книги из ГПНТБ / Дьяконов В.П. Лавинные транзисторы и их применение в импульсных устройствах

ти'влетшем Ri; ііл.іі R-b при 'которых .положение 'рабочей

точки удовлетворяет условиям нестабильности и 'макси­ мально допустимой мощности рассеяния. Снизу это зна­ чение тока ограничено током І'к, соответствующим мак­ симуму ВАХ но «аіпіряженшо U'^ и обычно не превышаю­

щим нескольких десятков микроампер. Максимальный зарядный ток не должен превышать нескольких 'милли­ ампер, так как .при большем токе рассеиваемая мощ­ ность превышает допустимую (значения тока указаны дл-я маломощных транзисторов,имеющих Ядоп^ІбО мВт).

Ври уменьшении Ек до величины > £„> £/g гене­

раторы начинают работать в ждущем режиме. Однако ів этом случае удобнее использовать схему с запираю­ щим источником напряжения в цепи базы (рис. 2.6), ко­ торая может работать и в автоколебательном режиме, если выполняется условие, обратное (2.43). Если усло­ вие (4.24) не выполняется, то включенное состояние лавинного транзистора в схеме рис. 2.6 будет стабиль­ ным, что соответствует режиму работы генератора как устройства временной задержки. В этом случае при по­ даче запирающего импульса лавинный транзистор за­ крывается и конденсатор С начинает заряжаться. Спустя некоторое время задержки t3 напряжение на конденса­ торе достигает уровня U M , лавинный транзистор

включается, конденсатор разряжается и устройство при­ ходит в стабильное исходное состояние.

Учитывая экспоненциальный характер напряжения на конденсаторе, во всех описанных схемах время восста­ новления, соответствующее закрытому состоянию лавин­

метры импульсов и их форму рассчитать по формулам, приведенным в § 2.3. Проведенный в нем анализ фор­ мы разрядных импульсов справедлив для любой схемы релаксационного генератора на лавинном транзисторе, использующей конденсатор в качестве накопителя энергии.

Важным моментом при проектировании релаксацион­ ных генераторов на лавинных транзисторах является расчет средней мощности, рассеиваемой на транзисторе и нагрузке. Найдем эту мощность для наиболее общего

120

случая ждущего режима работы схемы рис. 2.6. Средняя величина ее определяется усреднением за период следо­ вания запускающих импульсов Т3 следующих составляю­ щих рассеиваемой мощности: мощности Р1Ърассеиваемой в исходном состоянии, мощности Рс рассеиваемой при разряде конденсатора до конечного напряжения иск, мощности Р3, рассеиваемой на этапе задержки восста­ новления, мощности Ра, рассеиваемой на этапе восста­ новления. Таким образом,

очень малый ток. Поэтому можно пренебречь и состав­ ляющей мощности Рв~ 0 . Таким образом,

Поскольку разряд конденсатора происходит очень быст­ ро, можно считать, что

Мощность, рассеиваемая на транзисторе за счет разря­ дов конденсатора, равна

разряде конденсатора. Подставляя (4.29) и (4.32) в (4.27), получаем

С учетом эквивалентной схемы релаксационного генера­

121

Из уравнений (4.33) и (4.36) можно сделать ряд по­ лезных выводов. В частности, видно, что при определен­ ных условиях Р? уменьшается при росте частоты запус­ кающих импульсов. Это может иметь место в том слу­ чае, если Ек> им и генератор работает в ждущем режи­ ме. Для подобного случая необходимо, чтобы выполня­ лось условие

что возможно, если R,э мало в сравнении с Rn. Так как R TB в соответствии с (4.35) зависит от емкости конден­ сатора С, то очевидно, что этот случай будет наблюдать­ ся в основном при больших С, когда R,а мало.

Если ждущий режим обеспечивается снижением Ек до уровня EK< U M, то Я0~ 0 (при EK< U M формула (4.31) теряет смысл) и общее уравнение (4.36) упрощается:

р X= т с, = т т (ек- иску /2 (рТЭ+ р н). (4.зв)

В этом случае мощность определяется только составляю­ щей мощности, обусловленной разрядом конденсатора, и пропорциональна /3. Формула (4.38) сохраняет силу и при работе генератора в автоколебательном режиме. Очевидно, что при этом

Из уравнения (4.40) можно сделать вывод, что ^та В ЗВ - токолебательном режиме (схемы рис. 4.3) зависит от емкости разряжаемого конденсатора, так как R?э зави­ сит от С. При малых С-»-0 Ятэ->-оо и

122

При большой величине С-^оо /?T3-W?T и

Ргя^ Р тат1п = К ( и ^ ~ и Ску т т+ К ) 2 Я к InЕ—~ ~ У . (4.42) *-К

Для расчета мощности, рассеиваемой лавинным тран­ зистором, удобно использовать обобщенные зависимо­ сти рассеиваемой мощности от емкости конденсатора С в автоколебательном режиме и от частоты повторения импульсов /з в ждущем режиме работы. Используя вы­ ражения (4.35), (4.40) и (4.41) для первой зависимости, получаем

(ß-rH" эффIC)

Из рис. 4.4 видно, что при уменьшении емкости С мощ­ ность Рга может значительно возрастать, что ограничи-

Рис. 4.4. Зависимость рассеиваемой на транзисторе мощности в автоколеба­ тельном режиме работы от емкости разряжаемого конденсатора (а) и в жду­ щем режиме от частоты запуска (б).

вает возможности увеличения частоты релаксационных колебаний.

Для ждущего режима работы из (4.33) можно по­ лучить

123

Зависимость Рт/Р0 от У /зт и для различных значений Рта/Ро приведена на рис. 4.4,6.

Большая мощность, рассеиваемая транзистором ос­ новной схемы в исходном состоянии (рис. 4.4,6), являет­ ся ее недостатком. Последний устраняется несколькими способами: фиксацией потенциала коллектора на уров­ не UÜK'UM с помощью кремниевого стабилитрона, вклю­ ченного параллельно транзистору, диодной фиксацией и применением дополнительного транзистора для заряда С, что позволяет увеличить RK (см. описанные в § 5.8 схемы, рис. 5.53 и рис. 5.54). В схемах с фиксацией Рт необхо­ димо рассчитывать по формуле (4.38).

Для получения релаксационных колебаний можно ис­ пользовать включение лавинного транзистора со сторо­ ны эмиттера (рис. 4.5). Генераторы (рис. 4.5,аиб) ра­ ботают в ждущем режиме, если EK< U M, и отличаются включением нагрузки RH и полярностью выходного им­ пульса. При подаче в цепь базы отрицательного запус­ кающего импульса лавинный транзистор включается и конденсатор быстро заряжается до напряжения Нет, со­ ответствующего максимуму ВАХ (см. рис. 1.22) в обла­ сти больших токов. После этого конденсатор С разря-

124

жается в два этапа. На ‘первом этапе эмиттерный пере­ ход лавинного транзистора пробивается и разряд проис­ ходит через резистор Д н и резисторы R Q и R 3, включен­ ные параллельно. Длительность этого этапа равна

где Дэбпр — напряжение пробоя эмиттерного перехода. После окончания первого этапа ток пробоя эмиттер­ ного перехода уменьшается и разряд конденсатора до конечного уровня ыСк завершается через резисторы R0

и Ru- Длительность второго этапа

Из-за пробоя эмиттерного перехода время восстанов­ ления Д таких генераторов может быть более чем на порядок меньшим, чем генераторов, схемы которых при­ ведены на рис. 4.3. В автоколебательном режиме гене­ раторы, использующие хронирующую RC цепочку в цепи эмиттера, могут генерировать импульсы с частотой по­ вторения до 100—200 МГц. Схемы автоколебательных

схемы генераторов в области больших токов идентичны Можно построить релаксационные генераторы с ин­ дуктивным накопителем энергии (рис. 4.6), в которых лавинный транзистор включается со стороны базы, в ре­ зультате чего получается входная М-образная ВАХ. Однако такие генераторы не обладают преимуществами перед ранее рассмотренными, так как индуктивности ме­ нее удобны для применения в релаксационных генера­

торах, чем конденсаторы,

125

4.3. Мультивибраторы на лавинных транзисторах

Здесь мультивибраторами названы релаксационные генераторы на лавинных транзисторах, форма колебаний которых близка к форме колебаний классических муль­ тивибраторов и определяется в основном параметрами хронирующих цепей. От классических описанные далее мультивибраторы отличаются простотой, высоким быст­ родействием и возможностью получения импульсов боль­ шой амплитуды.

Рис. 4.7. Схема мультивибратора на одном лаиинном транзисторе (а ) и вре­ менные диаграммы (б) для автоколебательного режима его работы.

В мультивибраторе (рис. 4.7,а) при подаче Е1( кон­ денсатор С заряжается через открытый диод Д. Экви­ валентное сопротивление и э.д.с. зарядной цепи равны

Я з э = R 3R p/ ( R 3 + Я р ) . £ к э = £ KR A R 3 + Я р )- ( 4 -4 9 )

Когда напряжение на конденсаторе достигает уров­ ня D' (рис. 4.7,6), лавинный транзистор включается и

напряжение в точке а падает до уровня U0l который мо­ жет быть определен с помощью линии нагрузки с накло­ ном 1/Яа, построенной на графике ВАХ лавинного тран­ зистора. Обычно сопротивление резистора Ru выбирает­ ся малым (^п<|7?о|), а І70«У р . После включения ла­

винного транзистора диод Д закрывается и конденсатор С разряжается через резистор Rp. Когда напряжение на конденсаторе достигнет уровня U0, диод Д отпирает­ ся и конденсатор оказывается подключенным к лавин­ ному транзистору. Условие устойчивости включенного состояния нарушается, и лавинный транзистор выклю-

126

чается. Диод Д выбирается кремниевым, что позволяет пренебречь его обратным током.

Учитывая экспоненциальный характер заряда и раз­ ряда конденсатора С п пренебрегая малым падением напряжения на открытом диоде Д, для времени заряда Та, разряда Гр и периода колебаний Т в автоколебатель­ ном режиме можно получить выражения:

где Iобр — усредненное значение обратного тока закры­ того транзистора.

Если £кэ<5/р , то мультивибратор будет работать в

ждущем режиме, в котором исходное состояние схемы соответствует закрытому лавинному транзистору. При запуске коротким отрицательным импульсом, поданным на базу, транзистор включается и конденсатор С разря­ жается от начального уровня (Е кэ ^ДзэДбр) до конечного

U0. бремя разряда, определяющее длительность прямо­ угольного импульса на нагрузке, находится из выра­ жения

а время восстановления

Оценим пределы плавной регулировки величины Др. Пренебрегая малым током / 0бр, минимальное значение Др можно определить из (4.49) по допустимому умень­ шению начального уровня (Екэ—/ 0брДзэ) ~ ЕІ<Эв ждущем режиме или из условия E Kd> U^ для автоколебательного

режима. Максимальную величину ДР = Дрта.х- можно най­ ти из условия выключения лавинного транзистора при отпирании диода Д

где Дд=фтДд — дифференциальное сопротивление диода

вмомент выключения транзистора.

Впредельном случае 1л~<и^/Дртах и из (4.55)

127

Величину R3 можно найти, задавшись током /КШ;Л включенного лавинного транзистора,

При этом следует учитывать, что с ростом /к вкл НЭпряжение U0 на включенном лавинном транзисторе при­

Для диффузионно-сплавных транзисторов при ~ (1-^-2) кОм /ишл целесообразно выбирать в пределах

1,5—5 мА. При этом перепад напряжения на конденса­ торе доходит до 25—50 В, а амплитуда импульсов на нагрузке R,, —500 Ом до 2—2,5 В. Сопротивление Др мо­ жет меняться в широких пределах, например от (50— 100) кОм до единиц мегом. Предельная скважность им­ пульсов {T3 + Tp)fT3 может доходить до 50—100. Муль­ тивибратор может генерировать (при соответствующем

Рис. 4.В. Схема мультивибратора на двух лавинных транзисторах (я) и вре­ менные диаграммы ( б) работы его в автоколебательном режиме.

температур от 20 до 55°С не превышает 5—10%.

Схема мультивибратора на двух лавинных транзи­ сторах показана на рис. 4.8,а, а на рис. 4.8,6 приведены

128

временные Диаграммы работы схемы в автоколебателы ном режиме. Такой режим возможем, если

где индексы 1 и 2 относятся соответственно к транзисто­ рам Т1 и 74. Последовательность работы мультивибра­

тора рассмотрим, пренебрегая обратными токами тран­ зисторов и полагая, что транзистор 74 включен, а 74 выключен. В этом случае на коллекторе транзистора 74 устанавливается остаточное напряжение U0i, которое при соответствующей величине RKi близко к 6/рі. Так как 74 закрыт, то хронирующий конденсатор С заряжается че­ рез резистор і/?к2 и напряжение на коллекторе 74 экспо­

ненциально возрастает. В момент времени to оно дости­

В момент / = /о транзистор 74 включается и напряже­

ние на его коллекторе быстро падает с величины Uр9 до U0 2 - Быстрый 'перепад напряжения с коллектора вклю­ чившегося транзистора 74 передается через конденса­ тор С на коллектор транзистора 74, уменьшая напряже­

ние на нем до величины

лекторе включившегося транзистора 74 устанавливается остаточное напряжение Uог. Конденсатор начинает пере­ заряжаться в обратном направлении, через сопротивле­

Полный ток, протекающий через включенный транзи­ стор, О’пределяется выражением

(t0— ti) — (Ек2 — 77оо)/7?ко -f- i_ (t0— 7i),