книги из ГПНТБ / Гольденберг Л.М. Импульсные и цифровые устройства учебник

Для дрейфовых транзисторов характерен обратный пробой эмиттерного перехода при небольших обратных напряжениях (по­ рядка 1-4-2 В), в результате чего ток / 03 резко возрастает. Если, однако, в цепи базы включено достаточно большое сопротивление Ri5, то ток базы ограничен невысоким уровнем и свойства эмиттер­ ного перехода после пробоя восстанавливаются.

щего напряжения (положительного для транзистора типа р-п-р и отрицательного для транзистора типа п-р-п). Обычно в схемах на дискретных компонентах этот уровень получают путем введения в

цепь базы специального источника положительного (или отрица­ тельного для /г-р-я-транзисторов) смещения (параграф 2.2.3); ясно, что величина «б3 не должна превосходить допустимого обратного напряжения эмиттерного перехода. Из последней формулы видно,

стимого обратного напряжения на переходе.

Рассмотрим особенности режима выключения для интеграль­ ного транзистора.

Обычно в ИС не используется специальный источник смещения, и поэтому запирающий уровень Е° оказывается положительным для транзистора типа п-р-п (или отрицательным для транзистора типа р-п-р). Однако уровень Е° мал относительно отпирающего уровня Е \ и коллекторный ток транзистора при воздействии Е° также довольно мал. Таким образом, закрытый транзистор в ИС работает не в режиме отсечки, а в активном режиме, но при ма­ лом коллекторном токе (обычно при токе / кз, составляющем не­ сколько процентов тока открытого транзистора). Необходимо от­ метить, что уровень напряжения Е°, при котором коллекторный ток

Заметим, что, когда основной транзистор ИС в структуре с изо­ лирующим я-р-переходом работает в режиме отсечки или «выклю­ чен» в только что указанном смысле (т. е. работает в активной об­ ласти при малом токе /кя), оба перехода паразитного транзистора смещены в обратном направлении и с его влиянием на режим основного транзистора можно практически не считаться. .

Р е ж и м в к л ю ч е н и я. При прямом смещении эмиттерного пе­ рехода транзистор включен и через его электроды протекают

91

прямые (положительные) токи. Различают активную область и об­ ласть насыщения включенного транзистора.

В активной области эмиттерный переход смещен в прямом на­

Молла (2.39) легко получить следующие приближенные соотно­ шения:

Таким образом, в активной области коллекторный ток практи­ чески линейно зависит от управляющего тока базы (или эмиттера).

В схеме рис. 2.13а при отрицательном входном напряжении

<С Е 1 (т. е. если входное сопротивление транзистора много меньше сопротивления Re), то і’б ~ £'//?б и ік = ßEl/Re. Остаточное напря­ жение на коллекторе открытого транзистора икот = —EK-\-iKRK. На рис. 2.18а, б показаны упрощенные эквивалентные схемы тран­

ное сопротивление коллекторного перехода; обычно в активной области оно из­ меняется незначительно (т. е. в активной области характеристики гк = /( и к) при іэ = const можно считать прямыми).

Кроме того, наклон характеристики для разных /а также примерно одинаков, н поэтому под гк понимают здесь обычно некоторое усредненное значение упо­ мянутого сопротивления.

92

93

леднее соотношение может служить одним из критериев существо­ вания режима насыщения транзистора.

Насыщение транзистора в схеме ключа (рис. 2.13) можно по­ лучить увеличением тока базы. При некотором значении ф = Ы» рабочая точка достигает положения А (рис. 2.15) и дальнейший рост тока базы практически уже не приводит к росту коллектор­ ного тока; последний равен:

«бэ) от токов /б, ("к, h можно приближенно найти из ф-л (2.39). Од­ нако для практических расчетов импульсных устройств обычно до­ статочно знать лишь усредненные значения этих зависимостей, по­ лученные экспериментальным путем.

Напряжение |«Ки| уменьшается с увеличением ß, уменьшением инверсного коэффициента усиления ßr и, естественно, с уменьше­ нием объемного сопротивления коллектора г'к. Можно считать, что

приводит к тому, что данному значению /бн будет соответствовать и большее значение напряжения |«бн|.

Количественно степень насыщения характеризуют коэффициен­

На границе насыщения ф = /бн, s = 1 [так как ß зависит от ве­ личины коллекторного тока, то под ß в ф-лах (2.44), (2.45) при­ нимают либо то значение, которое соответствует току /ІЭТ, либо интегральное, т. е. усредненное значение].

С увеличением коэффициента насыщения ключа увеличивается его нагрузочная способность (условие насыщения удовлетворяется при большем значении тока /ШІ), уменьшается влияние различных дестабилизирующих факторов на выходные параметры ключа, но, как показано ниже, ухудшается быстродействие ключа. Поэтому

94

коэффициент насыщения s во всех случаях следует выбирать из компромиссных соображений, исходя из конкретной задачи.

Во многих практических расчетах, когда можно пренебречь межэлектродными напряжениями насыщенного транзистора по сравнению с питающими, последний рассматривают как «стяну-

сти, так как его эммттерный переход (т. е. коллекторный переход основного транзистора) смещен в прямом направлении; при этом паразитный транзистор может оказать существенное влияние на токи и напряжения основного; это влияние обычно учитывается пу­ тем использования эквивалентных параметров: ß < ß0cH, |«кН|>

I ЩіН ОСП I •

При переключении транзистора из режима выключения в ре­ жим насыщения образуется перепад коллекторного напряжения:

напряжение Ек и в этом смысле приближается к идеальному ключу. Перепад тока при переключении равен: / к ? п = Л ш —

Передаточная характеристика

Наряду с входными и выходными характеристиками транзи­ сторного ключа часто представляет интерес передаточная характе­ ристика— зависимость уровня выходного напряжения ивых — ик от уровня входного е в стационарном режиме работы ключа. При­ мер такой характеристики для ключа на кремниевом транзисторе типа п-р-п '(рис. 2.136) приведен на рис. 2.21. Участок характери­ стики MN соответствует активному режиму работы ключа при его

переходе из состояния 1 (напряжение на выходе С/выХ высокое)

всостояние 0 (напряжение t/вых низкое)-

Впереключательных цепях обычно обеспечивается совмести­ мость входных и выходных сигналов, т. е. совпадение по. величине

95

максимально допустимые напряжения помехи, действующие на входе схемы наряду с регулярными сигналами, при которых еще не происходит изменение логических (информационных) состояний ключа.

Помехи в ключевых схемах могут быть как статическими, на­ пример изменения входных напряжений, связанные с падением напряжения на общих шинах схемы питания («земля»), так и им­ пульсными (кратковременными). Импульсные помехи обусловлены как внешними электромагнитными полями, так и индуктивной и емкостной связью между сигнальными линиями схемы, а также переходными процессами в последних (из-за несогласованности линий и нагрузок).

Рис. 2.21

Так, если на выходе имеется сигнал 1 (точка А рис. 2.21), то запас помехоустойчивости МА равен разности входных напряже­

ний |£м — ^ 0|, а если сигнал 0 (точка В), то запас помехоустой­

2.3.2.НАСЫЩЕННЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ КЛЮЧИ

СОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ

Переходная характеристика транзистора

Режим транзистора характеризовался выше величинами напря­ жений на переходах и токов его электродов в соответствии с урав­ нениями Эберса — Молла. Этими уравнениями и соответствую­ щими эквивалентными схемами можно воспользоваться, как было отмечено, и для анализа переходных процессов в транзисторе (в активном режиме). Для этого необходимо учесть, что коэффициен­ ты передачи транзистора частотнозависимые; в первом приближе-

96

равная времени пролета tD неосновных носителей через базу тран­ зистора [8, 9]; тр = (ßo + 1)та — постоянная времени коэффициен­ та передачи ß, практически равная усредненному по объему базы

Во многих случаях, в частности при изучении переходных про­ цессов в различных режимах работы ключа, удобно применять так называемый метод заряда [8]. Обозначим через Q заряд неоснов­ ных носителей в базе (например, электронов в базе типа р). В пер­ вом приближении можно считать, что изменение заряда Q во вре­

мени, —fif, обусловлено током базы h{t) и рекомбинацией нерав­

новесных электронов в базе - - 2-, т, е. - ^ - = г’б — или

где т — время жизни носителей в базе. В активной области можно полагать т = Tß и ур-ние (2.49а) принимает вид

В области насыщения изменение заряда также описывается

уравнением, аналогичным (2.496): + - ^ - = г$(<). Однако по­

стоянная вермени накопления заряда тн, вообще говоря, отличается от Tß (эффективное время жизни в режиме насыщения отличается от времени жизни в активном режиме, так как в режиме насыще­ ния распределение неосновных носителей в базе существенно

отличается от распределения в активном режиме). Практически для различных бездрейфовых транзисторов тП= (0,5 -4- 1)тр, а для дрейфовых тц > тр, но часто для простоты принимают тп ~ тр. Наряду с ур-иием (2.49а) в основе метода заряда лежит соотноше­ ние между зарядом в базе и током коллектора в активном режиме

-ур-нпя (2.496), Q = тр/б. Различным значениям Ы соответствуют различные величины заряда в базе. В области отсечки заряд неос­ новных носителей в базе незначителен и им обычно пренебрегают. С ростом тока базы заряд растет и на границе насыщения дости­ гает значения Qrp = трЛзнПри дальнейшем увеличении тока базы,

В общем случае при скачкообразном изменении тока базы іо(і) на величину Д/б в соответствии с ур-иием (2.49а) заряд изменяется по экспоненциальному закону

Если поделить равенство (2.52) на ха и учесть (2.50), то для активной области получим

98

Соотношения (2.51) — (2.53) в разной форме описывают пере­ ходную характеристику транзистора. Однако надо иметь в виду, что ф-лы (2.51), (2.52) справедливы для всех областей работы транзистора, а (2.53) — только для активной области.

Для учета влияния емкости Ск коллекторного перехода в ле­ вую часть ур-ния (2.49а) необходимо ввести еще одну компонен­ ту — ток смещения через емкость Ск:

Для рассматриваемой схемы транзисторного ключа рис. 2.13, полагая, что скорость изменения напряжения «Кб примерно равна

постоянных времени тр или тя в показателе экспоненты появляется эквивалентная постоянная Т р экв или т НЭкв-

Длительность включения

Пусть в исходном состоянии ключ (рис. 2.13) выключен, тран­ зистор заперт некоторым обратным напряжением «бзЕсли прене­ бречь неуправляемым тепловым током До. то.заряд в базе Q0= 0.

При подаче на вход ключа отпирающего перепада напряжения (положительного в случае транзистора п-р-п-типа и отрицатель­ ного в случае р-п-р-типа) эмиттерный переход получит прямое сме­

щение и через базу будет протекать постоянный ток / б , величина которого определяется величинами входного напряжения и