фоэ,1ч

“включено” (ключ замкнут). Состояние “включено” должно характеризоваться минимальным падением напряжения на ключе, а состояние “выключено” – минимальным током утечки. Роль ключа может выполнять биполярный или полевой транзистор. Переключение электронного ключа из одного состояния в другое осуществляется подачей на вход устройства управляющих импульсов или уровней напряжения.

5.1.1. Состояние “выключено”

На рис. 5.1а изображена схема нормально разомкнутого ключа на n-p-n транзисторе. При отсутствии на входе управляющего импульса транзистор

VT закрыт, т.к. напряжение Uбэ=0, а пороговое напряжение отпирания кремниевого n-p-n транзистора равно приблизительно 0,6 В. В базовой и коллекторной цепях протекает ток обратно смещенного коллекторного перехода Iко

(iк = Iко, iб = − Iко), который весьма мал и составляет доли микроампера. Напряжение на коллекторе закрытого транзистора равно

Uкз=Ек − Iко Rк ≈ Ек.

Поскольку ток Iко очень мал, то Uкэ незначительно (на десятые доли вольта) отличается от напряжения источника питания Ек.

Идеально разомкнутая цепь (рис. 5.1, в) характеризуется равенствами: i = 0, Uкл = E. Эти равенства приблизительно, но с достаточной для практики степенью точности, выполняются для коллекторной цепи транзистора, на-

ходящегося в режиме отсечки: iк ≈ 0, Uкз ≈ Eк. Поэтому можно утверждать, что транзистор, находящийся в режиме отсечки, выполняет роль разомкнутого ключа для коллекторной цепи. Рабочая точка режима “выключено” находится на пересечении линии нагрузки со статической характеристикой, со-

ответствующей току базы Iб =−Iко, и находится в точке 1, (рис. 5.1б).

5.1.2. Состояние “включено”

При подаче на вход положительного импульса управления с амплитудой Uвхm транзистор открывается, появляются базовый и коллекторный токи, которые в усилительном режиме связаны следующим приблизительным равенством:

Iк ≈ β Iб,

где β − коэффициент усиления по току для схемы ОЭ.

40

Когда транзистор открыт и ненасыщен, эти равенства не выполняются (см., например, проекции точки 3, рис. 5.1, б).

Режим насыщения обеспечивается подбором параметров схемы ключа и амплитудой входного сигнала. Условие насыщения

ет насыщение транзистора. В частном случае, на рис. 5.1, б, ток Iбн соответст-

вует току Iб5,

Iб − реальный ток, протекающий в базовой цепи открытого транзистора. Для рис. 5.1 а) он равен

I б =URвхm .

При этом условие насыщения для схемы рис. 5.1 а) запишется так

Степень насыщения транзистора оценивается коэффициентом

Рассмотренный ключ называют нормально разомкнутым, т.к. при отсутствии управляющего входного сигнала коллекторная цепь разомкнута, а при подаче входного положительного импульса цепь замыкается на время действия входного импульса. Работа такой цепи иллюстрируется рисунком 5.2.

Рис. 5.2

42

5.2. Нормально замкнутый электронный ключ

Схема нормально замкнутого электронного ключа изображена на рис. 5.3.

Рис. 5.3

При отсутствии управляющего входного импульса транзистор открыт, т.к. на переход база-эмиттер подано прямое смещение от источника Eк через гасящий резистор R. Чтобы открытый транзистор был насыщен, нужно, чтобы параметры схемы удовлетворяли неравенству (5.3).

При выполнении неравенства (5.3) транзистор в схеме на рис. 5.3 открыт и насыщен и выполняет роль замкнутого ключа для коллекторной цепи.

При подаче отрицательного управляющего импульса транзистор входит в режим отсечки и на время действия этого импульса выполняет роль разомкнутого ключа для коллекторной цепи. Работа нормально замкнутого ключа на n-p-n транзисторе иллюстрируется рисунком 5.3, б.

5.3. Быстродействие транзисторного ключа

5.3.1. Время включения

Вследствие того, что физические процессы в транзисторе носят диффузионный характер, транзистор является инерционным прибором, и переклю-

43

чение его из одного состояния в другое происходит не мгновенно. Время перехода транзистора из режима отсечки в режим насыщения, а ключа - из ра-

зомкнутого состояния в замкнутое, называется временем включения tвкл (оно

равно длительности переднего фронта импульса тока коллектора tф1), как показано на рис. 5.4. При подаче управляющего положительного отпирающего

импульса в базовой цепи потечет ток Iб1 = URвхm . Ток коллектора вследствие

инерционности транзистора стремится к значению β Iб1 не скачком, а по закону переходной характеристики транзистора

где fβ - граничная частота транзистора.

Время включения можно найти из закона переходной характеристики транзистора как время, за которое ток коллектора достигает значения Iкн и перестает изменяться (рис. 5.4)

Прологарифмировав это выражение, получим:

откуда

44

Применив известные формулы приближенного вычисления для малых α,

1−1α ≈1+α и ln (1+α) ≈ α,

получим, что при больших отпирающих токах базы Iб1, когда значение

I

tвкл ≈τβ β кн . (5.4)

Iб1

Рис. 5.4

45

5.4.2. Время выключения

Когда транзистор находится в режиме насыщения, в области базы скапливается большое число неосновных носителей (избыточный заряд). В результате этого после окончания входного отпирающего импульса неосновные носители продолжают поступать в коллектор, поддерживая ток в коллекторной цепи, пока не произойдет рассасывания избыточного заряда в базе.

Это время называется задержкой на выключение tз, рис. 5.4. Время перехода транзистора из режима насыщения в режим отсечки, а ключа из замкнутого состояния в разомкнутое называется временем выключения. Оно состоит из двух слагаемых – времени задержки на выключение и длительности заднего фронта импульса

tвыкл = tз + tф2 .

Времязадержкиможно найти как время, за которое теоретический коллекторный ток уменьшается от значения β Iб1 до значения Iкн по закону переходной характеристики транзистора, рис. 5.4:

Iδ = I δ 2 + I δ1 ,

46

Длительность tф2 также находится из закона переходной характеристики транзистора как время, за которое коллекторный ток убывает от значения Iкн до нуля:

5.5. Методы повышения быстродействия транзисторных ключей

При работе на низких частотах время нахождения ключа в статическом состоянии гораздо больше времени включения и выключения. Например, на частоте 1кГц период равен 1000 мкс, что гораздо больше времени переключения, которое может составлять десятки микросекунд. Поэтому вопрос о быстродействии ключа на низких частотах можно не ставить.

При работе электронного ключа на частотах сотни килогерц и выше, когда время нахождения ключа в статическом состоянии становится соизмеримым с временем переключения и даже меньше его (таблица 5.1), условия работы ключа нарушаются. Поэтому на указанных частотах принимают меры для повышения быстродействия ключа, т.е. для сокращения времени включения и выключения.

5.5.1. Из анализа формул (5.4), (5.5) и (5.6) видно, что для уменьшения всех этих составляющих, т.е. для повышения быстродействия, в схемах ключей следует применять высокочастотные типы транзисторов, которые имеют

высокую граничную частоту fβ и, следовательно, малое τβ.

5.5.2. Другим методом повышения быстродействия является создание в базовой цепи оптимальной формы тока. Из формулы (5.4) видно, что чем

47

большим током Iб1 открывается транзистор, тем меньше время его открыва-

ния tвкл. С другой стороны, из формулы (5.5) следует, чем больше ток Iб1, тем больше степень насыщения транзистора в состоянии “включено” и тем боль-

ше времени потребуется для вывода его из насыщения tз. Уменьшив время включения, мы увеличиваем время выключения.

Для разрешения этого противоречия желательно, чтобы после вхождения транзистора в режим насыщения, базовый ток уменьшился. Из формул (5.5) и (5.6) видно, что чем большим обратным базовым током Iб2 закрывается транзистор, тем быстрее он закрывается (тем меньше tз и tф2). Из проведенного анализа формул (5.4), (5.5) и (5.6) видно, что форма тока в цепи управления ключом, с целью повышения его быстродействия, должна иметь вид, представленный на рис. 5.5. Для повышения быстродействия ключа нужно создавать броски базового тока в моменты отпирания и запирания транзистора (а не в статическом режиме). Форму тока базы, близкую к желаемой, можно получить, если зашунтировать резистор R в схеме ключа конденсатором, как показано на рис. 5.6.

При подаче положительного управляющего импульса потечет ток заряда конденсатора (в начале переходного процесса конденсатор шунтирует

убывает по экспоненте и достигает стационарного значения Iб1, которое определяется величиной амплитуды входного сигнала и сопротивлением резистора R. После окончания управляющего входного импульса разряд конденсатора создает бросок обратного тока в базовой цепи, способствуя более бы-

48

строму рассасыванию носителей и более быстрому запиранию транзистора (уменьшается время выключения).

Таким образом, конденсатор, включенный параллельно резистору R, не влияет на статические состояния ключа, но создает необходимые для повышения быстродействия скачки токов в базе в моменты открывания и закрывания транзистора. Поэтому он называется ускоряющим конденсатором. Схема критична к выбору этого конденсатора. Заметный эффект повышения быстродействия проявляется, когда емкость Cуск имеет значения сотни пикофарад.

Рис. 5.6

5.5.3. Еще одним способом повышения быстродействия транзисторного ключа является устранение насыщения транзистора. С одной стороны, насыщенный режим транзистора в ключевой схеме необходим для выполнения требований к ключу (получения минимального остаточного напряжения на ключе и максимального тока в коллекторной цепи). С другой стороны, для повышения быстродействия насыщенный режим транзистора не желателен. Для удовлетворения этих двух требований необходимо остановить рабочую точку на характеристиках в активном режиме, но близком к насыщению (точка 4 на рис. 5.1, б). Однако практически реализовать такой режим не представляется возможным из-за большого разброса параметров транзисторов. Ненасыщенный, но близкий к насыщению режим работы транзистора получают используя нелинейную отрицательную обратную связь – НООС. Схема ключа с НООС изображена на рис. 5.7. Когда транзистор закрыт, закрыт и диод и обратная связь не действует. При подаче управляющего импульса транзистор открывается и входит в активный режим, при этом базо-

49