8.4.1.Транзисторные ключи.

Транзисторные ключи (ТК) являются одним из наиболее распространенных элементов импульсных устройств. На их основе создаются триггеры, мультивибраторы, коммутаторы, блокинг-генераторы и т.д.

В зависимости от целевого назначения ТК и особенностей его работы схема ТК может несколько видоизмениться. Но, несмотря на это, в основе всех модификаций лежит изображенная на рис. 2.6,а транзисторная ключевая схема.

В ТК транзисторы работают в нескольких качественно различных режимах, которые характеризуются полярностями напряжений на переходах транзисторов.

Принято различать следующие режимы работы ключа: режим отсечки, нормальный активный режим, инверсный активный режим, режим насыщения.

Транзисторный ключ по своей схеме подобен транзисторному усилителю с ОЭ. Однако по выполняемым функциям и соответственно режимам работы активного элемента он существенно отличается от усилительного каскада.

ТК выполняет функции быстродействующего ключа и имеет два основных состояния: разомкнутое, которое соответствует режиму отсечки транзистора (транзистор закрыт), и замкнутое, которое характеризуется режимом насыщения транзистора или режимом, близким к нему.

В Течение процесса переключения транзистор работает в активном режиме. В целом процессы

в ключевом каскаде носят нелинейный характер.

Статические характеристики ТК. Поведение ТК в статическом режиме полностью определяется статическими характеристиками транзистора. При их анализе обычно используют семейство выходных коллекторных характеристик Iк=f(Uкэ) (рис. 2.6.б) семейство входных характеристик I_б=f(U_бЭ) (рис. 2.6.в.)

Режим отсечки характеризуется обратным смещением коллекторного и эмиттерного переходов транзистора: Uвх>0. Область отсечки практически совпадает с самой нижней кривой семейства коллекторных характеристик, которая иногда называется характеристикой отсечки.

Характеристика отсечки снимается при разорванной цепи эмиттера (Iэ=0), тогда ток коллектора Iк=I_КбО=-I_б. Показано, что I_КбО=I_ЭбО.

Выражения для коллекторного и эмиттерного тока транзистора имеют вид:

где h_{21б -} коэффициент передачи тока коллектора при включении транзистора по схеме с общей базой, h_21б1 - коэффициент передачи тока коллектора при инверсном включении транзистора, m=2...4, φ - потенциальный барьер перехода, Т -абсолютная температура.

А=1- h_21бh_21б1.

В режиме глубокой отсечки выполняются условия │U_Эб│>mφ и │U_Кб│>mφ, поэтому соответствующие напряжения имеют знак минус (переходы смещены в обратном направлении). Это позволяет пренебречь экспоненциальными членами и упростить выражения

Iк=1/А[-h_21б1I_ЭбО+I_КбО] (2.1)

Iэ=1/А[-I_ЭбО+ h_21б1I_КбО] (2.2)

Так как для транзисторов, работающих в любом режиме, справедливо соотношение

h_21бI_ЭбО=h_21бI_КбО

то

I_ЭбО≈I_КбО (2.3)

Подставив (2.3) в выражения (2.1 )и {2.2), получим:

Iк=1/А[-h_21б1I_КбО+I_КбО] (2.4)

Iэ=1/А[h_21б1/h₂₁I_КбО+h_21б1I_КбО] (2.5)

Преобразуем выражения (2.4), и (2.5) учитывая, что обычно выполняются условия h_21б1<<h_21б иh_21б→1:

Iк=I_КбО(1-h_21б1)/1-h_21бh_21б1≈I_КбО(1-h_21б1)/1-h_21б1=I_КбО

Iэ= -I_КбОh_21б1(1-h_21б1)/(1-h_21бh_21б1)h_21б≈ -I_КбОh_21б1(1-h_21б1)/(1-h_21б1)h_21б= -I_КбОh_21б1/h_21б

Таким образом, в режиме глубокой отсечки в цепи коллектора протекает ток I_КбО, а в цепи эмиттера - ток - -I_КбОh_21б1/h_21б.

Так как инверсный коэффициент передачи базового тока h_21б1<< h_21б, то ток в цепи эмиттера мал и в первом приближении его считают равным нулю. Тогда ток базы в режиме глубокой отсечки приблизительно равен току коллектора:

I_б=Iэ-Iк≈ -I_КбО

Режим насыщения имеет место при прямом смещении обоих переходов транзистора. При этом падения напряжения на переходах, как правило, не превышают нескольких милливольт (при Т =300 К, φ = 25 мВ).

На коллекторных характеристиках транзистора область насыщения характеризуется линией насыщения ОН (рис. 2.6,б). Каждой точке этой линии соответствует некоторое значение напряжения Uкэ=Uк_НАС и тока Iк = Iк_НАС. Ток Iк_НАС называется коллекторным током насыщения. Как видно из характеристик, эти величины связаны между собой линейной зависимостью

Rнас=Rт= Uк_НАС /Iк_НАС,

где Rнас - сопротивление насыщенного транзистора. Значения Rнас, определяются крутизной линии насыщения. Обычно оно достаточно мало (например, у транзистора КТ504 Rнас≈50 Ом). Каждой точке линии насыщения соответствует некоторое граничное значение тока базы

I_б=I_{б НАС}, при котором транзистор входит в насыщение.

Входную цепь транзисторного ключа характеризуют следующие параметры:

1) Входной ток закрытого транзистора.

2) Напряжение управления, необходимое для надежного запирания транзистора.

3) Минимальный перепад управляющего сигнала, необходимый для обеспечения надежного запирания транзистора.

4) Входное сопротивление транзистора в открытом состоянии (или напряжение необходимое для обеспечения надежного открытого состояния).

Выходными параметрами ТК являются:

1. Выходное сопротивление ключа Rвых (Rк при закрытом и Rнас при открытом транзисторе).

2. Максимальный ток открытого ключа (равен току насыщения).

3. Минимальное (остаточное) напряжение на коллекторе транзистора в открытом состоянии Rкэ нас (десятые доли вольт).

4. Максимальное напряжение на коллекторе закрытого транзистора Uкэ зак=Ек-I_КбОRк

5. Коэффициент использования напряжения источника питания К_Е=(Uкэ зак-Uкэ нас)/Ек.

8.4.2.Ненасыщенные ключи.

Если необходимо получить максимальное быстродействие, транзистор не вводят в режим глубокого насыщения. Такие ключи называют ненасыщенными. В них транзистор работает на границе активной области, а для предотвращения насыщения вводят нелинейную обратную связь, например, так, как показано на рис. 2.7.

Основной смысл введения обратной связи заключается в фиксировании потенциала коллектора относительно потенциала базы. Другими словами, необходимо обеспечить, чтобы этот потенциал всегда оставался отрицательным. Положительный потенциал характерен для режима насыщения.

Если бы диод был идеальным (рис. 2.7,а) и открывался при близком к нулю прямом напряжении, то источник смещения можно было бы не подключать. Учитывая, что диод открывается только при напряжений U = 0,3... 0,4 В, приложенном в прямом направлении, ЭДС источника смещения Есм выбирают порядка 0,4...0,6 В.

При отпирании транзистора диод будет закрыт до момента, пока потенциал его коллектора не станет равным значению, при котором диод открывается. С момента открытия диода все приращение коллекторного тока идет через него в цепь базы и замыкается через источник входного сигнала. Это уменьшает ток базы приблизительно в 1+h_21Э раз. В итоге избыточный заряд, накапливаемый в базе транзистора, будет много меньше, чем при включении его в обычную схему насыщенного ключа.

Если теперь подать на вход запирающий импульс ∆I, то он почти полностью пойдет в базу транзистора, так как сопротивление участка база-эмиттер значительно меньше сопротивления участка цепи диод - резистор Rк. При этом в течение определенного времени приращение коллекторного тока происходит по-прежнему через открытый диод в базу транзистора (рис. 2.7,6). Это приращение накладывается на управляющий импульс, вызывая его уменьшение до момента закрытия диода. Уменьшение накопленного, в базе заряда приводит к тому, что время задержки, обусловленное рассасыванием накопленных неосновных носителей заряда, близко к нулю.