17.2.3. КОММУТАТОР НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Чтобы исследовать возможности использования в качестве коммутатора биполярного транзистора, рассмотрим его характеристики вблизи нулевой точки. На рис. 17.6 изображено семейство выходных характеристик для малых положительных и отрицательных напряжений коллектор-эмиттер.

В первом квадранте находится уже

Рис. 17.6. Семейство выходных характеристик коммутатора на биполярном транзисторе в схеме с общим эмиттером и соответствующая схема измерения.

Рис. 17.7. Семейство выходных характеристик коммутатора на биполярном транзисторе в инверсном включении и соответствующая схема измерения.

рассмотренное в разд. 4.6 семейство выходных характеристик транзистора. Если изменить полярность напряжения коллектор-эмиттер, не меняя базового тока транзистора, получим семейство характеристик в третьем квадранте. При таком обратном включении транзистор обладает существенно меньшим коэффициентом усиления тока базы, составляющим примерно Максимально допустимое при таком режиме работы напряжение коллектор-эмиттер равно напряжению запирания перехода эмиттер-база Это объясняется тем, что при таком режиме работы транзистора переход база-коллектор открыт, а переход база-эмиттер закрыт. Этот режим работы транзистора называется инверсным, а соответствующий ему коэффициент усиления тока-инверсным коэффициентом усиления Точка перехода коллекторного тока через нуль соответствует напряжению коллектор-эмиттер от 10 до Если базовый ток превышает несколько миллиампер, остаточное напряжение, соответствующее возрастает; при малых базовых токах оно остается практически постоянным.

Остаточное напряжение, соответствующее можно существенно снизить, если в момент перехода коммутируемого тока через нуль транзистор будет работать в инверсном режиме. Для этого достаточно поменять местами выводы коллектора и эмиттера транзистора. Семейство выходных характеристик для инверсного включения транзистора показано на рис. 17.7. Напряжение транзистора при таком включении для достаточно больших значений выходного тока зависит от тока примерно так же, как и для прямого включения транзистора (рис. 17.6). Причина этого явления состоит в том, что в инверсной схеме включения выходным током является ток эмиттера, который мало отличается от тока коллектора.

В окрестности нулевой точки графики рис. 17.6 и 17.7 существенно различаются. Это объясняется тем, что в этой области током базы нельзя пренебрегать по сравнению с выходным током. Если в прямом

включении транзистора выходной ток установить равным нулю, то ток базы будет равен току эмиттера, т.е. ток эмиттера не будет равен нулю. При этом на выходе появится уже упоминавшееся выше напряжение смещения от 10 до 50 мВ. Если же в инверсном включении транзистора, т.е. при взаимной замене выводов коллектора и эмиттера, установить выходной ток равным нулю, то ток базы транзистора будет равен току коллектора. При этом переход коллектор-база будет открыт (инверсное включение транзистора). Возникающее напряжение смещения будет приблизительно в 10 раз меньше, чем при прямом включении транзистора; знак же его, как и при прямом включении, будет положительным, так как схеме на рис. Типичные значения напряжения смещения в этом режиме лежат в пределах от 1 до 5 мВ [17.1]. Поэтому при использовании биполярных транзисторов в качестве коммутаторов их целесообразно включать, поменяв гами выводы коллектора и эмиттера. Если при этом поддерживать эмиттерный ток достаточно малым, то транзистор будет работать только в инверсном режиме.

Параллельный коммутатор

Применение биполярного транзистора в качестве параллельного коммутатора показано на рис. 17.8 и 17.9.

Рис. 17.8. Параллельный коммутатор на биполярном транзисторе.

Рис. 17.9. Параллельный коммутатор на биполярном транзисторе в инверсном включении.

В схеме на рис. 17.8 транзистор работает в прямом включении, а в схеме на рис. 17.9 - в инверсном включении. Чтобы транзисторная цепь была достаточно низкоомна, необходимо поддерживать базовый ток в пределах нескольких миллиампер. Токи коллектора и эмиттера не должны превышать этих значений; при этом остаточные напряжения, соответствующие или будут малы.

Последовательный коммутатор

На рис. 17.10 представлена схема последовательного коммутатора, выполненная на биполярном транзисторе. Чтобы перевести этот транзистор в режим отсечки, необходимо приложить отрицательное управляющее напряжение. Оно должно быть по абсолютной величине большим, чем максимальное напряжение отсечки. Предельное значение этой величины составляет

Чтобы открыть транзистор, на его вход надо подать управляющее напряжение большее, чем напряжение отсечки, на величину При этом переход коллектор база откроется, и транзистор будет работать как ключ в инверсном включении. Недостатком схемы является протекание базового тока транзистора через цепь источника входного сигнала. Чтобы это не сказывалось на работе схемы, внутреннее сопротивление источника сигнала должно быть достаточно малым.

Если выполняется это условие, то схема оказывается пригодной и для положительного входного напряжения. При этом ток эмиттера открытого транзистора будет положителен, что уменьшает напряжение смещения. Как следует из графика на рис. 17.7, при определенном значении тока эмиттера оно может даже равняться нулю.

Рис. 17.10. Последовательный коммутатор на базе насыщенного эмиттерного повторителя.

Рис. 17.11. Передаточная характеристика для положительных входных напряжений.

В этом режиме работы схема представляет собой насыщенный эмиттерный повторитель. Для управляющего напряжения, величина которого лежит в пределах от нуля до она работает как эмиттерный повторитель сигнала Это обстоятельство иллюстрируется передаточной характеристикой коммутатора для положительных входных напряжений, представленной на рис. 17.11.

Последовательно-параллельный коммутатор

Если совместить насыщенный эмиттерный повторитель (рис. 17.10) и параллельный коммутатор, представленный на рис. 17.9, получится последовательно-параллельный коммутатор, имеющий в обоих рабочих состояниях малое напряжение смещения. Недостатком его является необходимость наличия комплементарных управляющих сигналов. Более простое управление можно обеспечить, если применить изображенный на рис. 17.12 комплементарный эмиттерный повторитель, который работает в режиме насыщения в обоих направлениях. Для этого необходимо обеспечить выполнение условий и

Рис. 17.12. Последовательно-параллельный коммутатор.

Благодаря низкому выходному сопротивлению в обоих режимах схема реализует высокую скорость коммутации выходного напряжения между значениями