цифровые устройства / лекции / 05_ЦУ_Электронные ключи_2026
.pdf
На практике первыми двумя членами пренебрегают:
0 0
Iб1 |
= Cэ |
duбэ |
(t) |
+ Cк |
duкб |
(t) |
+ |
dq(t) |
+ |
q(t) |
. |
dt |
dt |
dt |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Уравнение заряда принимает вид:
Iб1 |
= |
dq(t) |
+ |
q(t) |
. |
dt |
|
||||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
Решение этого простейшего дифференциального уравнения:
q(t) = I |
|
|
1− e |
−t |
|
. |
|
|
|
|
|||||
|
б1 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Видно, что заряд в базе будет изменяться по экспоненциальному закону.
По действием этого тока базы транзистор переходит из режима отсечки в активную область и затем в режим насыщения.
Процесс включения ключа состоит из двух этапов:
1.Формирование фронта импульса.
2.Накопление избыточного заряда.
21
1. Формирование фронта коллекторного тока tф
происходит на интервале t1 - t2, в течение которого VT находится в активном режиме и за счёт тока Iб1 в его базе растет заряд неосновных носителей (Q пропорционален Iб).
В момент t2 заряд в базе достигает некоторого граничного значения Qгр. Закон изменения тока коллектора iк повторяет закон изменения заряда Q.
На данном интервале транзистор находится в активном режиме.
Вмомент t2 коллекторный переход смещается в прямом направлении и транзистор переходит в режим насыщения.
Вбазе находится достаточное количество носителей, при избытке которых они заполняют обратно смещённый колл. переход и он теряет обратное смещение и смещается в прямом направлении. Т.о. оба перехода транзистора смещены в прямом направлении, поэтому транзистор становится насыщенным.
Внасыщении напряжение на коллекторе Uкн близко к нулю, а ток коллектора Iк=Iкн максимален (его рост прекращается):
I |
|
|
Ек |
; |
Q = I |
|
|
Iкн |
. |
кн |
|
бн |
|
||||||
|
|
Rк |
гр |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||
Величина Qгр определяется как параметрами транзистора (β, β), так и величиной тока Iбн, который в свою очередь определяется параметрами внешней цепи
(Eк, Rк).
Диаграммы токов и напряжений |
|
ключа на БТ |
22 |
2. Накопление избыточного заряда (Qизб)
начинается с момента t2 , когда транзистор находится в насыщении. Заряд в базе продолжает возрастать, но при этом коллекторный ток постоянен Iк = соnst.
Чем больше Iб1 > Iбн , тем больший избыточный заряд накапливается в базе. Значение заряда, превышающее Qгр называется избыточным зарядом. Максимальный заряд, накопленный в базе называется стационарным зарядом и
определяется как Qст = Iб1 н.
В состоянии насыщения изменяется распределение неосновных носителей в базе и, вследствие этого, их время жизни, причем по мере накопления заряда оно уменьшается. Некоторая средняя величина этого времени τн
называется постоянной времени транзистора при насыщении.
Диаграммы токов и напряжений
ключа на БТ |
23 |
Процесс выключения ключа начинается в момент времени t3 , когда на входе транзистора начинает действовать входное напряжение запирающей (положительной полярности) Uвх = Е2. В цепи базы появляется обратный ток. Из-за наличия накопленного заряда в базе входное сопротивление транзистора малó (ЭП не может закрыться), поэтому транзистор продолжает находиться в режиме насыщения. Величина тока базы:
Iб2 (−) Е2 .
Rб
Заряд в базе начинает уменьшаться вследствие рекомбинации носителей и действия тока Iб2.
Процесс выключения ключа также состоит из двух этапов:
1.Рассасывание избыточного заряда.
2.Спад импульса.
Диаграммы токов и напряжений
ключа на БТ |
24 |
1. Рассасывание избыточного заряда.
Заряд неосновных носителей и его распределение в базе не могут измениться мгновенно, т.е. требуется время, для того чтобы величина заряда
снизилась до Qгр. Это время называется временем
рассасывания tр.
Рассасывание избыточного заряда происходит вследствие рекомбинации и вывода носителей из базы током Iб2 обратным току Iб1.
В течение tр транзистор продолжает находится в
режиме насыщения, а ток коллектора продолжает сохранять своё постоянное значение (Iк = соnst).
2. Спад импульса тока коллектора начинается в момент t4, когда заряд в базе достигает граничного значения. Коллекторный переход смещается в обратном направлении и транзистор переходит в активный режим. Спад импульса происходит в течение времени спада tc. Коллекторный ток в активном режиме пропорционален заряду Q и изменяется от величины Iкн до Iк0 ≈ 0.
В течение всех описанных выше процессов напряжение коллектора меняется в соответствии с выражением: uкэ (t) = Eк − iк (t) Rк .
Диаграммы токов и напряжений |
|
ключа на БТ |
25 |
Выводы
Для повышения быстродействия ключа необходимо:
tф → 0 (быстрое включение – быстрое нарастание коллекторного тока); tр → 0 (отсутствие задержки при выключении);
tс → 0 (быстрое выключение – быстрый спад коллекторного тока).
1. Для уменьшения tф необходимо либо увеличивать ток базы Iб1, либо выбирать транзистор меньшей β (т.е. с хорошими частотными свойствами).
2. Для уменьшения tр необходимо либо увеличивать обратный ток базы Iб2, либо снижать
избыточный заряд, накапливаемый в базе Qизб (снижая ток Iб1).
3. Для уменьшения tс необходимо либо увеличивать обратный ток базы Iб2, либо выбирать транзистор меньшей β (т.е. с хорошими частотными свойствами).
Ключ можно выключить, используя пассивное запирание, т.е. при Iб2 =0. В этом случае и рассасывание носителей и уменьшение заряда в базе будет осуществляться только за счёт рекомбинации – это увеличивает время выключения ключа!
4. Очевидно, что транзисторному ключу на биполярном транзисторе свойственно противоречие. С одной стороны, для снижения tф нужно увеличивать ток базы Iб1, с другой стороны, увеличение тока Iб1 ведёт к возрастанию избыточного заряда Qизб, а
следовательно, к возрастанию времени рассасывания tр.
= |
1 |
, |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
2 f |
|
|
|
|
|
|
f |
β |
– предельная частота работы транзистора (справочный параметр) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
26
Транзисторный ключ с форсирующим конденсатором
Для быстродействия ключей применяют различные
схемные решения, способствующие увеличению скорости изменения заряда в базе на всех этапах переключения транзистора.
По сути все схемные способы ускорения переходных
процессов сводятся к получению формы базового тока,
подобной показанной на рисунке.
Для сокращения tф, tр, tс необходимо, чтобы базовый ток имел короткие выбросы, способствующие быстрейшему накоплению и рассасыванию заряда.
В стационарном состоянии после включения ключа ток базы должен обеспечить режим транзистора на грани насыщения или с заходом в насыщение настолько, чтобы при наихудшем сочетании отклонений параметров схемы транзистор не перешёл в активный режим. 
Наиболее просто задача получения требуемой формы базового тока решается путём введения в
схему дополнительного элемента ускоряющего конденсатора (форсирующего конденсатора).
Ключ с форсирующим |
27 |
конденсатором |
|
Принцип действия ключа с форсирующим конденсатором
При поступлении отрицательного импульса в |
R1<<R2 |
|
|
||
момент времени t1 резистор R2 шунтируется |
|
|
|
|
|
конденсатором Cф, следовательно, т.к. R1<<R2 ток |
|
|
|
|
|
базы будет максимальным Iб1 max. |
|
|
По мере заряда (интервал t1 – t2) конденсатор |
|
|
перестает шунтировать R2, а ток базы снижается до |
|
|
установившегося значения Iб уст. |
|
|
При поступлении положительного импульса в |
|
|
(момент времени t3) в первый момент конденсатор |
|
|
является источником напряжения с полярностью, |
|
|
совпадающей с полярностью входного сигнала. |
|
|
Резистор R2 шунтируется конденсатором и ток |
|
|
Iб2max определяется сопротивлением R1 и |
|
|
суммарным напряжением E2+Uсф. Причём |
|
|
Iб1max<Iб2max, поскольку при положительном |
|
|
импульсе Uсф больше, чем в момент действия |
|
|
отрицательного. |
|
|
Ключ с форсирующим
конденсатором
28
Ненасыщенные ключи
С целью устранения этапа рассасывания (задержки выключения), необходимо создать транзистору во включенном состоянии не насыщенный, а активный режим.
Непосредственно активный режим работы транзистора в ключевых схемах не используют вследствие сильной зависимости выходных параметров схемы от β транзистора, температуры и т.д.
Для стабилизации выходного напряжения ненасыщенных ключей применяют цепи нелинейной отрицательной обратной связи. Элементами цепей могут выступать импульсные диоды, диоды Шоттки.
Принцип действия заключается в следующем.
R1<<R2
Схема транзистора Шоттки
Диод Шоттки включается между базой и коллектором транзистора и, таким образом, шунтирует коллекторный переход.
Падение напряжения на диоде Шоттки меньше падения напряжения на обычном p-n-переходе
кремниевого транзистора. Поэтому после отпирания диода на коллекторном переходе фиксируется
R1<<R2
напряжение, которое хотя и смещает этот переход в прямом направлении, но по величине меньше порогового. Следовательно, транзистор практически не насыщается, и время рассасывания tр близко к нулю. Задержка выключения при этом также отсутствует, т.к. в диоде Шоттки не происходит накопления зарядов, и поэтому он не обладает инерционностью.
Биполярный транзистор с диодом Шоттки принято называть транзистором Шоттки. Такой транзистор широко применяется в интегральных схемах.
29
Недостатки ключей на биполярных транзисторах
Ключи на биполярных транзисторах имеют ряд недостатков, ограничивающих их применение:
1.Ограниченное быстродействие, вызванное конечной скоростью
рассасывания неосновных носителей в базе.
2.Значительная мощность, потребляемая цепями управления в статическом режиме.
3.Термическая неустойчивость, определяемая ростом тока при увеличении температуры.
30