5.8.3. Переходные процессы в простейшем ключе в схеме с оэ

Рассмотрим переходные процессы в схеме, показанной на рис. 5.34. В исходном состоянии оба перехода БТ включены в об­ратном направлении, т.е. транзистор зафиксирован в режиме от­сечки, характеризуемым точкой С на рис. 5.35. На рис. 5.37 сопо­ставлены все переходные процессы в ключе, которые предстоит объяснить.

Входное импульсное напряжение обеспечивающее уп­равление ключом, показано на рис. 5.37,а. Исходное напряжение в режиме отсечки – E_Б2. Напряжение на эмиттерном переходе U_БЭ отличается от E_Б2, так как в режиме отсечки через резистор R_Б проходит ток I_КБО, создающий падение напряжения I_КБО R_Б, кото­рое уменьшает обратное напряжение на переходе: Но обычно U_БЭ = – E_Б2 + I_КБОR_Б, поэтому U_БЭ ≈ – E_Б2. В момент t₁ входное напряжение меняет полярность, чтобы обеспечить вклю­чение БТ. Напряжение генератора скачком изменяется от значе­ния – Е_Б2 до E_Б1, создавая перепад напряжения ∆U_ВХ = Е_Б2 + E_Б1. Но напряжение U_БЭ на переходе не может измениться скачком из-за наличия интегрирующей RС-цепи, состоящей из резистора R_Б и входной емкости С_ВХ, равной сумме параллельно включен­ных барьерных емкостей С_ЭБ и С_КБ эмиттерного и коллекторного переходов (С_ВХ = С_ЭБ + С_КБ). В первом приближении считается, что U_БЭ нарастает по экспоненциальному закону (рис. 5.37,б) с по­стоянной времени τ_ВХ = R_Б С_ВХ:

(5.137)

Применение этого закона, справедливого для процесса зарядки обычного конденсатора, оправдано тем, что в барьерных емкостях также протекают токи смещения (см. § 3.6.2). Уравнение (5.137) спра­ведливо до тех пор, пока появляющийся базовый ток настолько мал, что входное сопротивление БТ не влияет существенно на постоянную времени τ_ВХ. Поясним происходящее изменение тока базы.

Обратимся к рис. 5.36. Ток базы проходит через нулевое зна­чение при прямом напряжении эмиттерного перехода U_БЭО, а за­тем довольно быстро возрастает. В режиме насыщения (ключ от­крыт) I_Б = I_{Б нас}. Будем условно называть пороговым напряжением U_{БЭ пор}, то напряжение, при котором I_Б = I_{Б нас}, а коллекторный ток I_К ≈ I_{К нас}. При U_БЭ > U_{БЭ пор} (I_Б < 0,1 I_{Б нас}) можно принять ключ закрытым. Итак, считаем, что при U_БЭ > U_{БЭ пор} ключ начинает откры­ваться и появляется заметный коллекторный ток (I_К > I_{К нас}), т.е. начинается процесс включения. При этом можно считать, что вход­ное сопротивление транзистора обеспечивает выполнение усло­вия r_ВХ << R_Б этом режиме значение базового тока

,

которое в случае Е_Б1>>U_{БЭ пор} и R_Б>>r_ВХ сводится к величине

(5.138)

Таким образом, после достижения U_{БЭ пор} входную цепь можно рассматривать как генератор тока. Увеличение U_БЭ по сравнению с U_{БЭ пор} мало влияет на этот вывод.

Скачок тока базы показан на рис. 5.37,е. Однако этот скачок отстает на время (t₂ – t₁) относительно скачка входного напряже­ния. Время задержки можно оценить по формуле (5.137), подста­вив в нее ∆U_ВХ = E_Б1 + E_Б2 и u_БЭ(t) = U_{БЭ пор}. Тогда

(5.139)

При изменении u_БЭ(t) до значения U_{БЭ пор} (рис. 5.37,б) ток коллекто­ра возрастает до значения 0,1 I_{К нас} и затем происходит основной рост коллекторного тока.

Нарастание коллекторного тока происходит в условиях посто­янного тока базы I_Б1, что было рассмотрено в § 5.8.2 (см. рис. 5.33). Поэтому должна наблюдаться задержка начала коллекторного то­ка относительно скачка базового тока на время, равное времени пролета носителей в базовой области. Однако этим временем при рассмотрении переходных процессов в схеме с ОЭ можно пренеб­речь по сравнению с величиной (5.139), т.е. можно считать, что за­держка импульса коллекторного тока совпадает с t_зд в формуле (5.139). Коллекторный ток растет по экспоненциальному закону (рис.5.37,г) с постоянной времени τ_β, равной времени жизни неос­новных носителей в базе, если не учитывать влияние емкости кол­лекторной цепи, а при ее учете следует брать эквивалентную по­стоянную времени (5.132) τ_{β экв} = τ_β + (β + 1)R_КС^*_К. Тогда

(5.140)

Эта зависимость показана штриховой линией на рис. 5.37,г. При t→ ∞ I_К → β I_Б, однако это значение не может быть достигнуто, так как к моменту t₃ транзистор переходит из нормального активного ре­жима в режим насыщения, где ток ограничивается значением I_{К нас}. Интервал (t₃– t₂) называется временем нарастания импульса коллекторного тока:

Его значение легко оценить из зависимости (5.140), принимая в ней i_К(t₃)≈ I_{К нас}:

Отсюда следует, что увеличение отпирающего тока базы I_Б1 приво­дит к уменьшению времени нарастания. Это очевидно, так как при большом количестве носителей требуется меньше времени для по­лучения того же тока I_{К нас}.

Сумму времени задержки и времени нарастания называют бре­менем включения транзистора:

(5.141)

Для уменьшения времени включения необходимо снижать барь­ерные емкости эмиттерного С_ЭБ и коллекторного С_КБ переходов, уменьшать сопротивления R_Б и R_К, увеличивать коэффициент пере­дачи тока β и отпирающий ток базы I_Б1.

По окончании процесса включения в момент t₃ ток коллектора ог­раничен уровнем I_{К нас}, но в базовой области происходит накопление избыточного "заряда, соответствующего разности между штриховой экспоненциальной кривой на рис. 5.37,а и уровнем I_{К нас}.

Процесс выключения транзистора начинается в момент t₄, когда входное напряжение скачком изменяется от E_Б1 до –E_Б2.

При этом в цепи базы появляется отрицательный базовый ток – I_Б2 = –E_Б2/ R_Б, если E_Б2 >> U_БЭ. Затем ток базы уменьшается плавно до значения I_КБО (рис. 5.37.в). Такое изменение тока имеет ту же природу, что и обратный ток р-n-перехода при переклю­чении с прямого напряжения на обратное (см. § 3.8.1). На эмиттерном и коллекторном переходах прямые напряжения остаются до тех пор, пока концентрация избыточных носителей у границ переходов не спадет до равновесной. Только после этого нач­нется падение базового тока до значения I_КБО. Некоторое, не имеющее практического значения, снижение U_БЭ после скачка U_ВХ в момент t₅ связано с уменьшением падения напряжения на резисторе R_Б от базового тока.

В интервале времени (t₅ – t₄) сохраняется режим насыщения и ток коллектора остается равным (точнее почти равным) I_{К нас}. Уменьшение (рассасывание) избыточного заряда в базовой облас­ти во времени приближенно описывается экспоненциальной зави­симостью с некоторой постоянной времени рассасывания τ_рас. Ес­ли за время рассасывания принять интервал t_рас = t₅ – t₄ ,то

При I_Б2>>I_{К нас}/β

Постоянная времени экспоненты τ_рас определяется в основ­ном эффективным временем жизни электронов (для транзистора типа n-р-n) в коллекторе, а также эффективным временем их жиз­ни в пассивной части базовой области. Для уменьшения τ_рас необ­ходимо снижать время жизни, т.е. вводить специальные примеси, например золото. Что касается влияния электрического режима, то t_pac уменьшается при увеличении выброса тока I_Б2, удаляюще­го избыточные носители из базовой области.

При t > t₅ коллекторный ток уменьшается от значений 0.9I_{К нас} до нуля (точнее до I_КБО), а выходное напряжение U_КЭ повышается практически до Е_К (рис. 5.37,д). Интервал времени спада выходно­го импульса тока от 0,9 I_К нас до 0,1 I_{К нас} называют временем спада (t_сп =t₆–t₅). Спад соответствует переходу транзистора от режима насыщения через активный режим в режим отсечки. Ток и напря­жение изменяются приблизительно по экспоненциальному закону с постоянной времени, равной τ_{β экв} (5.132) для стадии нарастания, когда также было прохождение через активный режим. Поэ­тому время спада может быть определено по формуле

При большой емкости нагрузки С_Н время спада значительно увели­чивается из-за роста τ_{β экв}.

Сумму времен рассасывания и спада называют временем вы­ключения транзисторного ключа (транзистора):

(5.142)

В качестве иллюстрации порядка величин приведем данные быстродействующего ключа на маломощном высокочастотном транзисторе 2Т333, в котором R_Б = 2 кОм, R_К = 1 кОм, Е_К = 5 В, Е_Б1 = 10 В, Е_Б2 = 2 В, С_Н = 10 пФ, а параметры транзистора С_ЭБ = 1,5 пФ, С_КБ = 0,7 пФ, β = 100, граничная частота f_гр = 1000 МГц, τ_рас = 10 нс. Результаты расчетов: t_зд = 1 нс, t_нр = 2,5 нс, t_рас = 17 нс, t_сп = 12 нс.