектора насыщения I_кнас и коэффициент передачи тока базы в режиме большого сигнала (В). Т.е.

I_бнас (I_кнас/В)=(Е/R_кВ).

При таком токе базы насыщения транзистор работает на границе режимов насыщения и активном. В случае, если ток базы больше тока базы насыщения I_б>I_бнас происходит накапливание неосновных носителей зарядов в базе, так как ток коллектора I_к не может быть больше тока коллектора насыщения I_кнас.

При насыщении

I_к=I_кнЕ/R_н,

а

U_кэ=Е-I_кнR_н,

причем U_кэ стремится к нулю.

Оба p-n перехода находятся в открытом состоянии:

0. эмиттерный переход за счет положительного входного сигнала U₁;

1. коллекторный переход за счет большого тока коллектора, уменьшающего U_кн до величины U_кн<U_бн. U_кн0,050,1 В.

Переходный процесс включения и выключения (активный режим).

При подаче на вход транзисторного ключа коротких импульсов прямоугольной формы ключ включается и выключается не мгновенно, а за конечные промежутки времени. Происходит искажение формы импульса тока коллектора I_к и увеличение его длительности.

Рассмотрим подробно работу транзисторного ключа в переходном процессе выключения и включения.

Временная диаграмма работы ТК имеет вид представленный на Рис. 17.

Переходные процессы в транзисторном ключе делятся на:

0. переходные процессы включения;

1. переходные процессы выключения.

Переходные процессы включения.

Переходные процессы включения протекают в 3 этапа.

Задержка включения (t_звкл):

Происходит за счет изменения заряда барьерных емкостей эмиттерного перехода и коллекторного перехода при протекании тока базы. При этом транзистор переходит из области отсечки в активную область. (Эмиттерный переход открыт, коллекторный переход закрыт).

Формирование фронта (t_ф):

Данный этап характеризуется длительностью фронта t_ф. Транзистор находится в активной области. В базе растет заряд неосновных носителей заряда. Транзистор переходит в насыщенное состояние. Длительность данного этапа зависит от времени распространения носителей зарядов от эмиттера через базу к коллектору. Так же зависит от величины емкости коллектора С_к.

Рис. 17

Накопление избыточного заряда:

Транзистор находится в режиме насыщения. Эмиттерный переход и коллекторный переход смещены в прямом направлении. Величина заряда неосновных носителей заряда в базе достигает стационарного значения. На данный этап обращают внимание, т.к. он имеет значение для процесса выключения транзисторного ключа.

Переходные процессы выключения транзисторного ключа.

Переходные процессы выключения транзисторного ключа можно разделить на два этапа.

Рассасывание избыточного заряда (задержка выключения).

Характеризуется временем рассасывания - t_р. Избыточный заряд в базе рассасывается до граничного значения. Но транзистор по прежнему остается в режиме насыщения.

Спад импульса.

Характеризуется длительностью спада - t_c.

Заряд рассасывается от граничного значения до нуля. Транзистор последовательно переходит из области насыщения в активную область и далее, когда заряд равен нулю в области отсечки.

Таким образом,

t_вкл=t_з+t_ф

t_выкл=t_р+t_c.

В приведенных выражениях значительную роль играет время рассасывания t_р, которое составляет 10100 нс.

Время выключения транзисторного ключа больше времени включения, (t_выкл>t_вкл), так как оно связано с насыщением транзистора.

В быстродействующих транзисторных ключах транзисторы удерживают от насыщения. Такие транзисторные ключи называют ненасыщенными.

Выше рассмотрена схема транзисторного ключа с общим эмиттером управляемый двухполярными импульсами. Такое управление не всегда удобно. Поэтому на практике, как правило, используют транзисторные ключи с внешним смещением.

Транзисторный ключ с ускоряющим конденсатором (с форсирующей емкостью).

Рис. 18

В данной схеме происходит уменьшение тока базы I_б после того как транзисторный ключ вышел в режим насыщения.

Рассмотрим временную диаграмму отражающую работу такой схемы:

Рис. 19

При включении транзисторного ключа в момент времени t₁ ток базы течет через резистор R_б1, разряженный конденсатор С, который шунтирует R_б2 (т.е. ток базы I_б ограничивается с помощью сопротивления R_б1). Т.к. ток базы I_б велик, то длительность фронта t_ф уменьшается. После заряда конденсатора (момент времени t₂ на временной диаграмме) ток базы уменьшается за счет его ограничения общим сопротивлением R_б=R_б1+R_б2. При выключении транзисторного ключа напряжение заряженного конденсатора ускоряет выключение транзистора за счет приложенного отрицательного потенциала к базе полупроводникового прибора (момент времени t₃ на временной диаграмме). Следовательно, уменьшается время задержки включения t_з и время (длительность) спада импульса t_c. Следовательно, уменьшается и время выключения транзисторного ключа в целом. Таким образом, уменьшается длительность фронта, и получается крутой фронт.

Другим способом повысить быстродействие транзисторного ключа является уменьшение времени рассасывания. С этой целью коллекторный переход не вводят в режим насыщения за счет подключения диода и осуществления нелинейной отрицательной обратной связи.

Транзисторный ключ с нелинейной отрицательной обратной связью.

Рис. 20

Задержку выключения можно устранить полностью, если избежать насыщения транзистора.

Для этого коллектор транзистора (например, n-p-n структуры) должен иметь положительный потенциал, т.е. U_кб>0.

С этой целью в схему транзисторного ключа включают диод VD, и за счёт этого реализуют нелинейную отрицательную обратную связь.

В исходном состоянии, при отсутствии положительных управляющих импульсов транзистор и диод заперты и отрицательная обратная связь отсутствует.

С поступлением положительного импульса +U_m транзистор отпирается ток коллектора i_к нарастает, а потенциал коллектора уменьшается. При этом через резисторы R_б1^’ R_б1^’’ проходит одинаковый ток базы

i_б^’= i_б^’’=I_б1.

Анод диода имеет положительный потенциал относительно базы транзистора (см. рисунок).

Когда в процессе включения напряжение коллектор - база станет меньше обратного напряжения на диоде U_кб<U_обрVD, диод откроется. После этого, если считать, что прямое напряжение на диоде примерно равно нулю

U_кб= U_б1^’’= i_б^’’R _б1^’’>0.

Реально же, прямое напряжение на диоде не равно нулю. Тем не менее, при правильно выбранных элементах схемы напряжение коллектор - база транзистора положительно. Транзистор при этом находится на границе режима насыщения и активного режима, а транзисторный ключ в не насыщенном состоянии.

После отпирания диода VD часть тока базы i_б ответвляется на него и ток i_б равен току базы в стационарном состоянии.

При микроминиатюризации (в микросхемах) при исполнении транзисторных ключей нелинейную отрицательную обратную связь реализуют с помощью диода Шоттки.

Рис. 21

Единую интегральную структуру транзистор - диод Шоттки называют транзистором Шоттки.

При применении диода Шоттки отпадает необходимость во втором источнике смещения на базе транзистора.

Таким образом, в рассмотренной схеме диод VD обеспечивает положительный потенциал на коллекторе относительно базы, т.е. коллекторный переход включен в обратном направлении. При этом транзисторный ключ в режим насыщения не переходит. В результате исключается процесс рассасывания носителей заряда t_рас.

Транзисторные ключи могут исполнятся так же и на полевых транзисторах.

Параметры транзисторных ключей.

1. Быстродействие - определяется временем включения и временем выключения транзисторного ключа, т.е. временем его переключения.

1. Пороговое напряжение - значение входного напряжения при котором сопротивление транзисторного ключа резко меняется.

2. Помехоустойчивость - максимальная величина входного напряжения, при котором транзисторный ключ еще не срабатывает.

3. Сопротивление во включенном и выключенном состоянии.

4. Остаточное напряжение на транзисторе.

Применение транзисторных ключей

Транзисторный ключ является основным элементом более сложных схем и устройств импульсной техники:

• усилителей-формирователей;

• триггеров;

• мультивибраторов;

• блокинг-генераторов и т.п.

Таким образом, вся цифровая микроэлектроника построена на основе транзисторных ключей.