1.1. Статические свойства ключа

Д ля анализа и расчёта ключевых схем на биполярных транзисторах используют их эквивалентные схемы. Существующие методы, программы и точности расчётов обуславливают большое количество этих схем, и лишь некоторые из них получили наибольшее распространение. Часто используемой является модель Эберса-Молла, которая различается в двух разновидностях: полная и идеализированная (одномерная) модели (рис. 1.4а, б).

Полная модель (рис. 1.4а)) учитывает объёмные сопротивления слоёв, включая эффект модуляции толщины базы (эффект Эрли), и ёмкости p-n переходов. Модель использует параметры для нормального и инверсного включений и применяется для учёта инерционных (частотных) свойств транзистора.

Анализ статических состояний ключа проще проводить, используя идеализированную модель биполярного транзистора, включённого по схеме с ОБ (рис. 1.4б), и по формулам Эберса-Молла, так как они позволяют рассматривать работу ключа при любых сочетаниях напряжений на р-n переходах транзистора.

В этой схеме токи эмиттера I_Э и коллектора I_К содержат по две составляющие: инжектируемую (I₁ и I₂) и собираемую ( и ), то есть: ; . Токи I₁ и I₂ - это прямые токи открытых эмиттерного и коллекторного переходов. С учётом изложенного уравнения Эберса-Молла имеют вид:

где I_ЭБ0, I_КБ0 – значения обратных токов эмиттерного и коллекторного переходов измеренных в режимах холостого хода (обрыве) коллектора и эмиттера.

Между обратными токами переходов существует зависимость: . Считая значения коэффициентов , можно полагать, что . Это позволяет упростить формулы Эберса-Молла, а также анализ работы ключа.

1.1.1. Режим отсечки

При подаче на эмиттерный переход транзистора, запирающего напряжения U_БЭ<0, будут закрыты оба перехода транзистора. Величины запирающих напряжений U_БЭ и U_КБ (Е_П) должны значительно превышать величину температурного потенциала , то есть U_ЭБ>>_T, U_КБ>>_T и считая _N>>_I.

Переход транзистора в режим отсечки осуществляется при подаче на эмиттерный переход запирающего напряжения, когда выполняется условие

Тогда из приведённых уравнений Эберса-Молла можно получить выражения для токов закрытого транзистора:

.

Полученные значения токов будут минимальными и имеют место при режиме, называемым режимом глубокой отсечки.

Эквивалентная схема ключа в режиме отсечки будет иметь вид, приведённый на рис. 1.5.

С читая величины напряжений U_БЭ=0 и U_КБ>>_T, в приведённых уравнениях, получим значения токов для ещё закрытого транзистора, но уже находящегося на границе между областью отсечки и нормального активного режима (линейной активной области): .

Токи I_Э и I_К увеличиваются и, кроме того, I_Э меняет знак при практически неизменном I_Б, что отражено на рис. 1.2.

Напряжение на эмиттерном переходе, которое соответствует граничному значению при ,( ) между режимами ЛАО и областью отсечки, будет равно:

,

где знак “─” соответствует транзистору n-p-n типа, а знак “+“ транзистору p-n- p - типа.

Количественно глубина режима отсечки характеризуется коэффициентом отсечки, который часто называют коэффициентом запирания. Он зависит от сопротивления резистора , включённого в цепь базы транзистора:

.

Оптимальное значение коэффициента отсечки составляет значение . Минимальную величину сопротивления можно найти из неравенства: .