Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Ткаченко_Ф_А_Техническая_электроника_00.DOC
Скачиваний:
150
Добавлен:
26.09.2019
Размер:
17.57 Mб
Скачать

9.2. Ключи на биполярном транзисторе

Транзисторный ключ в общем случае состоит из транзистора, базового сопротивления, обеспечивающего режим управления по току Rб>>rвх, сопротивления коллектора и нагрузки. Транзистор в ключевой схеме может включаться по схеме с ОБ, ОЭ, ОК. Наибольшее распространение получила схема с ОЭ, представленная на рис. 9.2.

Нелинейные элементы, а также ключевые схемы на их основе должны обладать следующими свойствами:

 ‑во включенном состоянии минимальным сопротивлением и минимальным (остаточным) падением напряжения;

 ‑в выключенном состоянии максимальным сопротивлением и минимальными тепловыми токами и токами утечки;

 ‑высоким быстродействием, т.е. скоростью перехода из закрытого состояния в открытое и наоборот;

 ‑высокой помехоустойчивостью, которая характеризуется чувствительностью схемы к воздействию помех;

 ‑высокой чувствительностью, характеризующей переключение схемы при минимальном изменении входного сигнала;

 ‑высокой надежностью при эксплуатации.

Транзистор в схеме работает в ключевом режиме, характеризуемом двумя устойчивыми состояниями: режимом отсечки и режимом насыщения. Для удобства рассмотрения процессов, протекающих в транзисторе, на выходной характеристика строится нагрузочная прямая, описываемая уравнением . Режим отсечки транзистора обеспечивается при отрицательных потенциалах базы Uвх<0. Под действием входного напряжения эмиттерный переход закрывается, ток базы Iб=–Iкбо, в коллекторный цепи протекает небольшой обратный (тепловой) ток коллекторного перехода Iкбо. Этому состоянию соответствует рабочая точка 1 на статической характеристике, которая определяет величину выходного напряжения

. (9.1)

Критерием выбора транзисторов, работающих в ключевом режиме, является малое значение Iкбо. Сопротивление транзистора в закрытом состоянии велико и равно

. (9.2)

Для уменьшения времени зарядки барьерной и паразитных емкостей ключа, влияющих на быстродействие схемы, сопротивление Rк. выбирают небольшим порядка единиц кОм. Поэтому выходное сопротивление ключа определяется параллельным соединением Rк и Rт

. (9.3)

При подаче на вход положительного напряжения ток базы возрастает, и при соответствующем его значении транзистор из режима отсечки переходит в режим насыщения (точка 2 рис. 9.2). Увеличение тока базы вызывает увеличение тока коллектора Iк, а напряжение Uкэ на открытом транзисторе уменьшается. Падение напряжения на открытом транзисторе невелико и его называют остаточным напряжением Uкэ нас, и оно лежит в пределах 0,05…1 В. При изменении температуры окружающей среды напряжение Uкб и Uэб изменяются приблизительно на одну и ту же величину, а напряжение Uкэ нас, является разностью этих напряжений и изменяется очень мало. Такой ключ называют инвертирующим (инвертором). Через транзистор в этом случае протекает максимальный ток, который называется током насыщения

, (9.4)

. (9.5)

До некоторого граничного значения тока базы Iб гр сохраняется соотношение между токами электродов транзистора, характерное для активного режима

, (9.6)

где h21Э статический (усредненный) коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ (а не дифференциальный коэффициент h21э при малом входном сигнале).

При дальнейшем увеличении тока базы (Iб>Iб гр) транзистор переходит в режим насыщения, остаточное напряжение почти не изменяется, ибо все выходные характеристики проходят через точку 2 (рис. 9.2,б), а соотношение (9.6) нарушается. Для оценки глубины насыщения транзистора вводят параметр S (коэффициент насыщения), который показывает во сколько раз ток, протекающий в цепи базы, больше Iб гр при вхождении транзистора в режим насыщения

. (9.7)

В режиме насыщения сопротивление транзистора минимально и практически не зависит от Iб и Rк, которое определяет выходное сопротивление замкнутого ключа. В режиме насыщения транзистор теряет управляемость, токи его электродов остаются неизменными и определяются параметрами внешних цепей. Важным преимуществом режима насыщения является независимость тока коллектора от параметров транзистора (9.5) и температуры окружающей среды.

При подаче на вход ключа напряжения положительной полярности ток базы практически мгновенно увеличивается, и в транзисторе протекают переходные процессы (рис. 9.3), приводящие к постепенному нарастанию тока коллектора. Инерционность переходных процессов связана с накоплением неосновных носителей в базе и перезарядом барьерных емкостей р–n переходов транзистора.

Строгий теоретический подход к анализу этих процессов заключается в решении уравнений непрерывности. При произвольном уровне инжекции уравнение непрерывности нелинейно, и получить аналитическое решение для распределения носителей в базе невозможно.

Существуют приближенные методы анализа переходных процессов: метод заряда, метод кажущихся токов и метод Эберса–Молла. Метод заряда заключается в том, что транзистор рассматривается как устройство, управляемое неравновесным зарядом неосновных носителей. Изменяя величину заряда в активном режиме, можно изменять величину коллекторного тока. Изменение величины избыточного заряда в режиме насыщения позволяет изменять время рассасывания неосновных носителей. Если известен закон изменения во времени заряда в базе, то можно определить закон изменения тока коллектора и время рассасывания.

Изменение заряда Q во времени (dQ/dt) вызвано током базы iб(t) и рекомбинацией носителей в области базы – Q/. Ток базы в транзисторе для активного режима выражается следующим выражением:

. (9.8)

Решая это уравнение при нулевых начальных условиях Q0=0, Iб=const получим

, (9.9)

где  – время жизни неосновных носителей в базе.

Из выражения (9.9) следует, что процесс изменения заряда происходит по экспоненте с постоянной времени . Зависимость приращения заряда от времени при создании скачка тока базы имеет вид

. (9.10)

Согласно уравнению (9.10) при скачкообразном изменении тока базы ток коллектора будет изменяться по экспоненте с той же постоянной времени, что и накопленный в базе заряд.

. (9.11)

При достижении током коллектора тока насыщения возрастание коллекторного тока прекращается.

На переходные процессы в транзисторе сильное влияние оказывают емкости р–n переходов. Напряжение Uбэ не может измениться скачком (рис. 9.3) из-за влияния барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного переходов. Когда напряжение Uбэ достигнет порогового значения (момент времени t3), резко возрастают инжекция носителей из эмиттера в базу и диффузионная емкость Cдиф э, рост Uбэ замедляется, в коллекторной цепи появляется ток, создающий падение напряжения на резисторе Rк.

Интервал времени с момента подачи входного сигнала до момента, когда ток коллектора достигает 0,1Iк нас, называют временем задержки, и его можно рассчитать по формуле

, (9.12)

где ;

 ‑ усредненные барьерные емкости эмиттерного и коллекторного переходов.

Коллекторный ток возрастает по экспоненте, стремясь к величине Iб1h21э

. (9.13)

Интервал времени с момента нарастания фронта выходного импульса тока от 0,1Iк нас до 0,9Iк нас называют временем нарастания, и оно равно

. (9.14)

Суммарное время tзд+tнр=tвкл называется временем включения. За это время накапливаемый заряд в базе достигает значения Q, характерного для активного режима. С увеличением времени воздействия входного сигнала транзистор переходит в режим насыщения, заряд в базе достигает значения Qб нас.

С приложением запирающего напряжения в момент времени tз в цепи базы появляется отрицательный ток . Скачкообразно понижается напряжение на базе, связанное с изменением напряжения на сопротивлении базы rб: . На эмиттерном и коллекторном переходах остаются прямые напряжения до тех пор, пока концентрация избыточных носителей у границ переходов в базе не уменьшится до нуля. При этом ток коллектора остается постоянным, равным Iк нас, а выходное напряжение низким. Время с момента подачи на базу запирающего импульса до момента, когда ток коллектора уменьшается до 0,9Iк нас называется временем рассасывания tрас

, (9.15)

где '   ‑ эквивалентная постоянная времени, равная времени жизни неосновных носителей заряда в базе в режиме насыщения.

После выхода транзистора из режима насыщения при t>t4 ток коллектора уменьшается до нуля, а напряжение на выходе возрастает до Uип. Время с момента уменьшения тока коллектора от 0,9Iк нас до 0,1Iк нас называют временем спада (среза) tсп

. (9.16)

Суммарное время tвык=tрас+tсп называется временем выключения. Время включения и время выключения характеризуют быстродействие ключа. Для повышения быстродействия необходимо использовать транзисторы с большими предельными частотами.