цифровые устройства / лекции / 05_ЦУ_Электронные ключи_2026
.pdf
Задания для самопроверки
1.Охарактеризуйте виды электронных ключей в зависимости от их назначения.
2.Пояснить следующие параметры электронных ключей: остаточные параметры, быстродействие.
3.Приведите физические причины, определяющие быстродействие полупроводниковых диодов.
4.Пояснить, как проявляется инерционность p-n-перехода.
5.Пояснить с помощью диаграмм, как проявляется инерционность p-n-перехода.
6.Как следует учитывать инерционность полупроводниковых диодов при проектировании электронных устройств?
Все задания выполнять без обращения к конспекту лекций и другим источникам!
11
Электронные ключи Ключевой режим работы биполярных транзисторов
Назначение элементов:
Eк – источник питания;
Rк – нагрузка;
VT, К – ключевой элемент;
Uвх – входной управляющий сигнал;
F – внешняя сила;
Uвх, Rб – задают базовый ток (аналог F).
электронный ключ на |
механический ключ – аналог |
биполярном транзисторе |
электронного ключа |
Транзистор работает в режиме большого сигнала и имеет два статических состояния:
включен – режим насыщения; выключен – режим отсечки.
В активном режиме он находится при смене
состояний.
насыщенный ключ – транзистор работает с заходом в область насыщения. Уровни выходного напряжения Uвых = Uкэ в статических состояниях стабильны.
ненасыщенный ключ – транзистор работает во |
||
включенном состоянии в активной области |
||
вблизи границы насыщения. В ненасыщенных |
||
ключах принимаются специальные меры для |
||
стабилизации напряжения Uкэ открытого |
12 |
|
транзистора. |
||
|
||
Врежиме глубокой отсечки токи электродов транзистора имеют наименьшие значения, что соответствует разомкнутому состоянию ключа.
Врежиме неглубокой отсечки токи электродов несколько больше, чем в режиме глубокой отсечки, и их значения существенно зависят от приложенного напряжения.
Врежиме насыщения токи электродов максимальны, транзистор открыт, что соответствует замкнутому состоянию ключа.
Схема ключа на биполярном транзисторе
т. А – режим глубокой отсечки (активное запирание) – рекомендуемый режим запирания;
т. В – режим неглубокой отсечки (пассивное запирание);
т. С – режим насыщения; т. В – т. С – активный режим.
13
Статические режимы работы ключей на биполярных транзисторах
Статические режимы ключа: режим отсечки, режим насыщения. В активном режиме транзисторы находятся очень короткое время при переключении из одного состояния в другое.
Условия насыщения и запирания биполярного транзистора
Для включения транзистора (ключа) на эмиттерный переход подается напряжение отпирающей полярности. Ток базы должен удовлетворять условию насыщения (токовый критерий):
Iб Iбн
Iбн = Iкн – значение тока, при котором транзистор полностью открыт, т.е. через транзистор протекает максимальный ток коллектора Iкн
S = Iб 1
Iбн
S – степень насыщения транзистора
Для выключения транзистора (ключа) на эмиттерный переход подается напряжение запирающей полярности:
Uбэ |
0 |
- для p-n-p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uбэ |
0 |
- для n-p-n |
|
|
|
|
|
|
Схема замещения n-p-n-транзистора в режиме глубокой отсечки
Схема замещения n-p-n-транзистора в |
При переходе к p-n-p-транзистору необходимо изменить направление |
|
токов и полярность напряжений в схемах замещения на противоположные |
||
режиме насыщения |
||
|
||
|
При рассмотрении статики ключей используют схемы замещения транзистора и материал, изученные |
14 |
|
ранее в теме «Режимы работы биполярного транзистора». |
||
|
Статические режимы работы ключей на биполярных транзисторах
Дано: Rб, Rк, Ек, β, Iк0, uвх
Получить условия работоспособности ключа.
Рассмотрим статические режимы работы ключей на примере задачи.
Очевидно, что полярность и уровень входного напряжения будет определять режимы работы биполярного транзистора. При положительной полярности (Е1) транзистор будет открыт, а при отрицательной полярности (Е2) – заперт. Получение условий работоспособности ключа подразумевает определение значений Е1 и Е2, достаточных для насыщения и запирания транзистора.
1. Предположим, что при uвх = Е1 транзистор находится в насыщении (включен), т.к. положительная полярность напряжения (без скобок) является отпирающей для транзистора. Для перевода транзистора в режим насыщения необходимо обеспечить выполнение условия насыщения (токового критерия)
Iб Iбн
Вычерчиваем схему замещения в режиме насыщения по правилам*, определяем токи базы:
I |
|
|
= |
Iкн |
|
|
|
I |
|
= |
Eк |
|
|
I |
|
= |
Iкн |
= |
Eк |
|
|
|||||
бн |
|
|
|
|
кн |
|
|
|
бн |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
β |
|
|
|
|
|
|
Rк |
|
|
|
β |
|
|
Rк β |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Найдем величину Е1, достаточную для насыщения |
|
|||||||||||||||||||||||||
транзистора из токового критерия: |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
E |
|
|
|
|
E |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E R |
Схема замещения в режиме |
|||||||
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
к |
|
|
|
E1 |
|
|
к б |
|
насыщения |
|||||||
|
|
Rб |
|
|
Rб β |
|
|
Rб β |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При выполнении данного условия транзистор |
||||||||||||
будет находиться в режиме насыщения
*При изображении схемы с насыщенным транзистором:
•вместо последнего используется его схема замещения,
причем конфигурацию схемы необходимо сохранить!
•необходимо поставить точки выводов (Б, К, Э)
•поставить стрелку прямого базового тока.
Iкн – ток коллектора насыщения - максимальный ток коллектора (точка С на ВАХ, слайд 12);
Iбн – ток базы насыщения – значение базового тока на границе активного режима15 и режима насыщения, для которого еще наблюдается линейная связь между током базы и током коллектора iк = iб×β (точка С на характеристике Iб4, слайд 12).
Статические режимы работы ключей на биполярных транзисторах
Дано: Rб, Rк, Ек, β, Iк0, uвх
Получить условия работоспособности ключа.
2. Предположим, что при uвх = -Е2 транзистор находится в режиме глубокой отсечки (выключен), т.к. отрицательная полярность напряжения (в скобках) является запирающей. Для перевода транзистора в режим глубокой отсечки необходимо обеспечить выполнение условия запирания
Uбэ 0 - транзистор n-p-n
Определим величину Е2, при которой транзистор будет находиться в режиме глубокой отсечки, исходя из условия запирания.
Вычерчиваем схему замещения в режиме глубокой отсечки по правилам*. Поскольку в схеме присутствуют три источника энергии, воспользуемся методом наложения для определения Uбэ:
Uбэ = Uбэ1 +Uбэ2 +Uбэ3
От источника Eб: Uбэ1 = (-)Е2;
От источника Iк0: Uбэ2 = Iк0 Rб;
От источника Ек: |
Uбэ = 0. |
|
|
|
В результате получаем: |
|
|
||
Uбэ = Uбэ1 +Uбэ2 +Uбэ3 = Iк0 Rб |
− E2 |
Схема замещения в режиме |
||
С учетом условия запирания: |
|
|||
|
глубокой отсечки |
|||
Iк0 Rб − E2 0 |
|
E2 Iк0 Rб |
|
|
|
|
|
|
|
В виду того, что тепловой ток Iк0 с ростом температуры возрастает, для надежного запирания условие должно выглядеть так:
*При изображении схемы замещения:
•используется схема замещения в режиме глубокой отсечки, причем конфигурация схемы сохраняется
•ставятся точки выводов (Б, К, Э)
•указывается стрелка положительного напряжения Uбэ
(«+» на базе, «-» на эмиттере независимо от типа транзистора
E2 |
Iк0 Rб |
При выполнении данного условия транзистор |
будет надежно находиться в режиме |
глубокой отсечки |
|
Чем больше величина Е2, тем больше глубина отсечки. |
16 |
|
Задания для самопроверки
1.Нарисуйте схему электронного ключа на биполярном транзисторе. Опишите назначение элементов.
2.Что такое насыщенный и ненасыщенный ключ?
3.Используя выходные ВАХ биполярного транзистора, покажите: а) области соответствующие режимам работы электронного ключа; б) положение рабочей точки, соответствующее режимам: глубокой отсечки, неглубокой отсечки, насыщения, активному режиму.
4.Нарисуйте схемы замещения и запишите условия нахождения биполярного транзистора (p- n-p, n-p-n) в режиме насыщения/глубокой отсечки.
5.Используя УГО биполярного транзистора (p-n-p, n-p-n), покажите полярности напряжений между электродами транзистора, направления токов для режимов его работы.
6.Что необходимо сделать, чтобы транзистор находился в режиме насыщения/глубокой отсечки?
7.Что показывает степень насыщения? Как она определяется? Поясните физический смысл параметров, определяющих степень насыщения.
8.Нарисуйте схему электронного ключа на биполярном транзисторе и его схемы замещения во включенном и запертом состоянии.
Все задания выполнять без обращения к конспекту лекций и другим источникам!
17
Быстродействие ключей на биполярных транзисторах
Быстродействие ключа определяется временем переключения транзистора из одного статического состояния в другое.
Факторы, определяющие быстродействие ключей на биполярных транзисторах:
1.Инерционность носителей заряда (решающий фактор, т.к. скорость переключения
транзистора определяется скоростью изменения количества неосновных носителей в
базе прибора).
2.Влияние паразитных емкостей.
Кратко рассмотрим переходные процессы при переключении ключа на биполярном
транзисторе. На входе действует разнополярное прямоугольное напряжение (меандр) с
идеально крутыми фронтами.
В исходном состоянии Uвх=Е2 имеет запирающую полярность для транзистора (полярность без скобок). Транзистор заперт и находится в режиме глубокой отсечки.
Схема ключа на биполярном транзисторе |
Схема замещения ключа |
18 |
|
|
режиме глубокой отсечки
В момент времени t1 входной сигнал скачком меняет свою полярность на противоположную
(отрицательную), т.е. Uвх=-E1. Пренебрегаем временем заряда емкости эмиттерного перехода и
полагаем, что эмиттерный переход получает
мгновенное включение.
По базовой цепи начинает протекать прямой базовый ток, величина которого
I |
|
|
Е1 −Uбн |
|
|
|
Е1 |
. |
||
б1 |
= |
= |
Е U |
бн |
||||||
|
|
|||||||||
|
|
Rб |
1 |
|
Rб |
|||||
|
|
|
|
|
|
|||||
Т.о. прямой базовый ток получается в виде ступеньки, величина которой полностью определяется внешней цепью.
Диаграммы токов и напряжений
Схема ключа на биполярном транзисторе |
ключа на БТ |
19 |
|
|
Данный iб будет расходоваться в нескольких направлениях:
1. Изменение напряжения на емкости эмиттерного перехода Cэ
I |
(t) = Cэ |
duбэ (t) |
|
iб |
|
||
dt |
|||
|
|
2. Изменение напряжения на емкости коллекторного перехода Cк:
iII (t) = C duкб (t) .
б к dt
3. Изменение заряда в базе
iбIII (t) = dqdt(t) .
4. Компенсация рекомбинационных процессов в базе транзистора
iIV (t) = q(t) ,
б |
|
|
|
|
|
где β – эффективное время жизни неосновных носителей в базе транзистора.
Т.о. можно записать, просуммировав все составляющие тока базы:
Iб1 |
= Cэ |
duбэ |
(t) |
+ Cк |
duкб |
(t) |
+ |
dq(t) |
+ |
q(t) |
. |
dt |
dt |
dt |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
20
Данное уравнение – уравнение заряда.