Работа транзистора в ключевом режиме

При изучении принципа действия ВТ, в основном рассматривали усилительный режим работы — режим малого сигнала. Изучим, как ведет себя транзистор в случае воздействия на него прямоугольных импульсов значительной амплитуды в так называемом ключевом режиме (рис. 3.29, а).

Для ключевого режима работы БТ характерно наличие большого (значительно больше ср_т) входного сигнала. В этом режиме транзистор находится в одном из трех состояний: закрытом (отсечки), активном, насыщенном (рис. 3.29, б). В состоянии отсечки транзистор выполняет роль разомкнутого ключа, в насыщении — замкнутого, в активном — усилителя.

Инерционность переключения транзистора из одного состояния в другое связана с изменением напряжений на барьерных емкостях переходов и с необходимостью перераспределения неосновных носителей заряда в базе транзистора. Рассмотрим переходные процессы в ключе с общим эмиттером, вызванные инерционностью транзистора.

В исходном состоянии транзистор закрыт положительным напряжением Е_см (рис. 3.29, а), поданным на базу.

При разомкнутом ключе (в режиме отсечки) напряжение на выходе U_K=-CE_K -I_k0R_k), а при замкнутом (в режиме насыщения) U_K = U_KH и ток коллектора = (Е_к -U_KH)/R_K.

Для идеального ключа U_KH ~ 0, а 1_Ш ~ ?_K/R_K; время перехода из одного состояния в другое t ~ О (для реального оно конечно).

Активное состояние транзистора определяет длительность этапов нарастания и спада выходного сигнала, составляющих существенную часть общего времени переходных процессов. Работа транзистора в ключевом режиме показана на осциллограммах (рис. 3.29, в), где ^f3l время задержки включения (нарастание амплитуды от нуля до 10%); 1ф — время нарастания переходного фронта от 10 до 90% своей установившейся амплитуды; 1_р — время задержки выключения (интервал времени от окончания воздействия импульса до 90% амплитуды). В ненасыщенных схемах t_p мало, а в насыщенных велико и определяется временем рассасывания избыточного заряда в транзисторе (этот интервал часто называют временем рассасывания); t_c — время спада выходного тока транзистора (интервал времени от 90 до 10% своей амплитудной установившейся величины). Значение установившегося тока коллектора в режиме насыщения несколько превышает значение тока, определяемого по формуле для /_кн. Это происходит потому, что ток коллектора определяется не только ЭДС источника питания Е_к, но и падением напряжения на объемном сопротивлении базы при прохождении по нему тока.

При активной нагрузке форма тока совпадает с формой напряжения на нагрузке (поэтому можно говорить об изменении тока или напряжения). Быстродействие ключа (или любого другого каскада) можно оценить величиной среднего времени задержки на каскад, которое определяется как t_3cp = (t+ +1~) / 2.

Управляющий импульс подается во входящую базовую цепь через резистор R_1} ограничивающий величину базового тока, и, следовательно, глубину насыщения транзистора S = (7_б / /_бн) и переводит транзистор из закрытого состояния U_K = -Е_к в открытое U_K ~ 0, а затем наоборот.

Рис. 3.29. Схема, ВАХ и переходные характеристики транзисторного.

ключа Входное сопротивление открытого транзистора устанавливается достаточно быстро. Пренебрегая этим временем и учитывая, что Я_г «г_б0, можно считать ток базы во время действия входного отрицательного напряжения неизменным и равным /_б = /_б1 ~ Е_г / R_v Под воздействием этого тока и совершаются указанные переходы.

Если выполняется условие насыщения транзистора /_б1р_ср > ^кн> ^гД^е средний коэффициент усиления тока базы (3_Ср ^=кДб1 * ^к/С^бЛс)* то в соответствии с переходной характеристикой по току i_K(t) = = p_cp/₆i (l-e^{_), где сор=2л/_гр — верхняя граничная частота, получим без учета влияния емкостей нагрузки и коллектора напряжения на выходе насыщенного транзистора U_KH = -E_K + fi_cpI₆₁R_K(l-e~(0vt).}

При достижении транзистором режима насыщения заканчивается формирование фронта импульса и выражение принимает вид -Е_к + Pcp/gi^K (1^-) * 0. Откуда длительность фронта.

(при р «100, /_б2 = ОД 7_КН, 7ф * ОДтр, а при /_б2 = 7_КН, 7_ф * 0,01т_р, т. е. при Тр «100 нс, 7ф ~ 10 нс или 1 нс), таким образом длительность переднего фронта импульса тока коллектора зависит от частотных свойств транзистора и амплитуды импульса прямого тока базы.

За время 7_ф (когда транзистор находится в активной области) в базе транзистора растет заряд неосновных носителей, достигая в момент t₂ граничное значение Q_rp. Закон изменения заряда имеет вид.

где т — время жизни неосновных носителей тока в базе.

Причем величина т связана с введением в т_р следующим образом:

где вместо/_гр подставлено значение f_h216 =/_rp(l + cp), указанное в справочниках, а величина ср описывается далее.

В момент t₂ напряжение между коллектором и базой достигает нуля, затем коллекторный переход смещается в прямом направлении и транзистор переходит в режим насыщения. Остаточное напряжение между коллектором и эмиттером также близко к нулю, поэтому рост коллекторного тока прекращается, когда он достигает максимального значения 7_КН.

Влияние С_к на длительность фронта ?_ф можно учесть, заменив постоянную времени Тр эквивалентной постоянной времени хр_э * -г |З_срС_кК_к, где С_к — среднее значение величины коллекторной емкости при U_K, определяемом неравенством 0,1?_к > U_K> -Е_к.

Типичные значения Тр — 100 нс (в отсутствии примеси золота) и 10 нс (при наличии), при этом постоянная времени коллекторной цепи при С_к ~ 0,5 пФ, R_K ~ 2 кОм, (3 ~ 100 составляет около 100 нс (среднее значение тр_э «150 нс).

Величину временного интервала t_3l, обусловленного зарядом входной емкости запертого транзистора, можно оценить по процессу заряда емкости С_вх = С_э + С_к (С_э, С_к — барьерные емкости эмиттерного и коллекторного переходов):

где т₃ = C_BXR_l — постоянная времени заряда. Когда напряжение U₆ достигнет напряжения отпирания U₀ эмиттерного перехода, этап заряда заканчивается. Тогда, полагая t/₆(0 = U₀, определим время задержки t_3l

(например, при С_вх = 2пФ, R₁ = 2 кОм, U₀ ~ 0, Е₁ = 0, Е₂ = ЗВ, т₃ = 4 нс получаем t_3l ~ 0,25 т₃ ~ 1 нс).

После перехода транзистора в состояние насыщения продолжается стадия накопления избыточных носителей. При этом объемный заряд в базе возрастает от Q_rp (рис. 3.29, граничного), определяемого как Qrp =/кн^та/^а ~^бн^тр) Д° Qnp (предельного) по закону, отличному от первоначального, так как ток коллектора и ток базы становятся постоянными. Время накопления t_H ~ Зт_н, где т_н — постоянная времени накопления, определяемая средним временем жизни носителей в базовом и коллекторном слоях (вследствие влияния поверхностной рекомбинации носителей т_н несколько меньше т_б); т_н ~ т_р1 — постоянная времени коэффициента (3_t при инверсном режиме работы транзистора (типичное значение 30—50 нс).

После прекращения действия входного импульса (при t = t₃) начинается стадия рассасывания избыточных носителей. Длительность этой стадии определяет величину Г_выкл для насыщенных ключей. Время рассасывания от Q_np до Q_rp при нормальном (не инверсном) запирании ключа равно.

где /_бн = Я_к/Я_к|З_ср. При t" «t_pi t_p = ipi 1п[Ц_б1 -7_б2)/(7_бн -/_б2)] (если отношение разности токов составляет 0,2—5,0, то t ~ (0,2 — 1,6)т^_г и при Tpi = 30 нс будет от 6 до 50 нс).

Длительность стадии формирования спада импульса t_c (является определяющей для t_BblKJl у ненасыщенных ключей), когда Q уменьшается от Q_rp до нуля, соответствует времени, в течение которого ток коллектора уменьшается от значения 1_КН почти до нуля. При Рср^б2 < 'кн формирование спада импульса происходит при работе транзистора в активной области, поэтому т_с ~ 2,2 Тр_э. Если 1_б2 > 1_КН, то.

t_C ^—рэ (Рср^б2 ^—-^бн) / (Рср^б2)'.

При 0,17_кн < 1_б2 < 0,9/_кн

где т_отс — постоянная времени отсечки коллекторного тока, которая приблизительно может быть определена как х_отс ~ С_к R_K.

При 1_б2 > 0,9/_кн t_c «2,2т_отс (в случае С_к = 0,5 пФ, R_K = 2 кОм, t_c ~ 2,2 нс).

С целью повышения быстродействия таких схем необходимо предотвратить насыщение транзистора. Это может быть достигнуто введением фиксирующих диодов в выходную цепь, как это показано на рис. 3.30. Временная диаграмма поясняет принцип работы схемы с фиксирующими диодами |-Е_к | > |-Еф₂1 > |-?ф11•.

До прихода входного сигнала транзистор закрыт, а диод VD₂ открыт и ограничивает уровень входного сигнала U_Kl ~ -Еф₂. После открывания транзистора входным сигналом напряжение на коллекторе ограничивается уровнем U_k2 ~ -?ф₁₅ исключая насыщение транзистора (У_к < 0), при этом ограничивающие диоды только уменьшают амплитуду выходного сигнала.

Рис. 3.30. Схема повышения быстродействия ТК и временная диаграмма.