8.2 Импульсные свойства мдп и биполярных транзисторов

Импульсные свойства характеризуют реакцию транзисторного ключа на подачу на вход управляющего напряжения в виде импульса, вызывающего отпирание или запирание транзистора.

На рис. 43 изображены схемы простейших ключей на МДП (а) и биполярном (б) транзисторах.

В обоих ключах управляющий сигнал в виде короткого импульса поступает на вход от источника э.д.с. e_вх с внутренним сопротивлением R_i.

Временные диаграммы e_вх изображены на рис. 44, а,б. Сток и коллектор транзисторов через сопротивление R подключены к источнику питания E_пит.

а) б)

Рис. 43

Выходным напряжением ключей являются напряжения u_си и u_кэ соответственно. Штриховой линией на схемах условно обозначены входная и выходная ёмкость транзисторов C_вх и С_вых. Они являются сложными функциями напряжений, токов и паразитных параметров транзисторов, (см. разд. 8.1). Влияние факторов инерционности более точно учитывается методами компьютерного моделирования.

Хотя e_вх изменяется скачкообразно, входное напряжение обоих ключей изменяется не мгновенно, так как требуется некоторое время на заряд входной ёмкости, рис. 44, в, г. Поэтому отпирание обоих транзисторов начинается с некоторой задержкой t_з. В течение этого времени напряжения на затворе и базе достигают порогового напряжения U₀ и примерного напряжения отпирания эмиттерного перехода U*. В течение времени нарастания t_н завершается заряд C_вх, разряд С_вых и другие переходные процессы.

Токи достигают предельных значений I_с.нас и I_к.нас, что характерно для режима насыщения, используемого в ключах, рис. 44 д,е.

Рис. 44 Рис. 45

Запирание транзисторов связано с разрядом C_вх и зарядом С_вых. Кроме того, возвращение БТ в закрытое состояние сопровождается запаздыванием переходных процессов на время рассасывания t_расс. В течение этого времени БТ остаётся открытым из-за заряда неосновных носителей, накопившегося в базе в режиме насыщения. Этот заряд исчезает, «рассасывается» не мгновенно и в течение некоторого времени поддерживает ток экстракции.

Результатом переходных процессов является появление времён t₁₀ и t₀₁, которые требуются ключам на переход из состояния логической 1 в состояние логического 0 и наоборот, рис. 44 ж,з. Более детально работа ключей рассматривается в курсе «Электроника» [1, 2].

8.3 Частотные свойства мдп и биполярных транзисторов

Частотные свойства характеризуют способность транзисторов обеспечивать усиление аналоговых сигналов на различных частотах. Такие сигналы, в отличие от цифровых (дискретных) сигналов, чаще отображаются функциями частоты, а не функциями времени. Частотные свойства транзисторов обычно описываются их амплитудно-частотными или фазо-частотными характеристиками (АЧХ или ФЧХ).

В качестве простейших усилителей на МДП и биполярных транзисторах можно рассматривать схемы на рис. 43. Принципиальным отличием аналоговых усилителей от ключей является использование активного (усилительного) режима, а не режимов отсечки и насыщения. Такой режим в рассматриваемых схемах способен обеспечивать входной источник. Создаваемое им входное напряжение должно содержать постоянную (режимную) составляющую напряжения на затворе или базе, необходимую для поддержания открытого состояния транзистора.

Частотные свойства МДП транзисторов принято описывать частотной характеристикой комплексной крутизны S:

S = I_с / U_зи = S₀ / (1 + jω/ω_s ), (47)

где S₀ – крутизна при ω = 0, ω_s – предельная частота крутизны.

Из (47) можно получить выражения для модуля и фазы комплексной крутизны, т.е. для АЧХ и ФЧХ:

|S| = S₀ / (1 + [ω/ω_s]²)^1/2, (48) φ = - arctg ω/ω_s (49)

Согласно (48), при ω = ω_s, |S| = S₀ /√2. В графическом виде АЧХ и ФЧХ МДП транзистора изображены на рис. 46а.

а) б)

Рис. 46

Следует заметить, что ω_s даёт преувеличенное представление о частотных возможностях МДП транзистора. На самом деле его коэффициенты усиления по напряжению и по мощности начинают снижаться на намного более низких частотах. Главной причиной этого является наличие неустранимой ёмкости затвор-канал, что легко устанавливается методами компьютерного моделирования.

Частотные свойства БТ обычно описываются комплексным коэффициентом передачи тока в схеме с общим эмиттером β:

β = I_к / I_б = β₀ / (1 + jω/ω_β) (50)

где β₀ – коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ при ω = 0, ω_β – предельная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ.

Из (50) можно получить выражения для модуля и фазы комплексного коэффициента β, т.е. для АЧХ и ФЧХ:

|β| = β₀ / (1 + [ω/ω_β]²)^1/2 (51), φ = - arctg(ω/ω_β) (52)

АЧХ и ФЧХ БТ в схемах с ОЭ и ОБ изображены на рис. 46б.

Для схемы с ОЭ применяется также понятие граничная частота коэффициента передачи тока ω_гр. На этой частоте |β| = 1, т.е. усилительные свойства по току полностью утрачиваются, хотя коэффициент передачи по мощности может быть больше 1 за счет усиления по напряжению.

Реже используется схема с общей базой, усиление которой значительно меньше. В то же время такое включение обеспечивает равномерное усиление и минимальный фазовый сдвиг в намного бóльшей полосе частот.

Более детально транзисторные усилители аналогового сигнала рассматриваются в курсе «Электроника» [1, 2].