книги из ГПНТБ / Ицхоки Я.С. Импульсные и цифровые устройства [учебник]

отображено верхней кривой на рис. 22, е. Рассмотрим кар­ тину переходного процесса (без учета влияния емкостей схемы), возникающего в двух типичных случаях при внезап­

ток ір(х) во всех сечениях базы равен току коллектора. По-

Рис. 22. Рис. 23.

этому у бездрейфового транзистора в любой момент времени градиенты | dp^ldx | во всех сечениях базы одинаковы (рис. 22, в). Следовательно, сразу же после коммутации тока базы графики Рб{х) в течение всего переходного процесса представляют собой прямые*'.

При нулевом базовом токе электроны в базу не посту­ пают, и их заряд благодаря рекомбинации с течением вре­ мени уменьшается. Одновременно и в том же количестве сни­ жается заряд дырок. Но до выхода транзистора из насыще­ ния ток г к = I к в = const и градиенты | dp^ldx | во всех се-

*) При коммутации тока базы несколько уменьшается напря­ жение на эмиттерном переходе, что вызывает незначительное уве­ личение тока коллектора

180

чениях базы во времени не меняются. В соответствии с этим

транзистора. В некоторый.момент Т+ концентрация дырок у эмиттерного перехода снижается до равновесного значения, и состояние транзистора становится близким к состоянию в режиме отсечки: заряд базы истощается почти до равновес­ ного значения, а входное сопротивление транзистора резко

*) В дальнейшем будет показано, что обратный ток базы на­ сыщенного транзистора может в тысячи раз и более превосходить ток / к 0 .

181

повышается. Это приводит к понижению тока | і б | - > 'ко (рис. 23, а) практически независимо от величины управляю­

(а также в области коллектора, прилегающей к базе) заряда, в результате чего транзистор выходит из насыщения, а затем ток коллектора уменьшается и транзистор запирается.

18. Из сравнения показанных на рис. 21, б и 23, в кри­ вых видно, что при переходе транзистора из режима отсеч­ ки в режим насыщения и наоборот процессы изменения заря­ да базы примерно одинаковы, но они протекают в противо­ положных направлениях. Некоторое различие кривых ръ(х) при запирании и отпирании транзистора обусловлено влия­ нием тока базы на величину тока эмиттера. Однако это об­ стоятельство не приводит к существенному различию в ве­

из насыщения**'. В методическом же отношении, имея в ви­ ду соотношения (50) и (51), удобно принять***':

***) При таком подходе упрощается расчет длительностей Т~ и Г+(удобно припасовывать решения [дифференциального урав­ нения заряда базы при кусочно-линейной аппроксимации этого уравнения). В книге Т. М. Агаханяна [106] обосновывается более точное выражение граничного заряда Q+ t

182

Г.ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ СХЕМЫ ЦЁПЙ БАЗЫ

ВПЕРЕХОДНОМ ПРОЦЕССЕ

19.Согласно формуле (54) ток коллектора в переходном активном режиме работы связан с зарядом базы простой

с решением сложной нелинейной задачи. Однако некоторые

стить эту задачу путем линеаризации параметров базовой цепи транзистора применительно к каждой стадии его ра­ боты.

20. В стадии, предшествующей отпиранию транзистора

(щ ^ 0), рассмотренная применительно к стационарному режиму отсечки схема базовой цепи (см. рис. 10) должна быть дополнена входной емкостью (рис. 24)

тажа. Хотя С в х < 100 пФ, но при большой величине сопро­ тивления Ry постоянная # у С в х может оказаться значи­ тельной. Данная схема служит для определения длитель­ ности изменения базового напряжения от значения >

>0 до значения UQ = 0.

21.В стадии, следующей после отпирания транзистора

(иб ^ 0), схема базовой цепи имеет вид, показанный на рис'. 25. Здесь в соответствии с формулой (33) участок «ба­ за—эмиттер» представлен объемным сопротивлением re, соединенным последовательно с источником напряжения и'б-э < 0. Из-за высокой проводимости участка «база — эмиттер», влиянием входной емкости в данной стадии обычно-

183

пренебрегают. Данная цепь является нелинейной, так как величина — «б - э связана нелинейной зависимостью (38) с граничной концентрацией Рб(0), которая изменяется в пе­ реходном процессе. Кроме того, объемное сопротивление базы уменьшается от значения Лб = Гбо при ненасыщенном транзисторе до значения г^а в режиме насыщения [98, 106]*>. Для обоснования способа линеаризации входной цепи рас­ смотрим динамическую характеристику тока базы в импульс­ ном режиме работы.

22. Динамическая характеристика тока базы. Пусть управляю­ щая э. д. с. е у (/) (рис. 25) стремится к значению Еу+, соответствую­ щему стационарному режиму насыщения, который характеризуется

рабочей точки М+ в плоскости статических входных характеристик транзистора (рис. 26) определяется током базы IQ+ И коллекторным

напряжением UKB. Точка М + определяет стационарное базовое напряжение UQ+.

Предположим, раньше, что э. д. с. еу и базовое напряжение «б медленно изменяются от своих нулевых значений до стацио­ нарных значений £ у + и UQ*. В этом случае изображающая точка перемещалась бы из точки UQ = 0 в точку /И+ (рис. 26), постепен­ но пересекая статические характеристики, соответствующие раз­

Качественно иначе выглядит «быстрая» динамическая харак­ теристика і'б = Fg («б), показанная на рис. 26 штрих-пунктирной линией. Она имеет место при действии импульсной э. д. с. еу , длительность фронта которой существенно меньше длительности на­ капливания заряда в базе. В самом деле, величина | и'6_э | нарастает по мере накопления заряда в базе и достигает стационарного значе­ ния J ^ б ^ | лишь к концу переходного процесса (рис. 27). Поэтому

близко к дифференциальному значению входного сопротивления ненасыщенного транзистора, определяемого из входной характе­ ристики (рис. 6, б) при UK,= —5В на линейном ее участке.

184

100Ом).

23.Среднее значение-входного сопротивления. Из рис. 26 видно, что в импульсном режиме прямая ОМ+ выражает за­

Соответствующая формуле (57) кривая изменения тока базы показана на рис. 27 пунктирной линией. Она несколь­ ко отличается от кривой, выражающей истинный ток i6(t),

185

но обе кривые сходятся к одному и тому же стационарному току /б . Обычно сопротивление Ry > Rtx (см. § 8.2, п. 21). В этом случае истинный ток базы лишь незначительно пре­ восходит (в основном в начальные моменты времени) вели­ чину тока, выражаемого формулой (57). Следовательно, дей­ ствительное быстродействие ключевой схемы несколько вы­ ше получаемого из расчета.

Выразим величину Rtx- В рабочей точке М+ (см. рис. 26) транзистор находится в стационарном режиме насыщения. Согласно формуле (45) при входе транзистора в насыщение напряжение на эмиттерном переходе сѴэ = ^кнВслед­ ствие экспоненциального характера зависимости (38) на­ пряжение на эмиттерном переходе после входа транзистора в насыщение почти не меняется. Поэтому с небольшой по­ грешностью можно принять, что в точке М+ напряжение на переходе £/б^ = £ / к н = / к н г и , где гн — сопротивление насыщенного транзистора. Следовательно, базовое напря­ жение в точке М+

Разделив обе части этого уравнения на Ц и учитывая при этом приближенное равенство (25), получим

пп.21—22.

24.В стадии вывода транзистора из насыщения напря­ жение на эмиттерном переходе меняется незначительно и оно

близко к величине | Uк а \. Поэтому схему цепи базы в этой стадии можно представить в виде, показанном на рис. 28. Согласно этой схеме**

э. д. с. е у должна учитывать напряжение, действующее на конден­ саторе.

486

значительным. Такая возможность используется для быст­ рого вывода транзистора из насыщения (см. п. 17).

Протекание обратного тока базы | г'б | > / к 0 в статичес­ ком режиме невозможно. В рассматриваемой же стадии это возможно благодаря наличию в базе избыточных зарядов дырок и электронов; положительно смещенный эмиттерный переход как бы играет роль заряженного конденсатора, под­

Всьма трудно определить ток базы г'б < 0 в данной ста­ дии. При технических расчетах можно исходить из упро­ щенной схемы (рис. 29), в которой напряжение на эмиттер­ ном переходе принимается постоянным и равным (в среднем) 0,51 Uкп\. Как указывалось в п. 17 (см. рис. 23), протекание обратного тока базы возможно до истощения избыточного

ком базы и зарядом неосновных носителей в базе в переход­ ном процессе.

В основе метода заряда базы лежит принцип электри­ ческой нейтральности базы, согласно которому при любом режиме работы выполняется равенство положительного

*> Близким к методу заряда базы [98] является метод кажу­ щегося тока, предложенный С. Я- Шацем [101].

187

dQP dQa dt ~ dt '

Скорость изменения заряда электронов в базе определяет­ ся в основном скоростью притока электронов через базовый электрод (г'о) и скоростью рекомбинации (ірек)"К Следова­ тельно,

~~dT~~h 'рек- (б)

Согласно формуле (49) ток і р о к Qphp. Обозначая для упрощения записи Qp = Q, представим уравнение (б) в ви­ де

заряда базы. Роль постоянной времени уравнения выпол­ няет время жизни тр. Хотя т р Ф const, но допустимо пола­ гать, что оно принимает два постоянных значения: т в — в активном режиме и т н — в режиме насыщения. Тогда урав­ нение (60) можно рассматривать как кусочно-линейное. Для

*> При таком предположении мы пока пренебрегаем влиянием барьерных емкостей транзистора, рассматриваемым в разд. Е.

**' Здесь и в дальнейшем приближенно принимается, что элект­ ронными токами переходов транзистора можно пренебречь. Кроме того, предполагается, что равновесный заряд базы и начальный ток базы /бо = — /ко пренебрежимо малы.

188

Где Q(oo) — установившееся значение заряда базы, насту­ пающее, строго говоря, при t = со. В установившемся ре­ жиме dQJdt = 0, и из уравнения (60) следует, что

т. е. до момента 7Y, в который согласно формуле (55) заряд базы достигает значения Qu = /би^р- При Q > следует принять Тр = т н и для определения закона Q(t) надо найти новое решение уравнения (60). Будем в этом решении отсчи­ тывать время от момента ТУ, т. е. введем временную коорди-

189