В установившемся режиме
IК≈ β IБ, а IЭ =(β +1) IБ +IКБО ≈ (β +1) IБ.
Влияние барьерных емкостей. При рассмотрении частотных свойств (§ 5.7.2) отмечалось, что барьерная емкость эмиттерного перехода вызывает снижение коэффициента инжекции γЭ. В только что проведенном рассмотрении процессов в базе мы полагали коэффициент инжекции неизменным во времени и даже считали его равным единице. Уменьшение коэффициента инжекции должно приводить к тому, что скорость нарастания коллекторного тока на рис. 5.32 уменьшится. Такое влияние барьерной емкости эмиттера можно свести к увеличению постоянной времени τα по сравнению с временем пролета (5.128).
В § 5.7.4 также пояснялось, что на высоких частотах происходит уменьшение амплитуды коллекторного тока из-за барьерной емкости коллекторного перехода. Это влияние учитывалось введением постоянной времени (5.104) τК =(Rбб' +Rкк')Cкб. Однако, если в коллекторной цепи последовательно с Rкк' включен резистор Rк, a Rк >> Rкк' и Rк >> Rбб', то вместо τК необходимо принимать постоянную времени равной RкСк. Эта величина не является параметром транзистора, так как зависит от внешнего резистора Rк. Тем не менее ее удобно рассматривать как добавление к параметру транзистора τα путем введения понятия эквивалентной постоянной времени
τα экв = τα +RкСк. (5.131)
Аналогично для схемы с ОЭ вводится эквивалентная постоянная времени
τβ экв = τβ +RкС*к, (5.132)
где в соответствии с (5.81) С*к =(β+ 1)Ск.
Таким образом, и в схеме с ОЭ происходит увеличение постоянной времени переходного процесса.
5.8.2. Статический режим ключевой схемы на биполярном транзисторе
Ключевой режим БТ является разновидностью динамического режима с импульсным изменением токов и напряжений в больших пределах. Поэтому его можно назвать режимом большого импульсного сигнала,который характерен для цифровых схем, генераторных устройств, преобразователей импульсов и др. Малосигнальный импульсный режим легко анализируется на основе частотных свойств БТ по законам теории линейных цепей и здесь не рассматривается.
На рис. 5.34 изображена простейшая схема электронного ключа, содержащая n-р-n-транзистор в схеме включения с ОЭ, резисторы RК и RБ в коллекторной и базовой цепях. Штриховыми линиями показаны барьерная емкость эмиттерного и коллекторного переходов СЭБ, СКБ и нагрузочная емкость СН, которая складывается из выходной емкости самого ключа и входной емкости последующей схемы.
В соответствии с назначением ключа БТ может находиться в одной из двух крайних статических режимах: режиме отсечки (транзистор закрыт) и режиме насыщения (транзистор открыт).
На рис. 5.35 показаны семейство выходных характеристик БТ в схеме с ОЭ и нагрузочная прямая АВ, проходящая через точку В, где UКЭ = EК, и точку A, для которой IК = EК/RК (см § 5.5.1).
Зависимость базового тока от напряжения UВХв статическом режиме при известном сопротивленииRБможно найти с помощью входной характеристики (рис. 5.36), соответствующей заданному значению напряженияUКЭ. Для этого надо (как и на рис. 5.35) построить нагрузочную прямую ЕF:точка Е определяется на оси абсцисс значениемUБЭ= UВХ, а точка F – на оси ординат значениемUВХ/RБ. Точка К пересечения нагрузочной прямой с входной характеристикой определяет рабочие значения тока базы и напряженияUБЭ. Изменение UВХ во времени приводит к параллельному смещению прямой EF и соответствующему смещению точки К по входной характеристике (штриховые линии на рис. 5.36).
Следует напомнить (см. § 5.3.2), что входная характеристика для заданного UКЭ пересекает ось абсцисс (IБ = 0) при некотором значении UБЭО. При IБ = 0 имеется небольшой ток коллектора и эмиттера IК = IЭ= IКЭО = (β + 1)IКБО, что, строго говоря, не соответствует режиму отсечки, так как напряжение UБЭО прямое, а UКБ = UКЭ + UЭБ – обратное. Режим отсечки на рис. 5.35 соответствует точке С, где нагрузочная прямая АВ пересекает выходную характеристику с параметром IБ = IКБО, т.е. когда IК = IКБО. Вследствие малости IКБО в режиме отсечки (для точки С) UКЭ = EК – IК RК = Ек – IКБО ≈ EК.
Для перехода в режим насыщения, характеризуемого на рис. 5.35 точкой D, необходимо увеличить входной ток IБ до значения IБ нас, называемого базовым током насыщения. Соответствующее значение коллекторного тока называется током насыщения коллектора IК нас, а напряжение – напряжением насыщения UКЭ нас или остаточным напряжением UКЭ нас = ЕК – IК нас RК. Очевидно, что
IК нас = β IБ нас, (5.133)
где β – интегральный коэффициент передачи тока базы, определяемый отношением полных токов. Поэтому
IБ нас = IК нас /β. (5.134)
Приближенно можно считать, что IК нас ≈ ЕК/Rк.
Тогда IБ нас ≈ ЕК / βRК. (5.135)
При IБ > IБ нас существует режим насыщения, а при IБ < IБ нас – нормальный активный режим. Для характеристики степени (глубины) насыщения используют коэффициент насыщения
Sнас = IБ / IБ нас. (5.136)
Граница между режимами насыщения и нормальным активным режимом соответствует Sнас = 1