§ 7.4. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В КЛЮЧЕВЫХ ЦЕПЯХ С БИПОЛЯРНЫМИ ТРАНЗИСТОРАМИ

При анализе переходных процессов в транзисторе удобно использовать метод заряда базы, в основе которого лежит принцип ее электрической нейтральности. Согласно этому методу в любой точке базы положительный и отрицательный заряды одинаковы и изменяются с одинаковой скоростью. В базе -типа положительный заряд обусловлен ионами донорной примеси и дырками, а отрицательный — только электронами. На основании уравнения нейтральности можно записать

Дифференцируя (7.40) по времени, получим

Каждое слагаемое выражения (7.41) имеет размерность тока.

При учете основных составляющих, вызывающих изменения зарядов, уравнение (7.41) запишем в виде

где - заряд и время жизни неосновных носителей заряда в базе.

Это дифференциальное уравнение называется уравнением заряда базы и является исходным для анализа длительности переходных процессов. Оно показывает, что ток базы «расходуется» на пополнение убыли зарядов, исчезнувших в результате рекомбинаций (член ), а также на накопление заряда, соответствующего данному току (член ). В установившемся режиме, в котором , уравнение (7.42) примет уже знакомый вид

В общем случае оно нелинейно, так как время жизни неосновных носителей заряда в базе изменяется в зависимости от режима работы. Однако можно полагать, что время жизни имеет два постоянных значения: та — в активном режиме, — в режиме насыщения. Следовательно, уравнение заряда базы можно рассматривать как кусочно-линейное. Для его решения необходимо знать как закон изменения тока базы , так и начальное значение заряда в ней в момент .

В том случае, если ток базы изменяется скачкообразно и при этом принимает новое постоянное значение , общее решение уравнения (7.42) имеет вид

где — заряд в базе при — заряд в базе после окончания переходного процесса; — текущее значение заряда.

На границе активной области и области насыщения, когда справедливо выражение в базе транзистора имеется заряд, называемый граничным и определяемый из следующего соотношения:

Значение граничного заряда широко используется как критерий перехода ключа из активной области в область насыщения. Соответственно степень насыщения определяют из выражения

Разность называется избыточным зарядом.

Из рис. 7.17, на котором показано распределение концентраций неосновных носителей заряда в базе для разных режимов работы транзистора, ясно видна сущность процесса насыщения. В активном режиме концентрация неосновных носителей заряда в базе максимальна у эмиттерного перехода. Вблизи коллекторного перехода концентрация их близка к равновесной, причем уменьшение концентрации происходит по линейному закону. Заряд инжектированных неосновных носителей распределен неравномерно по длине базы. С увеличением уровня инжекции меняется наклон линии, характеризующей распределение неосновных носителей заряда. При достижении зарядом в базе своего граничного значения Q наклон линии перестает меняться и она сдвигается параллельно самой себе. Напомним, что заряд, характеризуемый той или иной линией распределения концентраций, — это разность площадей, ограничиваемых линиями . На рис. 7.17 линии концентраций условно обозначены индексами заряда, а площадь, соответствующая избыточному заряду, заштрихована.

Избыточный заряд в отличие от граничного распределен равномерно по длине базы, а градиент его равен нулю.

Метод заряда позволяет определить значения необходимых величин в статическом и динамическом режимах работы транзистора.

Процесс открывания транзисторного ключа можно разделить на три стадии: задержка фронта; формирование фронта; накопление избыточного заряда в базе.

1. Задержка фронта. Она обусловлена перезарядкой барьерных емкостей под действием входного сигнала. В исходном состоянии, когда ключ заперт, на базе транзистора имеется напряжение смещения — , обусловленное входным сигналом — . Когда сигнал скачком принимает значение , транзистор остается запертым, так как напряжение на его входной емкости не может измениться скачком. Через сопротивление (см. рис. 7.13, а) начнет протекать ток перезарядки входной емкости, хотя транзистор в это время будет заперт. Время задержки можно приближенно оценить используя выражение

где — напряжение между базой и эмиттером, при котором открывается эмиттерный переход.

Рис. 7.17. Диаграмма распределения неосновных носителей заряда в базе при разных режимах работы транзистора

Входную емкость можно считать приблизительно равной емкости параллельно соединенных емкостей коллекторного и эмиттерного переходов: .

Значение времени задержки обычно сравнительно невелико. Так, например, при кОм .

Так как задержка сдвигает только переходную характеристику ключа, не влияя на форму фронта, в дальнейшем, если нет специальной оговорки, будем считать, что поступивший входной сигнал сразу отпирает транзистор.

2. Формирование фронта. Условимся вне зависимости от типа электропроводности транзистора и соответственно направления тока, протекающего через него, считать, что этап открывания ключа характеризуется положительным фронтом, а этап запирания — отрицательным.

Пусть в момент возникает перепад тока и этот ток достаточен для последующего насыщения транзистора: (рис. 7.18, а).

Увеличение коллекторного тока идет по экспоненциальному закону, как и в усилительном каскаде. При достижении им значения изменение тока коллектора, а соответственно и формирование фронта заканчиваются.

Для определения длительности фронта подставим в (7.44) начальные условия: . Тогда

Рис. 7.18. Диаграммы процессов отпирания и запирания ТК

Окончание положительного фронта соответствует тому моменту, когда заряд в базе становится равным граничному значению (рис. 7.18, б, в). Подставив вместо значение граничного заряда из (7.45), найдем длительность положительного фронта:

Если учесть задержку, то общая длительность переходного процесса установления тока несколько больше — порядка . Для уменьшения длительности фронта необходимо использовать высокочастотные транзисторы, у которых имеет малое значение, и увеличивать управляющий ток .

Из рис. 7.18, б, иллюстрирующего процесс увеличения заряда в базе, видно, что если бы время жизни в режиме насыщения было равно та, заряд в базе был бы значительно больше. Заметим, что при дальнейшем анализе методом заряда в этой области необходимо использовать время жизни неосновных носителей заряда .

3. Накопление носителей. Начиная с момента токи коллектора, эмиттера и базы практически не изменяются (при управляющем сигнале ) (рис. 7.18, в). Однако заряд в базе продолжает нарастать. Этот процесс заканчивается через промежуток времели

когда заряд в базе

При этом падение напряжения на транзисторе изменяется вплоть до своего статического значения в режиме насыщения.

Закрывание транзисторного ключа.

Теперь рассмотрим поведение транзисторного ключа при изменении скачком входного тока от положительного значения до отрицательного — (рис. 7.18, г). При отрицательном токе начинается экстракция (отсос зарядов из базы). Процесс запирания включает два этапа: рассасывание избыточного заряда; формирование отрицательного фронта.

1. Рассасывание избыточного заряда. Заряд, находящийся в базе, не может измениться скачком, так же как и в случае заряженной емкости. Следовательно, в течение некоторого времени концентрации дырок у обоих переходов остаются выше равновесной. Ток коллектора при этом практически не меняется (рис. 7.18, д, е). Ток эмиттера в начальный момент скачком уменьшается на величину , где , а затем на протяжении некоторого времени остается неизменным.

Для анализа процесса рассасывания в (7.44) подставим значение заряда :

Рассасывание закончится, когда избыточный заряд в базе исчезнет и будет выполняться равенство Подставляя в (7.52) вместо граничный заряд и учитывая, что , найдем время рассасывания:

Используя соотношения, связывающие между собой заряды и токи, и считая длительность отпирающего сигнала значительно больше , получим упрощенное выражение для времени рассасывания, которое часто используют на практике:

В ряде случаев при большом запирающем сигнале можно использовать еще более упрощенное выражение:

где - степень насыщения.

Время рассасывания и связанная с ним задержка уменьшаются с увеличением запирающего сигнала и убыванием степени насыщения. Поэтому большие отпирающие токи , которые выгодны с точки зрения длительности положительного фронта, нежелательны с точки зрения запирания ключа. После рассасывания избыточного заряда в базе транзистор оказывается в активной области.

2. Формирование отрицательного фронта. Рассасывание избыточного заряда может произойти одновременно у коллекторного и эмиттерного переходов, а также окончиться раньше у коллекторного или эмиттерного перехода. В зависимости от того, где раньше произойдет рассасывание, картина переходного процесса несколько меняется.

Пусть к моменту времени избыточные носители, накопившиеся у коллекторного перехода, рассасываются (рис. 7.19, а — в). При этом коллекторный переход смещается в обратном направлении и транзистор начинает работать в активном режиме. Ток коллектора изменяется, вызывая соответствующее уменьшение тока эмиттера. К моменту времени рассасываются избыточные заряды у эмиттерного перехода. Тогда и эмиттерный переход смещается в обратном направлении и транзистор начинает работать в режиме отсечки токов. После рассасывается заряд, оставшийся в глубине базы, и токи эмиттера коллектора и базы уменьшаются до установившихся значений по экспоненциальному закону.

Рис. 7.19. Диаграммы процесса запирания ТК: а, б, в — при нормальном рассасывании; г, д, е — при инверсном рассасывании; — схемы ключа с диодной фиксацией базового потенциала

Этап, на котором оба -перехода смещены в обратном направлении, но в базе еще имеется некоторый остаточный заряд, отличный от равновесного, носит название области динамической отсечки транзистора.

Длительность отрицательного фронта можно оценить также используя метод заряда. При этом считается, что процесс формирования фронта заканчивается при . Время отрицательного фронта, полученное на основе метода заряда,

Если рассасывание заряда сначала завершается у эмиттерного перехода, то временные диаграммы имеют вид, приведенный на рис. 7.19, г — е.

Здесь запирающий импульс, поступающий в момент времени , изменяет скачком токи эмиттера и базы, а ток коллектора оставляет почти без изменения. В момент избыточные носители, накопленные у эмиттерного перехода, рассасываются и он смещается в обратном направлении. Транзистор оказывается в инверсной активной области. Ток эмиттера уменьшается. Однако это не вызывает изменения тока базы, так как теперь та часть тока, которая ответвлялась в эмиттериую цепь, направляется в цепь коллектора.

С уменьшением эмиттерного тока ток коллектора увеличивается. Это способствует более быстрому рассасыванию избыточных носителей заряда, накопленных у коллекторного перехода. В момент времени заканчивается рассасывание избыточных носителей у коллекторного перехода. Транзистор оказывается в области динамической отсечки. По мере рассасывания оставшихся в базе носителей происходит окончание переходного процесса.

В этом случае транзистор при переходе из области насыщения в область отсечки проходит через инверсную активную область. Инверсное рассасывание наблюдается при большом запирающем токе базы

Если рассасывание избыточных носителей заряда происходит одновременно у эмиттерного и коллекторного переходов, то транзистор из области насыщения переходит в область динамической отсечки минуя активную область.

Таким образом, при увеличении импульса тока базы, открывающего транзистор, уменьшается длительность положительного фронта, но транзистор попадает в область глубокого насыщения. Последнее приводит к увеличению времени обратного переключения. Ток в момент выключения также желательно увеличивать, так как это способствует более быстрому рассасыванию заряда. Однако этот ток приводит к инверсному рассасыванию, что нежелательно из-за выбросов тока коллектора, имеющих место во время переходного процесса.

Удовлетворить эти противоречивые требования удается путем введения в цепь управления форсирующего конденсатора (рис. 7.19, ж), который позволяет увеличить токи базы на короткий промежуток времени, в то время как стационарные токи базы практически не меняются.

Конденсатор С, увеличивая базовые токи, усложняет картину работы ключа. Это связано с тем, что во время динамической отсечки ток базы быстро падает до нуля и не успевает разрядить конденсатор. После запирания транзистора на его базе окажется дополнительное динамическое смещение, которое затем уменьшается по мере разрядки конденсатора через резистор . Так как постоянная времени сравнительно велика, то очередной отпирающий импульс может поступить раньше, чем уменьшится до нуля напряжение этого динамического смещения. Соответственно задержка и длительность положительного фронта увеличатся.

Для устранения этого явления используют диодную фиксацию базового потенциала, для чего в цепь базы включают дополнительный диод (рис. 7.19, ж). Он отпирается при подаче запирающего напряжения на базу транзистора. При этом конденсатор С быстро разряжается через сопротивление диода, смещенного в прямом направлении, и внутреннее сопротивление источника .

Кроме того, диодная фиксация базового потенциала уменьшает базовое напряжение закрытого транзистора. Тем самым уменьшается заряд входной емкости транзистора и снижается время задержки.

У реальных транзисторных ключей картина переходного процесса отличается от рассмотренной. Это обусловлено тем, что у коллекторного перехода имеется емкость , изменяющая ток резистора . При грубой оценке можно считать, что к коллектору транзистора подключена интегрирующая RC-цепь, имеющая постоянную времени . Эта цепь дополнительно увеличивает длительности фронта и среза выходного импульса. Для уменьшения ее влияния стремятся применять высокочастотные транзисторы, имеющие малые емкости , а в цепь коллектора включают небольшие сопротивления .

При необходимости получить максимально достижимое быстродействие транзистор не вводят в режим глубокого насыщения. Такие ключи называют ненасыщенными. В них транзистор работает на границе активной области. Для предотвращения насыщения вводят нелинейную обратную связь так, как показано на рис. 7.20, а. Основной смысл введения обратной связи заключается в фиксировании потенциала коллектора относительно потенциала базы.

Если бы диод был идеальным и открывался при близком к нулю прямом напряжении, то источник смещения (рис. 7.20, а) можно было бы не подключать. Учитывая, что диод открывается только при напряжении В, приложенном в прямом направлении, ЭДС источника смещения выбирают порядка В.

При отпирании транзистора диод закрыт до момента, пока вследствие уменьшения коллекторного тока напряжение на нем не станет равным пороговому.

С момента открытия диода ток управления ключом замыкается на коллектор, что приводит к уменьшению тока базы приблизительно в раз.

Рис. 7.20. Схемы ненасыщенною ключа: а, б — с нелинейной обршной связью; в - с диодом Шотки

В итоге избыточный заряд, накапливаемый в базе транзистора, много меньше, чем при включении его в обычную схему насыщенного ключа. При подаче управляющего напряжения — диод запирается. Практически сразу же начинается отрицательный фронт, так как избыточный заряд в базе близок к нулю.

Существенного повышения быстродействия можно добиться только при использовании диодов, имеющих малое время восстановления. Если применять низкочастотные диоды, у которых велико время рассасывания заряда, накопленного в базе, эффект от введения нелинейной ОС будет незначителен.

Для получения максимального быстродействия используют диоды Шотки (рис. 7.20, в). Они имеют малое время восстановления (не превышает 0,1 не), низкое напряжение отпирания (около 0,25 В) и малое сопротивление в открытом состоянии (около 10 Ом). При применении диодов Шотки отпадает необходимость во введении дополнительного напряжения смещения. Это обусловлено тем, что диод отпирается при более низком напряжении между коллектором и базой, когда транзистор еще находится на границе активного режима.

Недостатки ненасыщенного транзисторного ключа, обусловленные особенностями его режима, следующие: 1) падение напряжения на открытом ключе больше, чем в насыщенном режиме (порядка 0,5 В); 2) ТК имеет плохую помехоустойчивость, что объясняется более высоким входным сопротивлением в открытом состоянии. В результате этого различные помехи, например скачки напряжения , приводят к соответствующим скачкам падения напряжения на транзисторе; 3) температурная стабильность ненасыщенного ключа значительно хуже, чем у насыщенного.