книги из ГПНТБ / Воронков Э.Н. Основы проектирования усилительных и импульсных схем на транзисторах учеб. пособие [для сред. спец. учеб. заведений]

Р аздел третий

ИМПУЛЬСНЫЕ СХЕМЫ НА ТРАНЗИСТОРАХ И ДИОДАХ

Г л а в а IX

ТРАНЗИСТОРНЫЕ КЛЮЧИ

§9.1. РЕЖИМ КЛЮЧА

Вэлектронных вычислительных машинах, радиолокации, авто­ матике, телевидении, многоканальной связи широко применяют устройства, работающие в импульсном режиме.

Под импульсами понимают отклонения электрического напря­ жения или тока от некоторого постоянного уровня, действующие

в цепи о течение короткого промежутка времени. Импульсы могут иметь разнообразную форму: прямоугольную, колоколо­ образную, треугольную, трапецеидальную и др. (рис. 9.1). Основ­ ными параметрами импульса являются амплитуда Um (макси­ мальное значение напряжения), длительность импульса £и, дли­ тельность переднего фронта іф, длительность заднего фронта (спада) /с и снижение вершины ДU (рис. 9.2). На практике ча­ сто пользуются следующими параметрами импульса: активная длительность импульса &г.а, под которой понимают промежуток времени, соответствующий половине амплитуды; активная дли­ тельность фронта іф— время нарастания импульса от 0,1 до 0,9 и т и активное время спада импульса от 0,9 до 0,1 Um.

На импульсные устройства часто воздействуют не одиночные импульсы, а периодическая последовательность импульсов.

113

В связи с этим важны такие характеристики, как частота повто-

(рис. 9.3).

Цифровые вычислительные машины оперируют величинами, которые могут представлять цифры. Такими величинами могут быть фиксированные существенно разные состояния элементов, из которых состоит машина. Вычисления на машине — это изме­ нение состояний элементов и обмен информацией между ними, что представляет передачу электрических импульсов от одного элемента или от одного блока машины к другому.

Н

Наиболее удобной для цифровых вычислительных машин яв­ ляется двоичная система счисления, состоящая из минимального числа цифр-нуля и единицы. Большинство электронных прибо­ ров также может находиться в одном из двух фиксированных со­ стояний. Например, нуль в машине может быть представлен состоянием устройства, когда через него протекает ток, а еди­ ница — когда не протекает. Простейшим устройством, обладаю­ щим этим свойством, является ключ.

Размыкание или замыкание ключа позволяет получить пря­ моугольные импульсы или ступеньки токов и напряжений. Элек­ тронные устройства, и в частности транзистор, работают в циф­ ровых машинах в большинстве случаев в режиме ключа.

Схема клфча приведена на рис. 9.4, где К представляет собой «идеальный ключ», т. е. в замкнутом состоянии сопротивление между точками А я Б, с которыми соединен ключ, равно нулю, а в разомкнутом состоянии — бесконечности. Это означает, что в схеме на рис. 9.4 при разомкнутом ключе все напряжение ба­ тареи Е оказывается приложенным между точками А я Б (Нк= =Е), а ток через ключ не протекает. Это состояние ключа соот­ ветствует точке Е на горизонтальной оси вольт-амперной харак­ теристики (рис. 9. 5).

При замкнутом ключе разность потенциалов между точками

А и Б равна нулю, и ток, протекающий через ключ, / к = — .

R.

Это новое состояние изображено на рис. 9. 5 точкой /„ на верти­ кальной оси.

П 4

Е

(Нк= £'; Ік= 0 и и к= О, / к = — соответственно). Перепад напря-

R

жений, действующий между точками А и Б, равен полному на­ пряжению батареи Е. Перепад тока зависит от нагрузочного сопротивления.

Я А

Идеальный ключ не потребляет энергии ни в замкнутом, ни в разомкнутом состоянии. На практике идеальный ключ создать невозможно.

Основным отклонением реального ключа от идеального яв­ ляется наличие внутреннего сопротивления Г\ (рис. 9.6). Внут­ реннее сопротивление снижает величину амплитуды напряжения и тока.

Характеристика замкнутого ключа (линия /-, на рис. 9.5)

вэтом случае не совпадает с вертикальной осью. Точка пересе­ чения этой линии с линией нагрузки R является рабочей точкой ключа в замкнутом состоянии.

Перепад напряжений при размыкании или замыкании ключа

вэтом случае будет (Е—UKі), а ток — /щ.

Другое отклонение состоит в том, что реальный ключ в разом­ кнутом состоянии всегда имеет конечное сопротивление между точками А и Б.

Наличие сопротивления г2 (рис. 9.7) приводит к возникнове­ нию тока, известного как ток «утечки».

Характеристика ключа в этом случае смещается при разом­ кнутом состоянии от горизонтальной оси (линия г2 на рис. 9.5), Перепад напряжений снижается до величины (UKo—UK\) и ток — до величины (7кі—/к2).

115

В обоих состояниях ключ потребляет энергию. Мощность, рассеиваемая в ключе в замкнутом состоянии, Я = £'2^і-,

а в разомкнутом — Р = £ 2-^- (если /у-С РС гз). Таким образом,

чем меньше г, и больше г2, тем меньше энергии потребляет ключ. Кроме того, реальный ключ всегда имеет инерцию, увеличи­ вающую время переключения. Например, ключ может обладать

емкостью (рис. 9. 8).

как разряд емкости происходит через малое внутреннее сопро­ тивление Г] замкнутого ключа. Поэтому замыкание ключа про­ исходит всегда быстрее, чем размыкание.

Качество любого ключа определяется минимальным паде­ нием напряжения на нем в замкнутом состоянии, минимальным током в разомкнутом (потребляемой им энергией) и временем переключения из одного состояния в другое. Чем меньше мощ­ ность рассеяния на ключе (меньше /у и больше г2) , тем меньше энергии расходуется на аппарат в целом. Особенно это важно для электронных устройств, где используются десятки и сотни тысяч ключей (современные вычислительные машины). Время переключения ограничивает скорость управления различными процессами и во многих случаях является определяющим пара­ метром.

Из электронных ключей лучшими ключевыми свойствами обладают транзисторные ключи.

Закрытый транзистор обладает очень большим сопротивле­ нием утечки (сотни килоом), а открытый очень малым внутрен­ ним сопротивлением (несколько ом). Мощность рассеяния

116

в транзисторе незначительна по сравнению с мощностью, отда­ ваемой в нагрузку. Паразитные емкости транзистора сравни­ тельно малы, но вследствие накопления носителей инерция ключа, если не принимать специальных мер, может быть значи­ тельной.

На рис. 9.10 приведена схема ключа на транзисторе типа р—п—р, включенном по схеме с общим эмиттером. Эту схему включения наиболее часто используют в импульсных устройствах. Схема транзисторного ключа не отличается от схемы усилителя на резисторах. В коллекторную цепь включена активная нагрузка /?к, на базу подаются отрицательные импульсы напряжения. Под действием импульса транзистор переходит из закрытого со­ стояния в открытое.

~£н

в)

Рис. 9.11. Разновидности транзисторных ключей:

а —-ключ О Б; б—ключ ОК; в—клю ч-звезда

На рис. 9. 11 изображены разновидности транзисторных клю­ чей, которые, однако, используются значительно реже, чем изо­ браженные на рис. 9. 10. Схему ОБ в режиме переключения при­ меняют сравнительно редко. К ее достоинствам следует отнести высокое по сравнению с другими схемами сопротивление в за­ крытом состоянии. К достоинствам ключа ОК следует отнести минимальное напряжение на ключе в насыщенном состоянии.

117

Ключ-звезду можно рассматривать как своеобразную комбина­ цию ключей ОЭ и ОК, поскольку резисторы RK и Rg включены как в коллекторную, так и в эмиттерную цепи.

Физические процессы, происходящие в транзисторе при ра­ боте в режиме переключения, достаточно подробно рассмотрены в § 3.6.

Характерной для ключевых режимов является работа в обла­ сти насыщения.

Область насыщения расположена левее кривой — границы области насыщения, пересекающей линию нагрузки в точке Б (левая заштрихованная область на рис. 3.13).

Дальнейшее увеличение тока базы не приводит к значитель­ ному изменению тока и напряжения на коллекторе, т. е. для ре­ жима насыщения характерно, что при заданном токе коллектора /к ток базы превышает значение /b-/ß. Таким образом, неравен­

ство / б Д> —1,н- является условием насыщения транзистора. На

ß

границе насыщения ток базы Д.н связан с током коллектора /к.н соотношением

Глубина насыщения характеризуется степенью насыщения N (см. § 3.6). Обычно Ек и Unx значительно больше напряжений и к.э и Uб.э соответственно, поэтому в режиме насыщения

лишь источником питания и сопротивлением нагрузки, а базо­ вого тока — источником входного сигнала и внешним резистором цепи базы. Остаточные напряжения на транзисторе £/к.н и L/ß.n почти равны нулю (0,1-^0,2 В для германиевых маломощных транзисторов), т. е. переходы транзистора как бы коротко замк­ нуты. Это объясняется тем, что оба перехода смещены в прямом направлении, область базы заполнена носителями и поэтому обладает высокой проводимостью.

Режим насыщения позволяет получить наибольший перепад и стабильность выходного напряжения и наименьшую мощность рассеяния в транзисторе, однако серьезным недостатком режима насыщения является существенное запаздывание заднего фронта импульсов при запирании ключа. Это связано с накоплением и последующим рассасыванием носителей тока в базе.

При переходе транзистора из режима отсечки в режим насы­ щения рабочая точка перемещается через активную область (см. рис. 9. 11). В этой области эмиттерный переход смещен в прямом

118

направлении, коллекторный — в обратном. Транзистор работает как обычный линейный усилитель, подробно описанный в раз­ деле втором.

§ 9.2. БЫСТРОДЕЙСТВИЕ ТРАНЗИСТОРНОГО КЛЮЧА

Вследствие инерционности транзистора даже при подаче на вход ключа сигнала, имеющего форму идеальной ступеньки, кол­ лекторный ток достигает значения /к.н по истечении определен­ ного времени. Некоторое время требуется и для прекращения коллекторного тока после окончания входного сигнала.

К

фронта £ф (рис. 9.12). Время включения характеризуется свойст­

время переключения оказывает постоянная времени тр, которая

119

зависит от физических свойств транзистора и равна эффектив­ ному времени жизни дырок в базе т:

Вследствие этого при поступлении на базу транзистора перепада тока коллекторный ток будет расти согласно выражению

—t

где /о — амплитуда входного тока.

Отсюда длительность фронта выходного импульса

/6Рнли для приближенных вычислений

0,4ß

(9.6)

f a

Для транзистора типа П16 это время может достигать 10 мкс и более.

После прекращения тока базы начинается рассасывание но­ сителей, накопленных в базе за время действия импульса. Ток коллектора остается почти неизменным, пока транзистор нахо­ дится в области насыщения. Для рассасывания носителей тре­ буется так называемое «время рассасывания»*

которое равно времени с момента выключения тока базы до на­ чала снижения коллекторного тока (см. рис. 9.12). По истече­ нии этого времени избыточные носители, накопленные в базе, рассосутся, коллекторный переход сместится в обратном направ­

величина его упадет до значения /к0, транзистор закроется. На этом этапе происходит формирование заднего фронта импульса.

Время с момента запирания коллекторного перехода до мо­ мента установления минимального значения коллекторного тока называется временем выключения или спада.

Для ключа, изображенного на рис. 9.10, время выключения можно определить по приближенной формуле

*С=(3-^5)тр. (9.8)

Для транзисторов типа П16 оно достигает сотен микросекунд.

120

В запертом состоянии транзистор будет находиться до по­ ступления на вход ключа следующего отрицательного импульса, после этого весь процесс повторится.

Схема, показанная на рис. 9.10, позволяет понять работу транзисторного ключа. На практике такой ключ применяют очень редко, так как он обладает низкими характеристиками.

Рассмотрим явления, снижающие качество транзисторного ключа, и методы их устранения или ослабления.

§ 9.3. СОКРАЩЕНИЕ ВРЕМЕНИ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРНОГО КЛЮЧА УВЕЛИЧЕНИЕМ

СТЕПЕНИ НАСЫЩЕНИЯ

Как уже было сказано в гл. Ill, быстродействие ключей опре­ деляется прежде всего эффективным временем жизни и толщи­ ной базы транзистора. Следо­ вательно, необходимая ско­ рость переключения может быть, получена соответствую­ щим выбором типа транзи­ стора.

Однако для сплавных мало­ мощных транзисторов типа П16, наиболее часто исполь­ зуемых в ключевых схемах, как было показано в предыду­ щем параграфе, время пере­ ключения составляет десятки микросекунд. В то же время, если применять специальные меры, можно снизить время переключения транзистора до десятых долей микросекунды.

Максимальное время включения получается, когда транзи­ стор не достигает режима насыщения. В этом случае, как видно из рис. 9. 14, ток коллектора нарастает в обычном усилительном

превышает величину Л<.н==—Н- > то в начале импульса коллек-

“к

торный ток увеличивается, как и в предыдущем случае по экспо­ ненте. Но как только ток коллектора достигает значения /к.н, транзистор войдет в режим насыщения и дальнейшее увеличение тока коллектора прекратится. На этом и заканчивается форми­ рование фронта импульса. Для этого случая время нарастания тока коллектора, как видно из рис. 9. 14 (кривая 2), будет зна­

121