Общая характеристика

При построении ключевого каскада на биполярном транзисторе следует учитывать следующие особенности его работы.

· Включенное состояние ключа соответствует работе биполярного транзистора в режиме насыщения. У транзистора, находящегося в режиме насыщения, коллекторный и эмиттерный переходы смещены в прямом направлении, поэтому падающие на них напряжения взаимно компенсируют друг друга. Степень компенсации этих встречновключенных напряжений зависит от степени идентичности свойств этих p-n переходов и для реальных транзисторов не может быть полной. Однако на практике полагают, что сумма этих напряжений равна нулю, поэтому для большинства практических случаев биполярный транзистор, работающий в режиме насыщения, может быть замещен активным сопротивлением , наличие которого связано с сопротивлением полупроводника вне p-n переходов.

· Выключенное состояние ключа, как правило, соответствует работе биполярного транзистора в режиме отсечки.

· Транзисторный ключ на биполярном транзисторе может использоваться только при неизменной полярности коммутируемого напряжения. Конкретная полярность определяется типом проводимости используемого транзистора.

Электронный ключ в общем случае должен обеспечивать усиление по напряжению и по мощности. По этой причине наибольшее распространение получили схемы коммутации, в которых транзистор включен по схеме ОЭ (рис. 100,а).

а)	б)
Рис. 100	лц1рис2

Проведем на семействе выходных характеристик (рис. 100,б), нагрузочную прямую, соответствующую выбранному значению сопротивления . Эта прямая отсекает на оси абсцисс напряжение , а на оси ординат — ток, равный . Используя входную характеристику транзистора, на выходной характеристике можно нанести кривую . Данная кривая соответствует началу смещения коллекторного перехода в прямом направлении, т. е. определяет на выходной характеристике границу области насыщения. Пересечение этой кривой с нагрузочной прямой дает точку границы режима насыщения (точка НС ). Пересечение кривой с нагрузочной прямой дает точку границы режима отсечки (точка ОТ). Для работы в ключевом режиме рабочая точка транзисторного каскада должна находиться либо левее точки НС (режим насыщения), либо правее точки ОТ (режим отсечки). Нахождение между точками НС и ОТ допускается только при переключении транзистора из насыщенного состояния в состояние отсечки и наоборот. Длительность нахождения транзистора в этой области, зависит от его частотных свойств и должно быть минимальным.

В режим насыщения транзистор переводится, если выполняется условие

,

где — реальный базовый ток насыщенного транзистора, соответствующий некоторому значению ; — базовый ток, соответствующий границе активного режима работы и режима насыщения (); .

Превышение базового тока насыщенного транзистора над его граничным значением принято характеризовать коэффициентом насыщения:

.

Значение обычно выбирается из следующих соображений:

· режим насыщения должен обеспечиваться при заданном технологическом разбросе параметров реального биполярного транзистора с учетом зависимости этих параметров от внешних возмущающих воздействий, например температуры;

· увеличение приводит к увеличению напряжения на прямосмещенном коллекторном переходе, что ведет к снижению напряжения между выводами коллектора и эмиттера, т. е. снижает мощность, рассеиваемую в выходной цепи биполярного транзистора;

· чрезмерное увеличение приводит к значительному увеличению мощности, рассеиваемой во входной цепи биполярного транзистора.

Оптимальным с точки зрения перечисленных требований является значение .

Для биполярного транзистора, работающего в ключевом режиме, обычно устанавливают следующую границу, определяющую наступление режима отсечки:

,

что соответствует смещению эмиттерного перехода в прямом направлении, меньшему некоторого порогового напряжения .

В зависимости от реального напряжения на эмиттерном переходе различают две разновидности выключенного состояния биполярного транзистора:

· режим глубокой отсечки, характеризующийся тем, что эмиттерный переход внешним источником смещен в обратном направлении , а ток базы транзистора равен току обратносмещенного коллекторного перехода, т. е. ;

· режим пассивного запирания, характеризующийся неравенством .

При пассивном запирании мощность, рассеиваемая в биполярном транзисторе, больше, чем в режиме глубокой отсечки. При реализации режима глубокой отсечки необходимо учитывать величину сопротивления резистора , включенного в цепь базы транзистора (рис. 101). Обратный ток коллекторного перехода создает на этом резисторе падение напряжения . Непосредственно к эмиттерному переходу прикладывается разность запирающего управляющего напряжения и падения напряжения на резисторе . Для обеспечения режима глубокой отсечки сопротивление должно удовлетворять неравенству .

 

Рис. 101

Для режима пассивного запирания сопротивление можно приближенно определить из неравенства .

Включение и выключение электронного ключа, содержащего биполярный транзистор, в силу неидеальности транзистора происходит не мгновенно. При включении и выключении различают временные интервалы определенной длительности, в течение которых в транзисторе протекают те или иные процессы.

Переходный процесс при включении транзистора, исходно находившегося в режиме глубокой отсечки, можно разбить на три интервала: интервал задержки (); интервал формирования фронта коллекторного тока (); интервал накопления избыточного заряда в базе ().

На интервале задержки происходит перезаряд барьерной емкости эмиттерного перехода биполярного транзистора от напряжения до ; транзистор фактически переходит из режима глубокой отсечки в режим пассивного запирания, поэтому коллекторный ток транзистора на этом интервале практически не меняется. Длительность интервала определяется следующим выражением:

,

(19)

где , — емкости эмиттерного и коллекторного переходов транзистора соответственно. Очевидно, что этот этап при пассивном запирании биполярного транзистора отсутствует, т. к. примерно равно .

Интервал формирования фронта коллекторного тока определяется процессами перезаряда барьерной емкости коллекторного перехода и накопления неосновных носителей заряда в области базы и характеризуется нарастанием коллекторного тока транзистора. Длительность интервала определяется следующим выражением:

,

где ; — время жизни неосновных носителей заряда в области базы; — сопротивление в цепи коллектора.

Относительно нагрузки процесс включения биполярного транзистора к моменту можно считать завершенным, т. к. дальнейшие процессы, протекающие в транзисторе, практически не влияют на его коллекторный ток. Однако переходный процесс собственно в транзисторе не заканчивается, т. е. реальный ток базы больше тока , и в области базы продолжается процесс накопления избыточного заряда. Время протекания этого процесса , где — постоянная времени накопления, определяемая конструктивными и технологическими особенностями транзистора.

Переходный процесс при выключении транзистора можно разбить на три интервала: интервал рассасывания избыточного базового заряда , интервал формирования спада коллекторного тока , интервал установления стационарного запертого состояния .

На интервале рассасывания избыточного заряда, который начинается сразу же после смены полярности управляющего напряжения, происходит уменьшение объемного заряда базы. На этом интервале напряжения на всех переходах остаются постоянными. Относительно нагрузки биполярный транзистор продолжает находиться во включенном состоянии, т. к. его коллекторный ток практически постоянен. Длительность может быть найдена из следующего выражения:

.

Интервал формирования спада коллекторного тока по физике происходящих процессов аналогичен интервалу формирования фронта коллекторного тока при включении биполярного транзистора. На нем происходит как изменение (уменьшение) объемного заряда, так и перезаряд коллекторной емкости. Длительность этого интервала определяется выражением:

.

Интервал установления стационарного закрытого состояния связан с уменьшением базового напряжения от до . Процессы, происходящие при этом в биполярном транзисторе, аналогичны процессам на интервале задержки включения транзистора. Длительность этого процесса может быть определена по выражению, аналогичному (19). Этот интервал существует лишь в случае, когда после выключения биполярный транзистор попадает в режим глубокой отсечки.

Дата добавления: 2015-07-14