Ключевой режим работы транзистора

В зависимости от состояния p-n переходов транзис­торов различают три вида его работы:

Режим отсечки, при котором оба его перехода (эмиттерный и коллекторный) будут закрыты. Ток базы в этом случае равен 0, ток коллектора равен обратному току. Уравнение динамического режима будет иметь вид,

U_кэ = Е_к - I_кбо R_к.

Произведение I_кбо R_к ≈ 0, значит, напряжение коллектор-эмиттер транзисто­ра U_кэ будет стремиться к напряжению источника питания Е_к. Графически режимы работы ключа в виде областей показаны на рис.7.13.

Рис. 7.13. Режимы работы ключа

Режим насыщения, когда оба перехода (эмиттерный и коллекторный) открыты, в транзисторе происходит свободный переход носителей зарядов. Ток базы транзистора I_б будет максимален, а ток коллектора примерно равен току насыщения транзистора, т. е. I_к = I_к.н, U_кэ = Е_к - I_к.н R_н. Произведение I_к.н R_н будет стремиться к значению величины напряжения источника питания Е_к, значит, напря­жение коллектор-эмиттер транзистора U_кэ будет стремиться к 0.

Линейный режим - при котором эмиттерный пере­ход открыт, а коллекторный закрыт. При этом верны следующие соотношения параметров:

I_б.max > I_б > 0, I_к.н > I_к > I_кбо, Е_к > U_кэ > U_кэ.нас.

Ключевым режимом работы транзистора называется такой режим, при котором рабочая точка транзистора скачкообразно переходит из режима отсечки в режим насыщения и наоборот, минуя линейный режим.

Рассмотрим схему ключевого каскада на одном n-p-n транзисторе (рис. 7.14) и диаграммы ее работы (рис. 7.15).

Рис.7.14. Схема ключевого каскада

Рис.7.15. Диаграмма работы ключа

Резистор R_б ограничивает ток базы транзистора, что­бы он не превышал максимально допустимого значения для данного транзистора. В промежуток вре­мени от 0 до t₁ входное напряжение и ток базы близки к 0 и транзистор находится в режиме отсечки. Напряжение коллектор-эмиттер U_к является выходным и будет близ­ко к напряжению питания Е_к. В промежуток времени от t₁ до t₂ входное напряжение и ток базы транзистора становятся максимальными и транзистор войдет в режим насыщения. После момента времени t₂ транзистор пере­ходит в режим отсечки. Следовательно, транзисторный ключ является ин­вертором, т. е. изменяет фазу поступающего на его вход сигнала на 180 °. Емкость перехода база-эмиттер транзистора VТ₁ совместно с сопротивлением резистора R_б представляет собой интегрирующую цепь, которая замедляет процесс открывания и закрывания транзистора. Для преодоления этого недостатка параллельно резистору R_б включают конденсатор, называемый ускоряющим или форсирующим, его емкость должна быть больше входной емкости транзистора.

Эквивалентная схема транзистора, включенного по схеме с общей базой

Обычно сопро­тивление эмиттера r_э равно десяткам ом, с базы r_б сотням Ом, а сопротивление коллектора r_к составляет от десятков тысяч до сотен тысяч ом. Принципиальная схема каскада с общей базой и соответствующая ей эквивалентная схема показаны на рис. 7.16.

Рис. 7.16. Схема каскада с ОБ и эквивалентная схема транзистора

Входное сопротивление R_вх каскада с общей базой вычисляют по следующей формуле:

Входное сопротивление каскада ОБ весьма мало и состав­ляет всего несколько десятков Ом, при этом величина 1 - α, используемая в рассмотренной формуле, стремится к 0.