книги из ГПНТБ / Кузьмич, В. И. Основы импульсной техники учебник

транзисторе прекращаются, напряжение на выходе становится раиным напряжению источника. После прекращения входного импульса ключ приходит в исходное состояние. Таким обра­ зом, при подаче на вход положительного импульса на выходе образуется отрицательный импульс.

Очень часто отдельный источник в цепи базы отсутствует и открывание транзистора в исходном состоянии обеспечивает­ ся подключением базы через резистор R6 к коллекторному ис­ точнику (рис. 1.11,6).

Рассмотрев работу двух вариантов транзисторных ключей, видим, что они имеют два статических состояния —• запертое и открытое. Переход схемы из одного статического состояния и другое происходит не скачком, а в течение некоторого проме­ жутка времени, определяемого длительностью переходных процессов в транзисторе и в схеме.

В последующих параграфах подробно рассмотрены стати­ ческие состояния и переходные процессы в транзисторном ключе.

§І.4. СОСТОЯНИЯ РАВНОВЕСИЯ

ГРА Н 3 И СТОІ> Н ОГО К .ИК)Ч А

'.Рабочие области статических характеристик

транзисторного ключа

В транзисторном ключе, представленном на рис. 1.12, н, име­ ются только постоянные источники питания. Поэтому токи г. этом ключе не зависят от времени. Следовательно, транзистор­ ный ключ, собранный по этой схеме, находится в состоянии равновесия. За положительные направления токов примем на­ правления токов открытого транзистора.

Па рис. 1.12,6 приведено семейство статических выходных характеристик транзистора для схемы с общим эмиттером. В качестве параметра при снятии выходной характеристики тран­ зистора выбирается входной ток. Положение рабочей точки транзисторного ключа на семействе характеристик определя­ ется пересечением линии нагрузки с характеристикой; снятой при заданном токе базы. Нагрузочная прямая аналитически описывается уравнением Кирхгофа для выходной цепи:

Построение нагрузочной прямой аналогично построению на­ грузочной прямой лампового каскада.

” При работе транзисторного ключа различают три режима работы схемы в зависимости от положения рабочей точки на семействе характеристик:

41

IKo Qk

І-'ис. 1.12

I — режим отсечки коллекторного тока;

II — активный режим, при котором транзистор обладает усилительными свойствами, а рабочая точка находится в ак­ тивной области характеристик;

III — режим насыщения коллекторного тока.

Разомкнутое состояние транзисторного ключа соответствует режиму отсечки коллекторного тока (точка А па семействе характеристик). Через входную и выходную цепи транзистора протекают очень малые токи.

При открывании транзистора ключ может находиться в ак­ тивном или насыщенном режимах. Активный режим транзис­ торного ключа соответствует положению рабочей точки между точками А и В. 3 этом режиме изменение тока базы вызывает изменение тока коллектора и перемещение рабочей точки по нагрузочной прямой, и транзистор ведет себя как усилитель­ ный элемент. В режиме насыщения коллекторного тока (точка В на семействе характеристик) изменение тока базы выше /б.» не изменяет коллекторного тока и положения рабочей точки.

Проанализируем транзисторный ключ в состоянии равнове­ сия при нахождении рабочей точки в каждой из трех областей статических характеристик.

2. Запертое состояние транзисторного ключа (режим отсечки коллекторного тока)

На рис. 1.13 приведены начальные участки зависимостей токов транзистора от входного напряжения иъ.э при постоян­ ном напряжении на коллекторе ик.ъ = const,

- Условием запирания транзистора, т. е. его перехода в ре­ жим отсечки, обычно считают условие /э<0, т. е. условие

«б.э > Вб0 (рис. 1.13).

Так как £ 6п мало и составляет 0,1—0,2 В, условием запирания приближенно можно считать условие

В запертом состоянии эмиттерный и коллекторный переходы имеют обратное смещение.

— В режиме отсечки коллекторного тока в транзисторе про­ текают обратные токи (токи запертого транзистора), направ­ ление которых показано на рис. 1.14. Обратный ток базы опре­ деляется концентрацией неосновных носителей (дырок) в ба-

43

зоной области и равен тепловому току одиночного коллектор­ ного перехода / к0. Так как за положительное направление тока

принят ток открытого транзистора, ток базы запертого тран­ зистора следует считать отрицательным:

Этот ток равен сумме коллекторного п эмиттерпого токов за­ пертого транзистора:

Со — Со л- Со •

Соотношение токов /к0 и /90 определяется соотношением пло­ щадей переходов. Так как обычно 5 Э< 5 К, то можно прибли­ женно считать, что

44

Так как токи запертого транзистора очень мало зависят от приложенных напряжений, запертый транзистор на эквива­ лентной схеме можно представить в виде генераторов тока

{рис. 1.15).

і\0

Обратный ток запертого транзистора /к0 имеет очень ма­ лую величину (несколько микроампер для германиевых, де­ сятые доли микроампера для кремниевых маломощных тран­ зисторов). Однако этот ток экспоненциально растет с ростом температуры:

дя

/'к п = /к » е кТ . П-15)

где

/ к п — обратный ток при температуре 20°С; АЕ — ширина запрещенной зоны полупроводника;

k— постоянная Больцмана;

Т— абсолютная температура.

Для германиевых транзисторов эта зависимость аппрокси­ мируется формулой

- 2'Г С

Из этой формулы видно, что при изменении температуры на 10° обратный ток изменяется в два раза.

Рассмотрим условие запирания транзистора в транзистор­ ном ключе (рис. 1.14). По закону Кирхгофа для входной цепи

45

Условием запирания является

Э го условие можно записать следующим образом:

(1.17)

КО

Это соотношение означает, что прохождение обратною тока транзистора через R6 может привести к отпиранию транзисто­ ра (/к0 создается за счет коллекторного источника). В форму­ лу (1.17) следует подставлять ток / ' к„ при максимальной ра­ бочей температуре.

Из рассмотрения разомкнутого ключа видно, что полного запирания транзистора и разрыва цепи нагрузки не происхо­

?:. Открытое состояние ненасыщенного ключа

(активный режим работы транзистора)

Активному режиму работы транзистора соответствует на­ хождение рабочей точки в промежутке А —В на нагрузочной характеристике (см. рис. 1.12,6).

~ Этот режим работы транзистора характеризуется тем, что эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллек­

транзистора, приведена на рис. 1.16.

Ток базы транзистора в этой схеме равен

где гвх — входное сопротивление транзистора.

Для того чтобы рабочая точка находилась в активной об­ ласти характеристик, необходимо, чтобы ток базы был меньше тока базы насыщения, при котором рабочая точка достигает точки В.

~ В этом режиме происходит инжекция дырок из эмиттера в базу и движение их через базу в сторону коллектора за счет диффузии. Распределение инжектированных носителей в базе

46

в активном режиме показано на рис. 1.17. Особенностью ак­ тивного режима является то, что все дошедшие до коллектор­ ного р—п перехода дырки вытягиваются полем перехода и ухо­ дят в коллектор, создавая его ток. Поэтому концентрация ды­ рок в базе у коллектора при x — w равна нулю. При изменении входного тока изменяется число инжектированных в базу эмиттером дырок, а значит и ток коллектора.'Распределение дырок 1 на рис. 1.17 соответствует большему току базы, чем распределение 2.

В активном режиме транзистора выходной ток почти ли­ нейно зависит от входного тока. Зависимость между током ба­ зы и током коллектора транзистора, работающего в активной области, приближенно определяется формулой

цепь не будет разомкнута полностью. В ней в соответствии с формулой (1.19) будет протекать ток

По мере увеличения тока базы ток коллектора возрастает в соответствии с уравнением (1.18), а падение напряжения «к э хмецьщаетец;

■17

зящим и не все дырки, инжектированные в базу, переходят в коллектор. Все напряжение коллекторного источника практи­ чески падает на нагрузочном резисторе. Падение напряжения на коллекторе в насыщенном режиме UK,э.н очень мало и со­ ставляет не более 0,1—0,2 В. При этом выполняется соотноше­ ние

Величина коллекторного тока в режиме насыщения

Ввиду малого остаточного напряжения мощность, рассеи­ ваемая транзистором в режиме насыщения, мала даже при больших токах.

Степень (глубина) насыщения транзистора характеризует­ ся отношением тока базы в режиме насыщения к граничному

значению тока базы, при котором рабочая точка переходит в точку В:

С

(1.23)

Л>.II

Условием насыщенною состояния транзистора, таким об­ разом, является условие

Так как рабочая точка В одновременно относится к облас­ ти насыщения и к границе активной области, то для нее спра­

ведливо соотношение (1.19), полученное для активного режи­ ма. Из этого соотношения при

получим

(1.25)

С учетом соотношений (1.21), (1.23), (125) получим фор­ мулу для тока базы в режиме насыщения:

Так как в режиме насыщения ток коллектора нс зависит от тока базы, транзистор в режиме насыщения можно считать пассивным неуправляемым элементом, падение напряжения на котором практически равно нулю. Поэтому насыщенный тран­ зистор часто изображают потенциальной точкой (рис. 1.20).

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1.Найдите потенциал базы относительно эмиттера в схеме

50