Электронные ключи на биполярных транзисторах.

Применение биполярных транзисторов в электронных ключах основано

Рис. 4.8.

на свойстве транзисторов изменять под действием управляющего сигнала сопротивление от весьма большого (сотни килоом) в режиме отсечки до значительно меньшего в активном режиме (единицы килоом) и весьма малого в режиме насыщения (единицы ом).

На рис. 4.8, а показана схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ); на рис. — входные характеристики на рис. выходные характеристики .

Транзистор в ключевых устройствах работает в режиме большого сигнала и его свойства можно описать нелинейной инжекциоиной моделью Эберса-Молла [71] из идеальных диодов и управляемых источников тока (рис. 4.9). Токи электродов транзистора в зависимости от приложенных к ним напряжении определяются соотношениями

где — обратный ток коллектора; — коэффициенты передачи тока эмиттера в цепь коллектора соответственно в нормальном и инверсном активных режимах. Приведенная модель используется в основном при машинных методах проектирования, а в приближенных расчетах используются кусочнолинейно аппроксимированные модели.

Рассмотрим схему простейшего ключа на биполярном транзисторе -типа (рис. ). Нагрузкой ключа на транзисторе VT является резистор, подключенный между выходом и общей шиной , либо между выходом и источником питания , либо нагрузка может быть разделенной . Режим работы транзистора определяется источникам входного сигнала и входной цепью из резисторов и источника запирающего смещения — .

Рис. 4.9.

Рис. 4.10.

Резисторы должны быть выбраны так, чтобы при низком уровне входного сигнала транзистор VT был надежно заперт во всем рабочем диапазоне температур окружающей среды, а при высоком уровне на входе транзистор должен быть насыщен.

Источник смещения — не обязателен, если режим отсечки транзистора обеспечивается низким уровнем входного сигнала и условие запирания не нарушается при максимальной температуре окружающей среды.

Для упрощения анализа статики и динамики работы такого ключа преобразуем схему, воспользовавшись теоремой об эквивалентном генераторе. Компоненты преобразованной схемы (рис. ) определяются из соотношений ,

Для обеспечения режима отсечки транзистора необходимо, чтобы при низком уровне входного сигнала эмиттерный переход транзистора был заперт. Как видно из рис. , запирающим можно считать низкий потенциал на входе, обеспечивающий на эмиттериом переходе напряжение .

Рис. 4.11.

Если данное условие выполняется, то оба перехода транзистора заперты и транзистор в схеме рис. в первом приближении можно заменить источником обратного тока коллекторного перехода (рис. 4.11,а).

Тепловой ток протекает через резистор и повышает потенциал базы. Чем выше температура коллекторного перехода, тем больше ток и напряжение Условие запирания транзистора должно выполняться в ианхудшем случае, т. е. при максимальной температуре коллекторного перехода и соответствующем токе через него:

Если условие (4.5) выполняется, транзистор VT заперт, на его коллекторе, являющемся выходом схемы, устанавливается высокий уровень

Для отпирания транзистора на вход ключа необходимо подать высокий уровень . При этом транзистор может находиться в активном режиме или в насыщении. Режим насыщения наступает в том случае, если ток базы транзистора достигает или превышает значение и, соответствующее положению рабочей точки транзистора на границе между активным режимом и режимом насыщения: .

Входную цепь насыщенного транзистора можно в линеаризованном варианте представить подобно диоду последовательно соединенными объемным сопротивлением базы и источником напряжения . Сопротивление между коллектором и эмиттером насыщенного транзистора определяется наклоном линии насыщения (рис. ). Эквивалентная схема транзисторного ключа в режиме насыщения показана на рис. . Для этой схемы условие насыщения имеет вид

Так как коэффициент усиления транзистора по току имеет технологический разброс, неравенство (4.7) должно выполняться в наихудших условиях, т. е. при наименьшем допустимом значении . Если условие (4.7) выполняется, транзистор VT насыщен и на выходе замкнутого ключа устанавливается низкий уровень .

Переходные процессы. Инерционность ключа на биполярном транзисторе характеризуется длительностью цикла переключения, который включает в себя: — задержку включения транзистора при подаче на вход ключа высокого уровня сигнала , удовлетворяющего условию (4.7); — длительность включения транзистора — время нарастания тока через транзистор теплового до тока насыщения — длительность задержки выключения, обусловленную рассасыванием заряда в базе при переходе траизпстора из насыщения в активный режим; — время выключения — уменьшения тока коллектора транзистора от тока нчсыщения до уровня тока — длительность фронта нарастания потенциала на коллекторе транзистора, связанную с зарядом емкостей нагрузки и монтажа.

Тогда полный цикл переключения разрешающее время

Это время которое необходимо для перезаряда паразитных емкостей монтажа схемы, межэлектродных емкостей транзистора, для накопления заряда неосновных носителей в базе транзистора при отпирании и рекомбинации этого заряда при запирании транзистора.

Поскольку коллекторный ток биполярного транзисторапредставляет собой ток экстракции неосновных носителей (здесь — электронов) из базы и пропорционален заряду в базе, переходные процессы удобно анализировать по динамике изменения заряда базы. Поэтому такой метод анализа переходных процессов называют методом заряда базы [27].

На рис. 4.12,а показан вариант эквивалентной схемы (см. Рис. ) транзисторного ключа, на которой показаны емкость нагрузки и эквивалентная входная емкость транзистора СВХ) определяемая емкостями эмиттерного и коллекторного переходов транзистора, а также паразитной емкостью монтажа.

Рассмотрим характерные участки переходного процесса по временным диаграммам (рис. ).

1. До момента времени транзистор VT заперт низким уровнем входного сигнала U удовлетворяющим условию (4.5). Ток в цепи базы транзистора определяется обратным током коллекторного перехода: . Заряд Q базы в отсутствие инжекции неосновных носителей через эмиттерный переход практически отсутствует: . В цепи коллектора протекает обратный ток коллекторного перехода . На выходе ключа поддерживается высокий уровень ,

2, В момент потенциал на входе ключа скачком увеличивается от до . Потенциал базы транзистора нарастает по мере заряда конденсатора через сопротивление .

Рис. 4.12.

Напряжение увеличивается по экспоненциальному закону с постоянной времени от начального напряжения до асимптотического уровня . До момента

, пока напряжение на базе остается меньшим, чем пороговое напряжение , транзистор остается в режиме отсечки, заряд базы, потенциал и ток коллектора не изменяются. Интервал времени от до , когда потенциал базы (напряжение на эмиттерном переходе ) достигает уровня порогового напряжения , определяет длительность задержки включения транзистора .

Для определения длительности воспользуемся свойством экспоненциальной функции (рис. 4.12,в) , которое следующем: если известны параметры экспоненциальной функции — асимптотическое значение, — постоянная времени, - уровни экспоненты, то длительность интервала от до определяется соотношением

Воспользовавшись этим выражением, определим длительность задержки включения

3. В момент потенциал базы превышает пороговое напряжение , открывается эмиттерный переход и транзистор переключается из режима отсечки в активный режим. Инжектируемые эмиттером в базу неосновные носители (в -транзисторе это электроны, а в — дырки) нарушают равновесное состояние базы и начинается накопление заряда. Скорость накопления заряда тем больше, чем больше ток базы При достаточно большом токе базы входную цепь транзистора можно представить в виде рис. . Тогда ток в цепи базы открытого транзистора .

Приращение заряда неосновных носителей в единицу времени на интервале определяется выражением

где - среднее время жизни неосновных носителей. В выражении (4.10) первое слагаемое характеризует увеличение заряда в базе (если ) , а второе — уменьшение заряда вследствие конечного времени жизни неосновных носителей заряда и рекомбинации части носителей в активной области базы.

В пределе для бесконечно малых промежутков времени получаем дифференциальное уравнение первого порядка

Если , ток базы транзистора остается практически постоянным

и решением уравнения (4.11) является экспоненциальная функция

С ростом заряда в базе пропорционально увеличивается ток коллектора, возрастает падение напряжения на резисторе и падает потенциал коллектора.

В момент транзистор переходит из активного режима в режим насыщения, прекращается рост коллекторного тока на уровне (см. рис. ) и падение потенциала коллектора на уровне .

Интервал от момента до представляет время включения транзистора . Его длительность можно определить с помощью (4.12), если учесть, что заряд на этом интервале нарастает от до значения

соответствующего положению рабочей точки транзистора на границе между активным режимом и насыщением. При этом заряд растет экспоненциально g постоянной времени и асимптотиче приближается к уровню . Тогда с помощью выражения (4.8) и с учетом формул (4.13), (4.14) получаем

где — коэффициент насыщения транзистора.

Длительность переднего фронта выходного сигнала .

4. На данном этапе все токн и напряжения, установившиеся в момент , остаются постоянными. Переходный процесс характеризуется только продолжающимся накоплением заряда в базе сверх граничного значения . Заряд неосновных носителей, превышающий величину , называется избыточным. Заряд продолжает нарастать по экспоненте, но с изменившимся параметром экспоненты , который характери зует среднее время жизни неосновных носителей в насыщенном режиме. Изменение среднего времени жизни неосновных носителей связано с перераспределением заряда в активной области базы при переходе транзистора из активного режима в режим насыщения. При этом для сплавных транзисторов , а для диффузионных . Можно полагать, что за время процесс накопления избыточного заряда заканчивается и заряд достигает значения

Отношение накопленного заряда к граничному согласно выражениям (4.14) и (4.16)

приближенно определяет коэффициент насыщения транзистора.

5. По заднему фронту входного сигнала в момент ток базы транзистора скачком изменяется по величине (и знаку) , нарушается равновесное состояние заряда базы и начинается его рассасывание. Избыточный заряд экспоиеициально с постоянной времени уменьшается от величины , стремясь асимптотически к . На данном этапе заряд в базе и транзистор остается насыщенным до момента , когда заканчивается рекомбинация избыточного заряда и транзистор из насыщения переходит в активный режим.

В интервале от до (в коллекторный ток и выходное напряжение остаются неизменными, и данный этап переходного процесса называют этапом рассасывания. Длительность этапа рассасывания

где коэффициент запирания.

6. В момент транзистор переходит в активный режим и от уровня заряд базы экспоненциально с постоянной времени уменьшается, стремясь асимптотически к . При этом синхронно уменьшается ток коллектора и начинает нарастать выходное напряжение. Данный этап, называемый этапом выключения, заканчивается в момент , когда достигается уровень Длительность этапа выключения

В момент транзистор переходит в режим отсечки, резко возрастает его входное сопротивление, ток базы устанавливается равным , а ток коллектора — .

7. Продолжается нарастание выходного напряжения , связанное с зарядом через коллекторное сопротивление эквивалентной емкости нагрузки См, где б, См — емкости нагрузки, коллекторного перехода и монтажа. Длительность заднего фронта Зтзар . В случае чисто активной нагрузки и незначительной емкости монтажа ( можно считать .

Анализируя зависимость длительности разрешающего времени транзисторного ключа от параметров его компонентов и управляющих сигналов, можно сделать следующие выводы: тем меньше, чем меньше транзистора, т.е. чем больше граничная частота усиления с ростом коэффициента насыщения транзистора уменьшается длительность , растет время рассасывания , а длительность выключения не изменяется; длительности рассасывания и выключения меньше, чем больше коэффициент запирания .

Следовательно, минимум длительности можно получить с помощью транзисторов требуемого частотного диапазона и оптимального выбора управляющих ключом уровней сигналов Щ и . Если тем не менее минимальное больше допустимого, необходимо использовать схемотехнические методы форсирования переходных процессов в транзисторных ключах.