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

2. Найдите для температур 20 и 60°С максимальное значение /?б, при котором обеспечивается запертое состояние транзис­ тора в схеме рис. 1.14, а, если Е0 = 1 В, / к0 =3 мкА.

3. Найдите сопротивление R0 для схемы рис. 1.16, при кото­ ром транзистор находится в режиме насыщения и имеет 5 = 2, если RK= 1 кОм, ДК= 10В, [3=30, Дб = 2 В. Входным сопро­ тивлением транзистора пренебречь.

4. Найдите напряжение на коллекторе разомкнутого ключа для температуры 20, 60, 80°С, если Дк = 10 В, Дк = 1 кОм, 10 кОм, / л0= З м кА .'

§ 1.5. АМПЛИТУДА ВЫХОДНОГО И ВХОДНОГО ИМПУЛЬСОВ НАСЫЩЕННОГО ТРАНЗИСТОРНОГО КЛЮЧА

Наиболее часто используются транзисторные насыщенные ключи, замкнутое состояние которых соответствует насыщен­ ному режиму транзистора.

Достоинствами насыщенного ключа являются большая ам­ плитуда и хорошая форма выходного импульса, так как рабо­ чая точка в открытом состоянии четко фиксируется (находится в точке В характеристики — рис. 1.12, б).

Найдем амплитуду выходного импульса U K.эт транзистор­ ного ключа (рис. 1.10, рис. 1.11) при условии, что в открытом состоянии рабочая точка находится в точке В (рис. 1.12,6).

Амплитуда UK.эт определяется перепадом напряжения на коллекторе при переходе рабочей точки из точки А в точку В (или наоборот):

то амплитуда выходного импульса насыщенного ключа близка к э.д.с. источника Ек.

Как видно из соотношения (1.27), амплитуда выходного импульса снижается с ростом / к0, а следовательно, с ростом температуры. Для улучшения температурной стабильности ам­ плитуды выходного импульса уменьшают сопротивление на­ грузки RK. Однако при уменьшении RK увеличиваются токи коллектора насыщенного транзистора и мощность, потребляе­ мая резистором /?к в замкнутом состоянии ключа:

51

Найдем амплитуду входного импульса, который подается для изменения состояния ключа, т. е. для перехода транзисто­ ра из запертого состояния в насыщенное или наоборот.

Рассмотрим сначала схему рис. 1.10.

В открытом состоянии ключа, т. е. при подаче отрицатель­ ного входного импульса, ток базы равен разности двух токов — тока входного сигнала /11Х и тока источника смещения і,,,:

'& = *вх — Ісм •

Ток базы должен быть достаточным для перевода транзис­ тора в режим насыщения:

Вторым членом в скобках иногда можно пренебречь, при этом получим

и а ^R y (і.:зо)

Рассмотрим теперь схему рис. 1.11,«. Эквивалентная схе­ ма этого ключа при подаче входного импульса изображена на рис. 1.21. Условием запирания транзистора является сле­

дующее: иб.э > 0 .

Во входной цепи ключа протекают два тока — ток входно­ го источника

и обратный ток запертого транзистора / к0, который протекает за счет коллекторного источника через параллельно соединен­ ные резисторы R! и R6.

52

Потенциал ііо.э на основании теоремы наложения является разностью потенциалов, создаваемых этими токами:

Q l

Решая это неравенство относительно £/ВХ/п, получим

Вторым членом в этом неравенстве можно пренебречь. При этом получим соотношение

Если отдельный источник смещения отсутствует и его роль выполняет коллекторный источник (см. рис. 1.11,6), амплиту­ ду входного импульса можно определить из соотношения

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1.Найдите амплитуду выходного импульса транзисторного

53

2. Найдите амплитуду входного импульса для схемы рис. 1.10,

§1.6. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ

ВТРАНЗИСТОРНОМ КЛЮЧЕ

1.Применение метода заряда для расчета переходных процессов в транзисторном ключе

Основными причинами, ограничивающими быстродействие транзисторного ключа, является инерционность процессов на­ копления и рассасывания заряда неосновных носителей в базе (время переноса носителей) и инерционность процессов пере­ заряда емкостей р—я переходов.

Используем для анализа переходных процессов в транзис­ торном ключе метод заряда. Метод заряда основан на исполь­ зовании соотношений, связывающих токи базы и коллектора с зарядом неосновных носителей, накопленных в базе. Прибли­ женно принимается, что ток коллектора в активном режиме ли­ нейно связан с накопленным зарядом

Ток базы в транзисторе для активного режима и режима насыщения выражается следующим соотношением:

dQ

(1.35)

,б “ ~ d t

где

_dQ_ — ток базы, вызываемый изменением накопленного за­ dt

ряда неосновных носителей в базовой области;

Q— ток базы, вызванный рекомбинацией носителей в ба­ зовой области;

54

t 3— постоянная времени нарастания заряда в схеме с об­

щим эмиттером, равная времени жизни неосновных носителей в базе.

Для бездрейфового транзистора

Для равновесного состояния, когда производные по време­ ни равны нулю, получим:

Таким образом, линейная зависимость между током базы и накопленнным зарядом справедлива только в равновесном со­ стоянии в режиме насыщения и активном режиме.

Для границы режима насыщения

ключа можно трактовать как отношение заряда, накопленного в базе в режиме насыщения, к заряду в базе на границе режи­ ма насыщения.

Рассмотрим переходные процессы в транзисторном ключе при скачке тока' базы и пренебрежении емкостными токами.

Пусть в момент 7 = 0 ток базы изменяется скачком от /б0 до 1М на величину А/б = /б1 — /б0 (рис. 1.22).

Заряд, накопленный в базе в соответствии с уравнением (1.37), должен измениться за время переходного процесса от Q{) = /б() г, до О»« = /б1 Тр (рис. 1.22). Следовательно,

Изменение заряда во времени при 7>0 (і6 = /б1) можно найти, решая уравнение (1.35). Уравнение заряда (1.35) в этом случае для /> 0 можно записать в виде

55

или

dQ

Уравнение (1.40) соответствует уравнению (1), анализ ко­ торого проведен в § 3 введения. Из этого анализа следует, что

Рис. 1.22

переходный процесс изменения заряда, описываемый уравне­ нием (1.41), будет происходить по экспоненте с постоянной вре­ мени (рис. 1.22):

56

Из уравнения (1.43) следует, что при изменении скачком то­ ка базы ток коллектора будет изменяться по экспоненте с той же постоянной времени, что и накопленный в базе заряд. Это соотношение справедливо для активного режима. Поэтому при достижении током коллектора насыщения возрастание /к. пре­ кращается (рис. 1.22).

Формула длительности временного интервала переходного процесса tn, в течение которого заряд в базе достигает неко­ торого заданного значения Qn, может быть получена анало­ гично формуле (10):

tn= 1п qI-

2. Переходные процессы при замыкании транзисторного ключа

Рассмотрим процессы замыкания ключа (см. рис. 1.10) при подаче входного импульса.

Процесс замыкания транзисторного ключа можно разде­ лить на два этапа — формирование фронта выходного импуль­ са и накопление избыточного заряда (рис. 1.23).

Формирование фронта При анализе будем пренебре­

гать токами запертого транзистора, полагая /б0 — 0, /к0 = 0, т. е. считать, что ток базы в момент отпирания транзистора из­ меняется скачком от нуля до

61 “ Я, Яб - я ,

В процессе формирования фронта рабочая точка находится в активной области характеристик, перемещаясь из точки А в точку В (рнс. 1.12,6). При этом коллекторный ток и накоплен­ ный в базе заряд меняются по экспоненциальному закону. Пе-

57

Процесс возрастания коллекторного тока прекратится при t = /+, так как рабочая точка перейдет в режим насыщения и

линейность зависимости между зарядом и током коллектора нарушится.

Длительность фронта выходного импульса, таким образом, можно определить как длительность изменения накопленного в базе заряда от нуля до Qrp = /д.н (рис. 1.23).

Подставив в формулу (1.45) соотношения:

растет быстрее, чем числитель, и величина дроби уменьшает­ ся. Уменьшение с увеличением коэффициента s объясня­

ется нарастанием скорости изменения заряда и тока коллекто­ ра при увеличении тока базы Ли (см. формулу (1.46).

Накопление избыточного заряда. В течение промежутка времени от ^ до іг токи в транзисторе остаются постоянными, но продолжается накапливание заряда в базе, т. е. увеличение концентрации неосновных носителей. В момент /3 процесс на­ копления заряда практически прекратится и заряд достигнет установившегося значения Q«..

59

Для упрощения расчета предполагается, что время жизни носителей в активном режиме х, и режиме насыщения хн

одинаковы. (В действительности хн = (0,5 0,9) х, и зависит

о: соотношения площадей эмиттера и коллектора.)

При таком предположении формула для определения уста­

/з - Q = 3 X, .

3, Переходные процессы при размыкании транзисторного ключа

Переходные процессы при размыкании транзисторного ключа (см. рис. 1.10) при прекращении входного импульса в момент /4 (рис. 1.23) можно разделить на два этапа — расса­ сывание избыточного заряда и спадание коллекторного тока.

Рассасывание избыточного заряда. Временем рассасывания tv называется длительность процесса уменьшения заряда, на­ копленного в базе от установившейся величины Q0 до заряда Qrp, соответствующего выходу транзистора из режима насы­ щения в активный режим. В течение процесса рассасывания избыточного заряда ток коллектора остается постоянным и равным току насыщения. Эмиттерный переход при этом имеет прямое смещение, которое создается полем, образуемым при уходе накопленных дырок из базы в коллектор. Поэтому в це­ пи базы протекает выключающий ток

Этот ток приближенно можно считать постоянным в процессе запирания ключа.

Длительность времени рассасывания может быть определе­ на по формуле (1.44) с учетом соотношений (отсчет вре­ мени от точки tPj:

60