Ключевой режим работы транзистора

5.13.1 Транзисторный ключ с общим эмиттером

Наибольшее распространение в цифровой и импульсной технике имеет ключ с общим эмиттером (рисунок 5.21).

В схеме – коллекторная нагрузка, с которой снимается выходной сигнал . Входной сигнал U₁ подается на транзистор через резистор R_б, который ограничивает входной ток при изменениях U₁. Схема по внешнему виду не отличается от схемы усилительного каскада. Главное отличие заключается в режиме работы ключа. Режим обеспечивается величиной входного сигнала и параметрами схемы. Если транзистор в усилительном режиме работает только в активной области в режиме малого входного сигнала (линейный режим), то в ключе – в режиме большого сигнала (ключевой режим). Входное напряжение выходит за пределы уровня включения и выключения ключа.

Транзистор находится после очередного переключения или в состоянии отсечки, или в состоянии насыщения (или близком к насыщению, если ключ ненасыщенный). При переключении же он в активном режиме.

На рисунке 5.22 приведена статическая характеристика передачи ключа с общим эмиттером, где - граница насыщения транзистора.

определяется из известного условия насыщения i_б ≥ I_бн.

Подставив в него значения ; ,получим .

На выходе ему соответствует напряжение , равное остаточному напряжению на коллекторе U_кн.

Для запертого транзистора , где I_б0 – обратный ток базы при запирании транзистора.

Транзистор запирается при , и уровень выключения .

Так как , то можно считать . Соответствующее этому уровню выходное напряжение .

Так как , то можно считать .

На характеристике CD – участок насыщения (ключ включен), AB – участок отсечки (ключ выключен), BC – активный режим (переключение ключа).

Рассмотрим эти режимы на выходных характеристиках.

По заданному типу транзистора строится семейство выходных характеристик с ОЭ (рисунок 5.23) и линия нагрузки для некоторого заданного сопротивления R_к по уравнению .

При , при .

Эти координаты отмечаются на графике, соединяются прямой линией. Это и будет линией нагрузки.

Точка 1 соответствует режиму отсечки. .

В этом режиме оба перехода (эмиттерный и коллекторный) смещены в обратном направлении (, ) и заперты. Однако текут небольшие те пловые токи , , . Но тепловой ток эмиттера намного меньше теплового тока коллектора, поэтому можно считать , а .

Напряжение на коллекторе при этом равно .

При большом положительном входном напряжении транзистор находится в состоянии насыщения (точка 2 на рисунке 5.23). Оба перехода смещены в прямом направлении (, ). Напряжения на переходах малы, остаточное напряжение близко к нулю. Все три электрода эквипотенциальны, т.е. транзистор можно рассматривать как место короткого замыкания, и тогда токи в ключе определяются только параметрами внешних цепей.

Активному режиму соответствует точка 3 (рисунок 5.23). При изменении тока базы ток коллектора увеличивается (), а напряжение на коллекторе уменьшается ().

 

 

5.13.2 Переходные процессы в транзисторном ключе

Быстродействие ключа на биполярном плоскостном транзисторе определяется переходными процессами, в основном изменением заряда в базе. Для анализа переходных процессов удобно использовать метод заряда.

Допустим, на вход ключа подается напряжение U₁, под действием которого происходит включение и выключение ключа. Рассмотрим эти процессы при помощи временных диаграмм (рисунок 5.24).

В исходном состоянии при транзистор закрыт входным отрицательным напряжением . Тепловыми токами (, , ) пренебрегаем ввиду их малости и поэтому считаем , . Заряд Q также равен нулю, напряжение на выходе, снимаемое с коллектора, .

Включение ключа осуществляется в момент времени перепадом входного напряжения . Появляется прямой ток базы . Учитывая, что входное сопротивление транзистора , считаем ток базы неизменным и равным .

Включение ключа можно разбить на два этапа: формирование фронта выходного импульса и накопление избыточного заряда. Формирование фронта импульса тока коллектора и выходного напряжения происходит в интервале времени . Транзистор работает в активной области, и в его базе растет заряд Q неосновных носителей.

Для определения Q составляем уравнение заряда

. (5.1)

Управляющий ток расходуется на изменение зарядов емкости эмиттерного перехода и коллекторного перехода (первые два члена уравнения), на изменение заряда в базе , на компенсацию потерь вследствие рекомбинации и поддержания накопленного заряда в базе в стационарном состоянии.

Здесь – постоянная времени транзистора в схеме с общим эмиттером, равная времени жизни неосновных носителей в базе.

Для низкочастотных транзисторов влияние первых двух членов незначительно и ими можно пренебречь.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5.24

 

 

Тогда (5.1) примет вид

. (5.2)

Интегрируя (5.2) для , определяем закон изменения заряда в базе в активном режиме

, (5.3)

который стремится к своему стационарному значению

. (5.4)

По такому же закону увеличивается коллекторный ток, так как

, (5.5)

где – коэффициент передачи тока в схеме с общей базой, – ток эмиттера

; (5.6)

– постоянная времени транзистора в схеме с ОБ, равная среднему времени пролета неосновных носителей в базе.

Тогда

, (5.7)

, (5.8)

где – коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ в режиме малого сигнала;

– то же самое в режиме большого сигнала;

– можно определить из выражения

, (5.9)

где – частота, при которой ;

– граничная частота усиления, при которой (коэффициент передачи тока на низких частотах) уменьшается в раз. Частоты и приводятся в справочниках.

С увеличением увеличивается падение напряжения на резисторе и уменьшается напряжение на коллекторе .

В момент времени напряжение на коллекторном переходе достигает нуля, коллекторный переход смещается в прямом направлении и транзистор входит в режим насыщения. Остаточное напряжение , рост прекращается, он достигает своего максимального значения

; .

В этот момент заряд в базе достигает своего граничного значения

. (5.10)

Как видно из (5.10), определяется параметрами транзистора (, ) и внешней цепи (, ).

Накопление избыточного заряда начинается в момент . Транзистор насыщен, токи , , постоянны.

Заряд продолжает нарастать по аналогичному закону (5.3), но уже с – постоянной времени транзистора при насыщении ‑ вместо (). Заряд стремится к своему стационарному значению ,

при условии .

К концу входного импульса заряд .

Если , достигает значения, близкого к .

Выключение ключа тоже можно разбить на 2 этапа: рассасывание избыточного заряда и формирование среза выходного импульса. В момент окончания входного импульса и подачи на его вход отрицательного напряжения в цепи базы возникает отрицательный скачок тока из-за наличия накопленного заряда в базе

(так как , – пренебрегаем).

Под действием этого обратного тока и из-за рекомбинации носителей заряд в базе уменьшается по закону

с постоянной времени , стремясь к значению . Происходит рассасывание избыточного заряда.

В момент достигает значения . В течение времени , называемым временем рассасывания , транзистор продолжает оставаться в режиме насыщения, ток коллектора , напряжение на коллекторе . На величину происходит задержка выключения транзистора.

Спад импульса начинается в момент , когда заряд достигает значения , коллекторный переход смещается в обратном направлении, т.е. транзистор переходит в активный режим. В течение времени заряд в базе продолжает убывать от до нуля по экспоненциальному закону , стремясь к стационарному значению . Коллекторный ток пропорционален изменению заряда (5.7), так как имеет место активный режим и изменяется от до .

В момент транзистор входит в режим отсечки. Восстанавливается большое входное сопротивление . Ток базы убывает до по мере перезаряда барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного переходов.

 

5.13.3 Длительности переходных процессов в ключе

 

При проектировании электронных схем в настоящее время, в связи со все возрастающей степенью сложности интегральных схем, необходимостью учета паразитных параметров элементов и разброса параметров схем, возникает необходимость применения метода математического моделирования с использованием вычислительной техники.

На этапе анализа и оптимизации параметров электронной схемы для расчета передаточных функций, частотных характеристик, переходных и импульсных характеристик, статических режимов и др. применение вычислительной техники очень эффективно.

Определим длительность переходных процессов в транзисторном ключе с общим эмиттером, в коллекторной цепи которого нагрузка и в базовой цепи для ограничения тока базы в режиме насыщения. На схему подается коллекторное питание , и входной сигнал изменяется скачком от до .

Используем для расчета длительности переходных процессов формулу

, (5.11)

где – стационарное значение заряда;

, – заряд соответственно в начале и конце отсчета.

Формула (5.11) получена из известного аналитического выражения экспоненциальной функции

, (5.12)

если для t = t _к подставлять в него = и полученное уравнение решить относительно

.

Для длительности фронта, в течение которого заряд нарастает от до , стремясь к с постоянной времени , справедливо

, (5.13)

где – степень насыщения транзистора.

Длительность рассасывания – это время, в течение которого заряд, стремясь к , уменьшается от до с постоянной времени .

. (5.14)

Длительность спада определяется временем, в течение которого заряд уменьшается до . Транзистор в активном режиме. Постоянная времени равна .

. 5.15).