Стислі теоретичні відомості. Часові параметри і характеристики транзисторів визначають і досліджують в ключовому режимі

Часові параметри і характеристики транзисторів визначають і досліджують в ключовому режимі. Велике значення має тривалість перемикання, що обмежує швидкодію радіоелектронної апаратури. Цей параметр визначається процесами накопичування і розосередження нерівноважного заряду в базі, в колекторі транзистора, в емітерному і колекторному переходах.

Під час використання транзистора як ключа він знаходиться в режимі відсічки (закритий стан), або в режимі насичення. В першому випадку в колі колектора і в колі бази протікає малий зворотний струм I_{CB 0}, і напруга на виході ключа в схемі з ЗЕ:

U_CE = Ec - RcI_{CB 0}≈ Ec.

При подачі на вхід імпульсів прямого струму достатнього значення транзистор відкривається і переходить в режим насичення. Напруга колекторного переходу U_{CEsa t}= Ec - R c Ic_sat виявляється прямою. Колекторний перехід відкривається і починається інжекція дірок (в транзисторі p-n-p типу) з колектора в базу. Таким чином, у даному випадку дірки інжектують в базу з обох переходів – емітерного і колекторного. В режимі насичення при збільшенні вхідного струму I_B струм колектора майже не зростає, збільшується тільки інжекція носіїв заряду з колектора в базу і відповідно нерівноважний заряд бази. Перепад вихідної напруги транзисторного ключа

ΔU _BИX = U_CEвід – U_CEsat= Rc(I_Csat - I_{CB 0} ).

Процеси нагромадження і розосередження заряду істотно впливають на форму імпульсів на виході ключа. Графіки напруг і струмів транзистора при переключенні зображені на рис. 5.1.

У початковому стані транзистор закритий за допомогою джерела постійного зміщення E_B (рис. 5.1, а). При надходженні на вхід прямокутного імпульсу прямої напруги U _BX в колі бази протікає струм I_BE, величина якого визначається за значенням опору емітерного переходу r_E і резистора в колі бази R_B. Так як R_B >> r_E, то I_BE= (U_BX –E_B)/R_B.

Після закінчення імпульсу (переключення напруги емітерного переходу на зворотну) зворотний струм переходу, як і в діоді, має значне початкове значення, обмежене лише опором в колі бази (R_B): I_BE = E_B / R_B. Опір емітерного переходу в перший момент після переключення дуже малий внаслідок насичення бази нерівноважними носіями заряду. У міру розосередження нерівноважного заряду зворотний опір емітерного переходу зростає і струм бази прагне до значення, що встановилося I_{BE 0} (рис. 5.1, б).

При прямокутній формі імпульсу вхідного струму I_B імпульс вихідного струму Iс (рис. 5.1, в) з'являється із затримкою t_d, що визначається головним чином тривалістю пересування інжектованих носіїв заряду до колекторного переходу. Час затримки визначається інтервалом часу між моментом, коли вхідний імпульс досяг 10 % свого усталеного значення, та моментом, коли вихідний імпульс також досягає 10 % свого усталеного значення. Після того, як транзистор перейде з режиму відсічки в активний режим, колекторний струм починає поступово зростати, досягаючи сталого значення за час t_r, що визначається інтервалом часу, протягом якого вихідний імпульс зростає від 10 % до 90 % свого усталеного значення, і залежить від швидкості накопичування нерівноважного заряду в базі та швидкості розряду ємності колектора. Таким чином, повний час увімкнення транзистора складається з часу затримки і тривалості зростання:

t_on = t_d + t_r.

Після подачі в коло бази зворотної напруги, що закриває емітерний перехід, вихідний (колекторний) струм припиняється не відразу. Протягом деякого часу-тривалості розосередження t_s він практично зберігає значення, бо концентрація носіїв заряду в базі біля колекторного переходу ще залишається вищою за рівноважну і колекторний перехід внаслідок цього продовжує залишатися відкритим (рис. 5.1, в, г).

Лише після того, як нерівноважний заряд у колекторному переході розосереджується за рахунок виходу дірок з бази і рекомбінації, струм колектора починає поступово спадати, досягаючи протягом тривалості спадання t_f значення I_{CB 0}. Протягом цього часу триває розосередження нерівноважного заряду бази і відбувається перезаряд ємності колекторного переходу. Емітерний перехід при цьому може закритися раніше або пізніше колекторного залежно від швидкості розосередження нерівноважного заряду, зосередженого поблизу від нього. Процес накопичування і розосередження нерівноважного заряду бази q_B при переключенні транзистора зображений на рис. 5.1, г. Накопичування починається через інтервал, що визначається тривалістю затримки t_d. Заряд за час наростання t_r досягає значення q’_B = Q _акт за рахунок інжекції носіїв заряду з емітерного переходу. Далі в режимі насичення заряд бази зростає за рахунок інжекції носіїв як з емітерного, так і з колекторного переходів, досягаючи значення q”_B = Q_акт. Після розосередження нерівноважного заряду бази, за час вимкнення t_off = t_s + t_f заряд в базі досягає нульового значення.

Величини t_on і t_off є визначальними при оцінці можливості використання транзисторів в апаратурі із заданою швидкодією.

На рис. 5.1, д показана осцилограма імпульсу напруги, що формується на виході ключа на БТ типу p-n-p.

Однієї з головних проблем при підвищенні швидкодії ключів є зменшення часу розосередження надлишкового заряду. Для цього, потрібно зменшити амплітуду вхідного сигналу, а значить струм бази (рис. 5.1, б), тобто – ступінь насичення S = IB/IB_sat. Але при цьому зростає тривалість зростання. Крім того, в реальних умовах ступінь насичення повинен перевищувати мінімальне значення S _min (значення S = 1 відповідає кордону з активним режимом). Інакше невелике зменшення коефіцієнта b або струму бази переводять транзистор в активний режим, а це супроводжується збільшенням залишкової напруги на ключі.

Поширеним способом відвернути насичення транзистора і в той же час уникнути відмічених ускладнень є використання в ключі нелінійного зворотного зв'язку. Для цього між колектором і базою транзистора вмикають діод Шотткі (рис. 5.2).

Коли транзистор замкнутий або працює в активному режимі, потенціал колектора позитивний відносно бази (при використанні транзисторів n-p-n). Отже, діод знаходиться під зворотним зміщенням, має великий опір і не впливає на роботу ключа. Коли в процесі формування фронту потенціал колектора відносно бази проходить через нуль і стає негативним, діод відмикається і на ньому встановлюється пряма напруга. Якщо ця напруга менша за 0,5 В (що характерно для діодів Шотткі), то колекторний перехід залишається практично замкнутим, а значить, вимикається режим подвійної інжекції і накопичування надлишкового заряду, властивий режиму насичення. В результаті при закриванні ключа будуть відсутні етап розосередження надлишкового заряду та затримки спаду. Комбінація транзистора і діода Шотткі отримала назву

 

Рис. 5.1. Осцилограми: а - вхідного сигналу;

б - струму бази; в - струму колектора; г - заряду в базі;

д - напруги колектора в ключі на БТ типу р-n-p

транзистора з бар'єром Шотткі й широко використовується в інтегральній схемотехніці.

Слід підкреслити, що, незважаючи на відсутність насичення, ключ з бар'єром Шотткі мало чутливий до змін коефіцієнта передачі струму b і струму, що відмикає, оскільки залишкова напруга мало залежить від цих величин. Час затримки і тривалість зростання виявляються такими же, як і в насиченому ключі.

 

Рис. 5.2. Принципова електрична схема для дослідження

перехідних процесів в БТ із спільним емітером

 

Література: [1, c. 92-100]; [3, c. 99-101]; [4, c. 135-138]; [14].