1.2.5. Время среза

Время среза или отрицательного фронта следует после завершения процесса рассасывания t_РАС и определяется тем же законом изменения заряда в базе при условии, когда значение заряда носителей Q(t) изменится от граничного Q_ГР до нулевого Q(t)=0. Подставив это значение в исходное выражение изменения заряда и решая относительно , получим его значение:

,

где .

Решая полученное равенство относительно , получим:

.

При большом запирающем токе, когда

получается более простое линейное выражение: .

Таким образом, уменьшение  связано с увеличением значения выключающего тока и уменьшением .

Полученные формулы для процесса формирования выходного напряжения являются приближенными, так как в них не учтены влияние ёмкости , R_K и нелинейность распределения зарядов в базе при изменении тока во время переходного процесса. При учёте влияния и R_K в выражениях для нужно параметр _β заменить на .

Работа ключа в значительной степени зависит от величины нагрузки подключённой к выходу схемы. Поэтому все вышеприведённые соотношения справедливы для режима холостого хода .

Если к коллекторной цепи транзистора будет подключена нагрузка R_Н, то во всех выражениях, включающих величину R_K, следует поставить . В этом случае амплитуда выходного напряжения уменьшится и будет зависеть от величины сопротивления резистора нагрузки. При оценке влияния ёмкости нагрузки С_Н на работу ключа нужно учитывать её постоянную в постоянной времени _0е вместе с и R_K.

Р ассмотренные переходные процессы ключа на биполярном транзисторе при включении-выключе-нии представлены на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Переходные процессы в ключе на биполярном n⁺-р-n транзисторе

Существенным недостатком рассмотренной схемы ключа без смещения является необходимость использования биполярного сигнала для его управления. Это затрудняет согласование однотипных ключей, так как у них сигнал на выходе однополярный.

Глава 2. Повышение быстродействия ключей на биполярных транзисторах

Повышение быстродействия схемы ключа связано с уменьшением времён переходных процессов. Это может быть обеспечено как за счёт уменьшения времён нахождения транзистора в квазистатическом состоянии (времена задержки и рассасывания), так и за счёт снижения времён нахождения в активном режиме (времена фронта и среза). Так, увеличение открывающего базового тока I_Б транзистора приводит к уменьшению его , но в то же время при этом растёт .

Это противоречие может быть устранено введением во входную цепь ключа форсирующего (ускоряющего) конденсатора.

Сокращение длительности переключения за счёт исключения насыщения транзистора решается введением в схему ключа отрицательной нелинейной обратной связи (ООС).

Рассмотрим каждый из этих методов в отдельности.

Д ля повышения быстродействия наибольшее распространение, особенно в дискретной схемотехнике, получила схема с ускоряющим конденсатором С_УСК (рис. 1.9а)).

В такой схеме при подаче входного сигнала за счёт кратковременно увеличивающихся входных токов транзистора при переключениях уменьшаются все времена переходного процесса, и значительно повышается быстродействие ключа.

Временные диаграммы работы ключа с ускоряющим конденсатором приведены на рис. 1.9б)).

Когда ключ закрыт, в базовой цепи транзистора протекает обратный ток , который создаёт положительное начальное напряжение на конденсаторе С_УСК: .

При отпирании ключа скачок входного напряжения и начальное напряжение на конденсаторе С_УСК создают ток равный: , который уменьшается до величины с постоянной времени: (где ) через интервал времени . Таким образом, наличие С_УСК увеличивает крутизну при меньшей степени насыщения N транзистора.

При запирании ключа напряжение на C_УСК будет равно: и, следовательно, происходит увеличение запирающего тока. Поэтому t_ВЫКЛ также будет уменьшаться с уменьшением t_РАС. Однако при больших запирающих токах будет инверсное рассасывание, которое может привести к выбросам выходного напряжения, поэтому необходимо выбирать оптимальную величину ёмкости конденсатора C_УСК.

Выбор её величины проводится из условия окончания переходного процесса во входной цепи следующим образом. Полагаем, что: , а ток будет постоянен и определяется как разность: .

Полученное выражение для значения ёмкости имеет вид:

.

Если известна длительность входного импульса , то для определения C_УСК можно использовать следующие выражения:

.

При более точном анализе можно получить выражение для выбора ёмкости конденсатора С_УСК:

.

Устранить насыщение транзистора можно путём фиксации коллекторного потенциала (относительно базы) введением нелинейной ООС выполненной в виде маломощного диода (рис. 1.10).

Т акой ключ называется ненасыщенный. За счёт падения напряжения на резисторе R_Б при подаче входного напряжения U_ВХ создаётся падение напряжения, которое поддерживает диод VD1 в открытом состоянии, уменьшается базовый ток и фиксируется коллекторное напряжение. Тем самым предотвращается насыщение базы транзистора.

Если , то диод закрыт ( ), а ток коллектора будет равен: .

Если , то диод открывается, начинает действовать ООС, и увеличение входного тока не будет влиять на режим работы транзистора, так как он остаётся на границе насыщения при . Напряжение на диоде будет равно: (компенсирует падение напряжения на открытом диоде), то есть с этого момента всё приращение входного тока I_ВХ пойдёт через диод в цепь нагрузки, уменьшая величину базового тока в (1+β) раз. Поэтому величина избыточного заряда накапливаемого в базе транзистора будет гораздо меньше, чем в схеме ключа работающего с насыщением. При подаче запирающего импульса приращения коллекторного тока, проходя через диод в базу транзистора, складываются с входным запирающим током, и получается больший суммарный запирающий ток.

Найдём: , считая , при котором транзистор открывается: . Далее определяем ток диода и по ВАХ диода находим его

, .

Величину R_Б можно определить, приняв отпирающее значение порогового напряжения диода равным: .

Для ключей с транзисторами малой мощности (150 мВт), величина R_Б составляет сотни Ом.

Применение нелинейной ООС приводит к резкому уменьшению или устранению t_РАС, уменьшает и не изменяет .

В схемах ключей на интегральных логических элементах (ИЛЭ) используют диоды Шоттки (p-n переход металл-полупроводник (алюминий-кремний Al-Si)), имеющие малые и (время восстановления). В этом случае коллекторный переход не открывается, и транзистор остаётся на границе насыщения. Поэтому наличие резистора R_Б в схеме ключа (рис. 1.10б)) не является необходимым, и он может отсутствовать.

Наряду с положительными свойствами ненасыщенные клю-чи имеют ряд недостатков, которые обусловлены работой транзистора в активном режиме:

1. Возникающие «скачки-перепады» выходных напряжений при открывании диода делают ключ более чувствительным к наводкам по цепи питания, то есть менее помехоустойчивым.

2. Несколько большая величина остаточного напряжения (около 0,5 В) уменьшает размах выходного напряжения и увеличивает его температурную нестабильность.