§ 7.3. КЛЮЧИ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Транзисторные ключи (ТК) являются одним из наиболее распространенных элементов импульсных устройств. На их основе создаются триггеры, мультивибраторы, коммутаторы, блокинг-генераторы и т. д.

В зависимости от целевого назначения ТК и особенностей его работы схема ТК может несколько видоизменяться. Но несмотря на это, в основе всех модификаций лежит изображенная на рис. 7.13, а транзисторная ключевая схема.

В ТК транзисторы работают в нескольких качественно различных режимах, которые характеризуются полярностями напряжений на переходах транзистора.

Принято различать следующие режимы работы ключа: режим отсечки; нормальный активный; инверсный активный; режим насыщения.

Рис. 7.13. Схема простейшего ключа (а), его выходные (б) и входные характеристики (в)

Транзисторный ключ по своей схеме подобен транзисторному усилителю с ОЭ. Однако по выполняемым функциям и соответственно режимам работы активного элемента он существенно отличается от усилительного каскада.

ТК выполняет функции быстродействующего ключа и имеет два основных состояния: разомкнутое, которому соответствует режим отсечки транзистора (транзистор заперт), и замкнутое, которое характеризуется режимом насыщения транзистора или режимом, близким к нему.

В течение процесса переключения транзистор работает в активном режиме. Процессы в ключевом каскаде носят нелинейный характер.

Статические характеристики ТК.

Поведение ТК в статическом режиме полностью определяется статическими характеристиками транзистора. При их анализе обычно используют семейство выходных коллекторных характеристик и семейство входных характеристик (рис. 7.13, б, в).

В режиме отсечки оба перехода биполярного транзистора смещены в обратном направлении. Различают режимы глубокой и неглубокой отсечек. В режиме глубокой отсечки к -переходам приложены напряжения, превышающие (см. § 2.7). Полярность их такова, что коллекторный и эмиттерный переходы смещены в обратном направлении. В этом режиме токи электродов транзистора имеют наименьшие значения, что характеризует разомкнутое состояние ТК. В режиме неглубокой отсечки модуль напряжения на одном из переходов меньше . Оба перехода смещены в обратном направлении. Однако токи электродов несколько больше, чем в режиме глубокой отсечки, и их значения существенно зависят от приложенного напряжения. Область глубокой отсечки практически совпадает с самой нижней кривой семейства коллекторных характеристик, которую иногда называют характеристикой отсечки.

Характеристика отсечки снимается при разорванной цепи эмиттера , когда ток коллектора .

Токи и напряжения электродов биполярного транзистора находят из (2.34). В режиме глубокой отсечки

Ввиду того что обычно , часто считают, что Так как напряжение в закрытом состоянии (точка а на рис. 7.4, б) определяется из выражения то сопротивление транзистора

Оно, как правило, достаточно велико (не менее 100 кОм).

В быстродействующих ключах сопротивление берут небольшим (порядка нескольких кОм) для уменьшения задержки, связанной с перезарядкой барьерной и паразитных емкостей.

Поэтому выходное сопротивление рассматриваемого цифрового ключа определяется сопротивлением .

С уменьшением до нуля напряжения, приложенного к базе транзистор продолжает оставаться запертым, но его токи несколько изменяются. При этом ток базы остается практически неизменным и равным .

Ток эмиттера на границе отсечки существенно увеличивается и изменяет свой знак. Его значение можно получить из (2.39) и (2.40):

Изменение трех токов в области отсечки иллюстрируется кривыми, приведенными на рис. 7.14.

Важно подчеркнуть, что глубина отсечки, а также токи эмиттера и коллектора зависят от значения сопротивления, включенного в цепь базы. Это обусловлено тем, что в базовой цепи протекает ток обратносмещенных переходов транзистора, который создает дополнительное падение напряжения на сопротивлении . В итоге напряжение, приложенное между базой и эмиттером транзистора, отличается от напряжения .

Для нахождения воспользуемся графоаналитическим методом, который применяли ранее при построении линии нагрузки. Для этого из точки, соответствующей (рис. 7.14), проведем прямую, тангенс угла наклона которой равен , причем для уяснения влияния сопротивления проведем прямые, соответствующие двум сопротивлениям в цепи базы:

Точки пересечения этих прямых с определяют действительный режим работы транзистора. При сопротивлении транзистор находится в режиме отсечки, хотя и недостаточно глубокой, как можно было бы ожидать, судя по значению .

Рис. 7.14. Графики токов транзистора в области отсечки и в начале активной области

При сопротивлении транзистор переходит в активный режим, хотя и отрицательно. Это объясняется тем, что ток базы создает на сопротивлении падение напряжения, которое вычитается из и изменяет режим работы транзистора. Поэтому сопротивление базы во избежание подобных нежелательных явлений следует выбирать из условия

т. е. ток короткого замыкания источника с внутренним сопротивлением должен значительно превосходить максимальный обратный ток коллекторного перехода.

Соответственно сопротивление в цепи коллектора должно удовлетворять неравенству

При этом в выражениях (7.26) и (7.27) следует брать максимальное значение тока при наивысшей температуре.

В режиме насыщения оба -перехода транзистора смещены в прямом направлении (см. § 2.7). При этом падение напряжения мало и при малом токе составляет десятки .

На коллекторных характеристиках транзистора область насыщения характеризуется линией насыщения ОН (см. рис. 7.13, б). Каждой точке этой линии соответствует некоторое значение напряжения и тока . Ток называется коллекторным током насыщения. Как видно из характеристик, эти величины связаны между собой линейной зависимостью

где Кнас — сопротивление насыщенного транзистора.

Значения определяются крутизной линии насыщения. Обычно оно достаточно мало (десятки — сотни Ом).

Каждой точке линии ОН соответствует некоторое граничное значение тока базы , при котором транзистор входит в насыщение. Этот режим появляется вследствие того, что максимальный ток коллектора транзистора ограничен напряжением источника питания и параметрами внешних цепей. В рассматриваемом случае

Если ток базы задать таким, что при данном источнике напряжения и параметрах внешней цепи такой ток получить нельзя. Транзистор откроется полностью, но и через него будет протекать ток , который меньше . Это максимальное значение тока коллектора и называют коллекторным током насыщения. Значение его обычно оценивают приближенно с помощью уравнения

Из сказанного следует, что в режиме насыщения нарушаются соотношения между точками электродов транзистора, характерные для активного режима. Поэтому критерием насыщения является неравенство

или

Для количественной оценки глубины насыщения вводят параметр степень насыщения. Степень насыщения определяется как относительное превышение базовым током того значения тока , которое характерно для границы насыщения:

(7.33)

Иногда оценку глубины насыщения производят с помощью коэффициента насыщения, который показывает, во сколько раз ток, протекающий в цепи базы, больше базового тока, при котором транзистор входит в насыщение:

При насыщении сопротивление транзистора минимально и практически не зависит от значений . Оно и является выходным сопротивлением ТК в стационарном замкнутом состоянии.

С увеличением базового тока напряжение на эмиттерном переходе меняется мало. Напряжение на коллекторном переходе и модуль напряжения уменьшаются. Значение зависит от типа транзисторов и обычно находится в пределах .

При изменении температуры окружающей среды напряжения и изменяются приблизительно так же, как и в диодах. В то же время напряжение , являющееся разностью этих двух напряжений, изменяется мало. Температурный коэффициент напряжения ключа обычно порядка .

Следует подчеркнуть, что начиная от значений степени насыщения и выше межэлектродные напряжения транзистора мало зависят от тока базы. Поэтому более высокую степень насыщения применять нецелесообразно.

Важным преимуществом режима насыщения является практическая независимость тока коллектора от температуры окружающей среды и параметров конкретного транзистора.

Входную цепь транзисторного ключа характеризуют следующие параметры: 1) входной ток закрытого транзистора; 2) напряжение управления, необходимое для надежного запирания транзистора; 3) минимальный перепад управляющего сигнала, необходимый для обеспечения надежного отпирания транзистора;

4) входное сопротивление транзистора в открытом состоянии (или напряжение, необходимое для обеспечения надежного открытого состояния).

Выходными параметрами ТК являются: 1) выходное сопротивление ключа при закрытом и при открытом транзисторе); 2) максимальный ток открытого ключа (равен току насыщения); 3) минимальное (остаточное) напряжение на коллекторе транзистора в открытом состоянии (десятые — сотые доли В); 4) максимальное напряжение на коллекторе закрытого транзистора ; 5) коэффициент использования напряжения питания .

На эквивалентных схемах насыщенный транзистор представляют в виде точки, общей для электродов эмиттера, коллектора и базы.

Рассмотренный ключ при его коммутации обеспечивает получение двух уровней выходного напряжения и относится к числу цифровых.

На его основе можно создавать ключевую цепь (рис. 7.15, а), которая будет коммутировать аналоговые, в том числе и разнополярные, сигналы. В этом случае роль источника напряжения Е выполняет коммутируемое напряжение . Для того чтобы переходы транзистора оставались запертыми при любых изменениях полярности и значения , необходимо, чтобы при подаче запирающего напряжения управления выполнялось условие

Пусть ключ, изображенный на рис. 7.15, а, заперт по цепи базы управляющим напряжением — . Тогда при всех значениях напряжения, при которых , в выходной цепи протекает ток, близкий к и характеристика идет почти горизонтально (рис. 7.15, б). Назовем линию, по которой перемещается точка а, линией запирания.

При изменении полярности напряжения транзистор откроется. Пусть ток в цепи базы .

Рис. 7.15. Схема ключа, коммутирующего аналоговые сигналы (а), и его выходные характеристики (б) при нормальном включении транзистора

Тогда падение напряжения на транзисторе мало и характеристика идет почти вертикально. Назовем эту линию линией отпирания.

В идеальном аналоговом ключе линии отпирания и запирания совпадают с осями координат. В транзисторном ключе эти линии имеют небольшой наклон, а их точка пересечения не совпадает с началом координат. В итоге при конечном сигнале получается нулевое напряжение на выходе, а при нулевом сигнале соответственно конечное выходное напряжение.

Таким образом, транзисторному прерывателю свойственны два вида погрешностей: сдвига и наклона. Влияние этих погрешностей уменьшается с увеличением входного сигнала. Если , то общая погрешность невелика и, как видно из выходных характеристик, имеет разный знак в зависимости от полярности входного сигнала.

Для количественной оценки погрешностей необходимо знать координаты точки с и дифференциальные сопротивления обеих характеристик. Считая, что наклон линии запирания соответствует некоторому сопротивлению (которое учитывает ток утечки, токи термогенерации в переходе и т. д.), получим ток в точке с:

Напряжения в точке с можно определить из приближенного уравнения

Наклон линии запирания, как правило, весьма мал. Он характеризуется сопротивлением , имеющим значение не менее . Наклон линии отпирания определяется сопротивлением насыщенного транзистора , которое у маломощных транзисторов не превышает нескольких десятков Ом.

При этом необходимо обратить внимание на зависимости от температуры, что может вызвать температурный дрейф выходного сигнала.

Для улучшения характеристик аналогового ключа часто применяют инверсное включение транзистора (рис. 7.16, а), которое по сравнению с нормальным включением обеспечивает меньшие ток и напряжение . При инверсном включении ток — это ток эмиттера транзистора при запертых -переходах, когда на базу подано напряжение (рис. 7.16, б).

В режиме глубокой отсечки ток эмиттера Более точно его значение можно оценить используя выражение

Напряжение в точке с

Рис. 7.16. Схема аналогового ключа (а) и его выходные характеристики (б) при инверсном включении транзистора; схема компенсированного ключа

Так как , то напряжение и ток при инверсном включении транзистора получаются по крайней мере на порядок меньше, чем при нормальном включении.

В (7.36) и (7.37) не учитывались падения напряжения, возникающие при прохождении управляющего тока базы через сопротивления соответствующих слоев: эмиттера (при нормальном включении) и коллектора (при инверсном). При учете их для напряжения имеем

где — соответственно сопротивления областей эмиттера и коллектора.

Так как эмиттер обычно выполняют низкоомным ( Ом), эта поправка для нормального включения несущественна. В то же время при инверсном включении ( Ом) она является основной составляющей остаточного напряжения. В результате при инверсном включении иногда оказывается даже больше, чем при нормальном.

Так как с увеличением тока напряжение растет, а в области малых токов, как уже говорилось выше, тоже возрастает из-за выхода транзистора из области насыщения, существует оптимальное значение управляющего тока базы , (несколько ).

Следует отметить, что температурная стабильность точки с, играющая основную роль при преобразовании малых сигналов, достаточно высока. Так, в инверсном включении при оптимальных токах базы ее несколько . Подбором элементов прерывателя и режима работы можно добиться, чтобы в температурном диапазоне от до — 50 С температурный дрейф не превышал .

Временной дрейф напряжения обычно оценивают экспериментально. Он зависит от индивидуальных характеристик транзисторов и изменяется в процессе их работы. Наибольшие значения наблюдаются в течение первого часа после включения и могут составить несколько . При дальнейшей работе дрейф уменьшается и находится в пределах нескольких десятков — нескольких сотен .

При использовании балансных схем, которые в различных модификациях называют компенсированными ключами, погрешности аналоговых ключей можно существенно уменьшить (в 5—10 раз и больше). Одна из возможных схем компенсированного ключа показана на рис. 7.16, в.

В закрытом состоянии ключа токи эмиттера транзисторов направлены в разные стороны вне зависимости от полярности входного напряжения. Если обоих транзисторов равны, то результирующий ток через источник сигнала и сопротивление равен нулю. Так как остаточное напряжение, как это видно из положения линии отпирания на рис. , не зависит от направления тока, протекающего через транзистор, то при идеальном подборе остаточные напряжения обоих транзисторов взаимно компенсируют друг друга.

При практическом выполнении аналоговых ключей на биполярных транзисторах необходимо: гальванически развязывать между собой источник управляющего сигнала и коммутируемые цепи; включать в цепь базы транзистора ограничительный резистор, значение которого выбирается исходя из требуемого тока базы и напряжения источника использовать компенсированные ключи с инверсно включенными транзисторами.

Выпускаются микросхемы компенсированных аналоговых ключей, например . У них .