1.2 Ключевой режим работы биполярных транзисторов

Транзисторная импульсная и цифровая техника базируется на работе транзистора в качестве ключа. Замыкание и размыкание цепи нагрузки — главное назначение транзистора, работающего в ключевом режиме. По аналогии с механическим ключом (реле, контактором), качество транзисторного ключа определяется в первую очередь падением напряжения (остаточным напряжением) на транзисторе в замкнутом (открытом) состоянии, а также остаточным током транзистора в выключенном (закрытом) состоянии.

Важность рассмотрения свойств транзисторного ключа для уяснения последующего материала вытекает из того, что путем изменения состояний транзистора в последовательной цепи с резистором и источником питания осуществляются, по сути дела, формирование сигналов импульсной формы, а также различные преобразования импульсных сигналов в схемах и узлах импульсной техники. Транзистор применяют также в качестве бесконтактного ключа в цепях постоянного и переменного токов для регулирования мощности, подводимой к нагрузке.

Основой всех узлов и схем импульсной и цифровой техники является так называемая ключевая схема — каскад на транзисторе, работающем в ключевом режиме. Построение ключевой схемы подобно усилительному каскаду. Транзистор в ключевой схеме может включаться с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. Наибольшее распространение получила схема ОЭ. Этот вид включения биполярного транзистора и используется далее при рассмотрении ключевого режима его работы.

Рисунок 1.3 - Ключевая схема на транзисторе (а), графическое определение режимов открытого и закрытого состояний транзистора (б)

Ключевая схема на транзисторе типа р-п-рпоказана на рисунке 1.3,а. Транзистор Т выполняет функцию ключа в последовательной цепи с резисторомR_Kи источником питания.

Для удобства рассмотрения процессов в схеме в режимах открытого и закрытого состояний транзистора воспользуемся графоаналитическим методом, основанным на построении линии нагрузки а - бпо постоянному току (рисунок 1.3,б). Линия нагрузки описывается соотношениемU_кэ= -(Е_к-I_кR_к) и проводится так же, как для усилительного каскада. Точки пересечения линии нагрузки с вольт-амперными характеристиками транзистора определяют напряжения на элементах и ток в последовательной цепи.

Режим запирания (режим отсечки) транзистора осуществляется подачей на его вход напряжения положительной полярности (U_вх> 0), указанной на рисунке 1.3,абез скобок. Под действием входного напряжения эмиттерный переход транзистора запирается (U_бэ> 0) и его токI_э= 0. Вместе с тем через резисторR_бпротекает обратный (тепловой) ток коллекторного переходаI_к0. Режиму закрытого состояния транзистора соответствует точкаМ_з(рисунок 1.3,б).

Протекание через нагрузку теплового тока I_к0связано с тем, что транзистор в закрытом состоянии не обеспечивает полного отключения нагрузочного резистораR_кот источника питания. Малое значениеI_к0является одним из критериев выбора транзистора для ключевого режима работы.

Величину запирающего входного напряжения U_вх.зanвыбирают из расчета того, чтобы при протекающем через резисторR_бтепловом токе было обеспечено выполнение условия

.

(1.1)

Напряжение U_6эдля германиевых транзисторов составляет 0,5 — 2 В.

Режим открытого состояния транзистора достигается изменением полярности входного напряжения (U_вх< 0) и заданием соответствующего тока базы. Открытое состояние транзистора характеризует точкаМ_она линии нагрузки.

Определим необходимые условия для создания открытого состояния транзистора. С этой целью предположим, что при U_вх< 0 ток базыI_бувеличивается постепенно.

Увеличению тока базы будет соответствовать увеличение тока коллектора и перемещение рабочей точки из положения М_звверх по линии нагрузки. НапряжениеU_кэтранзистора при этом постепенно уменьшается.

До некоторого граничного значения тока базы (I_б.гр) сохраняется известная пропорциональная зависимость междуI_киI_б:

,

(1.2)

где β_ст— статический (усредненный) коэффициент передачи тока транзистора в схеме ОЭ (а не дифференциальный коэффициентβ, действительный для малого входного сигнала). Точка М_опри токе базыI_б.грхарактеризует «полное» открытие транзистора. Через транзистор и резисторR_кпротекает ток

,

(1.3)

где U_{кэ.откр} — падение напряжения (остаточное напряжение) на транзисторе в открытом состоянии.

Остаточное напряжение U_{кэ.откр}, являющееся существенным параметром транзистора в импульсном режиме работы, должно быть минимальным. В зависимости от типа прибора напряжениеU_{кэ.откр}лежит в пределах 0,05—1 В. Ввиду относительно малого остаточного напряжения по сравнению сЕ_красчет токаI_коткрытого транзистора проводится по формуле

(1.4)

С учетом формулы (1.2) находят граничное значение тока базы I_б.гроткрытого транзистора, при котором наблюдается пропорциональная зависимость тока коллектора от тока базы:

.

(1.5)

Таким образом, точка М_она рисунке 1.3,бпредставляет собой точку пересечения линии нагрузки с начальным участком коллекторной характеристики транзистора приI_б=I_б.гр.

При дальнейшем увеличении тока базы (I_б>I_б.гр) остаточное напряжениеU_{кэ.откр} остается почти неизменным, так как все коллекторные характеристики транзистора приI_б>I_б.грпрактически проходят через точкуМ_она рисунке 1.3,б. Режим работы открытого транзистора приI_б>I_б.грназывают насыщенным, а отношениеs=I_б/I_б.гр- коэффициентом насыщения транзистора.

Режим насыщения широко используют для обеспечения открытого состояния транзистора. Его открытое состояние при этом становится более устойчивым к воздействию помех во входной цепи, а положение точки М_оне зависит от изменения коэффициента передачи токаβ_сттранзистора, в частности, с понижением температуры. В режиме насыщения ток базы транзистора

(1.6)

где коэффициент sдля надежного насыщения транзистора в требуемом температурном диапазоне может составлять 1,5—3. Найденный ток базы обеспечивается параметрами входной цепи ключевой схемы:

.

(1.7)

Рассмотрим процессы, протекающие в ключевой схеме при наличии на ее входе управляющего импульса напряжения (рисунок 1.4,а). Это необходимо для выяснения свойств схемы при передаче импульсных сигналов. Примем входной импульс напряжения идеальной прямоугольной формы (длительности переднего и заднего фронтов импульса равны нулю).

а- входной импульс напряжения;б- ток базы;в- ток коллектора;

г- напряжение на коллекторе

Рисунок 1.4 - Диаграммы напряжений и токов ключевой схемы

На интервале t₀—t₁, когда входной импульс напряжения отсутствует, транзистор заперт напряжениемU_вх.запположительной полярности. ТокиI_б,I_к. определяются тепловым током транзистораI_к0(рисунок 1.4,б,в). Напряжение на транзистореU_кэ= - (Е_к-I_к0R_к) (рисунок 1.4,г).

С момента времени t₁(рисунок 1.4,а) процессы в схеме обусловливаются отпиранием транзистора входным импульсом напряжения отрицательной полярностиU_вх.отп. Это сопровождается изменением токаi_ки напряженияu_кэтранзистора (рисунок 1.4,в, г). Как видно из диаграмм, характер измененияi_киu_кэпри отпирании транзистора отличается от вызвавшего их скачкообразного изменения входного напряжения. Отличие обусловлено инерционностью транзистора и проявляется в постепенных нарастании токаi_ки уменьшении напряженияu_кэ. В первом приближении можно принять, что измененияi_к(t) иu_кэ(t) происходят по экспоненте. Тогда инерционность транзистора может быть учтена эквивалентной постоянной времениτ_в=τ_β+τ_кв предположенииτ_к=_к(э)R_к, где_к(э)—интегральная (для большого сигнала) емкость коллекторного перехода транзистора в схеме ОЭ.

Если принять, что ток базы в интервале отпирания имеет прямоугольную форму с амплитудой I_б.отп ≈U_вх.отп/R_б>I_б.гр(рисунок 1.4,б), то вызванный им токi_к(t) будет изменяться по закону

.

(1.8)

Коллекторный ток возрастает по экспоненциальному закону, стремясь к β_стI_б.отп>E_к/R_к(см. рисунок 1.4,в). Однако, достигнув предельного значенияI_к≈E_к/R_к, токi_кв дальнейшем не изменяется и формирование фронта импульсаi_кзаканчивается.

Положив в формуле (1.8) i_к=I_к, находим длительность фронта нарастания коллекторного тока транзистора:

.	(1.9)
С учетом того, что имеем
.	(1.10)

Из соотношения (1.10), следует, что длительность фронта импульса сокращается с увеличением коэффициента насыщения транзистора. Это объясняется тем, что большему коэффициенту sсоответствует больший отпирающий базовый ток, вследствие чего ток коллектора достигает установившегося значения за меньший интервал времени. Так, например, приτ_в= 5 мкс иs= 3 получаемt_ф= 2,03 мкс.

При s= 1 (транзистор при отпирании работает в активном режиме) соотношение (1.10) не может быть использовано для определенияt_ф. В этом случае уместно говорить об активной длительности фронта, определяемой относительно уровней 0,1 и 0,9 установившегося значения коллекторного тока (1.8):t_ф=τ_вln0,9/0,1 = 2,2 τ_в.

Характер изменения. u_кэ(t) при отпирании транзистора (рисунок 1.4,г) подчиняется зависимостиu_кэ(t) = -Ек +i_к(t)R_к. В момент времениt₃действие входного отпирающего импульса напряжения заканчивается. К базе транзистора прикладывается запирающее напряжениеU_вх.зап (рисунок 1.4,а).

С приложением запирающего напряжения ток коллектора и напряжение u_кэв течение некоторого интервала времени остаются неизменными, а транзистор по-прежнему открыт. Создается задержка в запирании транзистора. Это объясняется тем, что до момента времениt₃транзистор находился в режиме насыщения и при поступлении запирающего сигнала ток коллектора еще поддерживается уходящими .из базы в коллектор избыточными носителями заряда (дырками). Только после ухода (рассасывания) избыточных носителей и перехода транзистора в активный режим ток коллектора начинает уменьшаться, а напряжение на коллекторе — возрастать (рисунок 1.4,в,г). Помимо ухода избыточных носителей заряда по цепи коллектора их рассасывание осуществляется и по цепи базы за счет протекания обратного токаI_б.обр, вызванного запирающим напряжением. Обратный (инверсный) ток базы при этом ограничивается сопротивлениемR_бвходной цепи:I_б.обр≈U_вх.зап/R_б.

Время, в течение которого происходит рассасывание избыточного заряда в базе, называется временем рассасывания t_р(рисунок 1.4,в). Это время пропорционально коэффициенту насыщенияs. Следующий затем интервал спадания токаi_копределяет время заднего фронта (среза) t_сколлекторного тока.

При определении t_pиt_cнеобходимо решать уравнение, описывающее изменение заряда в базе. Ввиду пропорциональности заряда в базе току коллектора (базы) процесс, протекающий в транзисторе после момента времениt₃, выражается через токи транзистора в следующем виде:

(1.11)

где τ_β’— эквивалентная постоянная времени, примерно равная времени жизни неосновных носителей заряда в базе в режиме насыщения, но меньше постоянной времениτ_β, действительной для активного режима (τ_β’≈τ_β/2).

Выражение (1.11) является уравнением экспоненциальной кривой, показанной в интервале t₃ — t₄пунктиром (рисунок 1.4,в).

Положив в выражении (4.11) i_к=I_к≈E_к/R_к=β_стI_б.гр, находим

.	(1.12)
При и
.	(1.13)

После выхода транзистора из насыщения ток i_к(t)уменьшается от значенияI_к, также стремясь к —β_стI_б.гр(рисунок 1.4,в), т. е.

.

(1.14)

Положив в формуле (1.14) i_к= 0, получаем

.

(1.15)

Длительности t_ф,t_p,t_cхарактеризуют быстродействие транзисторного ключа. Как следует из выражений (1.9), (1.12), (1.15), они зависят от частотных свойств используемого транзистора и параметров импульса базового тока. Порядок их величин составляет от долей единицы до единиц микросекунды.

В настоящее время широко используется (особенно в интегральных микросхемах) ключевой режим работы кремниевых транзисторов типа п-р-п.

По построению и характеру работы ключевая схема на транзисторе типа п-р-паналогична схеме рисунка 1.3,а. Отличие заключается в противоположных полярностях напряжения питанияЕ_ки отпирающего напряженияU_вх.отп, а также в противоположных направлениях токов базы, эмиттера, коллектора.

Кремниевые транзисторы, в частности типа п-р-п, имеют довольно малый тепловой токI_к0. Влияние токаI_к0в выходной и входной цепях закрытого транзистора пренебрежимо мало. По этой причине запирание этих транзисторов осуществимо приU_вх.зап=U_бэ= 0. Эта особенность кремниевых транзисторов дает важное практическое преимущество — возможность исключить дополнительные источники запирающего напряжения в базовых цепях, необходимые для германиевых транзисторов.