Iкбо * Rб < Uвх.

3 Переходные процессы транзисторного ключа.

Процесс включения транзисторного ключа условно разделяют на три этапа: задержка фронта; формирование фронта при открывании транзистора; накопление избыточного заряда в области базы.

Задержка фронта связана с перезарядом барьерных ёмкостей С _к и С_э транзистора и приводит к достаточно малому временному сдвигу фронта без изменения его формы. Поэтому длительностью этапа задержки фронта обычно пренебрегают и считают, что формирование фронта начинается сразу после поступления на вход ключа сигнала.

Рассмотрим этап формирования фронта.

Пусть в момент времени t₁ на вход подан положительный скачок напряжения, вызывающий положительный скачок отпирающего базового тока I_б1» E_б1/ R_б. С этого момента начинается этап формирования фронта, характеризуемый нарастанием тока коллектора по закону

I_к = b*I_б1(1 - e^-t/tb),

где t_b = 1/ w_b - постоянная времени переходного процесса в транзисторе.

Ток коллектора стремится к величине bI_б1. Но в момент t₂ ток достигает величины I_кн и его рост прекращается. На этом заканчивается этап формирования фронта. Определим длительность фронта из соотношения

I_кн = b*I_б1*{1 -[(ехр(-t_ф/t_b)]},

откуда

t_ф = t_b *ln (b*I_б1 / (b*I_б1 - I_кн)).

Из анализа последнего соотношения следует, что чем больше I_б1, тем меньше длительность фронта.

На этапе накопления избыточного заряда носителей в области базы происходит нарастание некоторого тока коллектора, называемого “кажущимся”. Этап накопления заканчивается через время t_н» 3*_b.

Процесс выключения делят на два этапа: рассасывание избыточного заряда в базе транзистора и формирование фронта при закрывании транзистора.

Этап рассасывания избыточного заряда в базе транзистора.

Пусть в момент t₃ подан запирающий потенциал, который вызывает скачок базового тока I_б2=E_б2/R_б, протекающего в направлении, противоположном первоначальному. Однако заряд в базе скачком измениться не может, поэтому начинает убывать по экспоненциальному закону. До момента t₄ в базе сохраняется избыточный заряд и никаких изменений тока коллектора I_к и напряжения U_к не происходит. В результате возникает задержка t_р среза относительно момента поступления запирающего потенциала. Для нахождения t_р можно воспользоваться понятием кажущегося тока коллектора I_{к.каж .}, который изменяется от величины bI_б1 до bI_б2. Можно показать, что время рассасывания описывается соотношением

t_р = t_b *ln (b*I_б1 + b*I_б2) / (I_кн + b*I_б2).

Время рассасывания можно уменьшить за счёт увеличения тока базы I_б2.

Формирование среза начинается в момент времени t₄. Ток коллектора снижается по экспоненциальному закону до величины I_ко. Длительность среза определяют по соотношению

t_с = t_b *ln (I_кн + b*I_б2) / (0,1 I_кн + b*I_б2).

Одновременно уменьшается выходное напряжение.

Повышение быстродействия связанно с выполнением противоречивых требований: для уменьшения t_ф необходимо увеличивать ток базы, а для уменьшения t_р - уменьшать.

Быстродействие ключа существенно зависит от величин паразитных ёмкостей, в частности С_к и С_н. Для их учёта вводят эквивалентную постоянную времени переходного процесса

t_bэкв» t_b + k(1+b) C_к R_к + C_н R_к,

где k - коэффициент, зависящий от степени насыщения и приблизительно равный 1,3 - 1,6.

4 Быстродействующий ключ с ускоряющим конденсатором.

В начальный момент времени отпирающий базовый ток равен I_б1нач» E_б1/R_г. Ток базы за счёт заряда конденсатора уменьшается по экспоненциальному закону до величины

I_б1 = E_б1 / (R_г + R_б).

Если t >> t_ф, то можно считать базовый ток во время фронта неизменным.

Кажущийся ток коллектора уменьшится до величины b*I_б1, степень насыщения транзистора будет незначительной.

В начальный момент этапа рассасывания запирающий ток базы

I_б2=(E_б1+E_б2)/R_г.

Поскольку степень насыщения мала, а запирающий ток велик, время рассасывания t_ф и длительность среза t_с уменьшаются.

После запирания транзистора на его базе окажется дополнительное динамическое смещение, которое уменьшается по мере разряда конденсатора через резистор R_б. К приходу очередного отпирающего импульса конденсатор должен полностью разрядиться, что в ряде случаев трудно технически выполнить. Для устранения этого недостатка используют диодную фиксацию. При подаче запирающего напряжения на базу диод открывается и конденсатор быстро разряжается через сопротивление диода VD1 и внутреннее сопротивление источника сигнала.

5 Транзисторный ключ с диодной фиксацией.

Другой способ повышения быстродействия состоит в устранении насыщения транзисторного ключа, которое может быть достигнуто фиксацией коллекторного напряжения на уровне Е_ф >U_кн, при
Е_ф << Е_к.

В исходном состоянии при U_вх = 0 транзистор VT1 и диод VD1 закрыты. При подаче отпирающего импульса токи базы I_би коллектора I_к начинают возрастать, а напряжение U_к уменьшается. Ток коллектора возрастает за счет источника коллекторного напряжения Е_к. В момент достижения напряжением U_к величины напряжения опорного источника E_ф диод VD1 открывается и напряжение на коллекторе фиксируется. Дальнейшее увеличение тока базы I_б1 приводит к увеличению тока коллектора I_к, но теперь за счёт опорного источника Е_ф.

Ток коллектора может значительно превысить значение тока насыщения I_кн, однако ток через резистор остается постоянным I_R = (E_к – E_ф)/R_к £ I_кн, т.е. транзистор не может попасть в насыщение.

При выключении ключа U_к = +E_ф до тех пор, пока ток не уменьшится до значения

I_R = (E_к – E_ф)/R_к,

диодVD1 не закроется. Это вызывает задержку изменения коллекторного напряжения, что накладывает ограничение на амплитуду входных импульсов напряжения или тока.

Недостаток такого ключа является меньшая амплитуда выходного напряжения U_вых» E_к - E_ф.

6 Транзисторный ключ с нелинейной ОС.

В этой схеме за счет нелинейной отрицательной обратной связи исключается насыщение транзистора. Принцип действия основан на ограничении величины базового и коллекторного токов на уровне, близком к их граничным значениям I_бн и I_кн.

Номиналы R и R_брассчитывают так, чтобы при токе базы, близком к току насыщения выполнялось условие U_VD1 < U_Rб.

В исходном состоянии U_вх<0, транзистор VT1и диод VD1 закрыты. При поступлении отпирающего импульса транзистор VT1 начинает открываться под действием увеличивающегося тока I_вх=I_б1. Одновременно по экспоненциальному закону возрастает коллекторный ток. Напряжение на резисторе R_б увеличивается, а напряжение на коллекторе транзистора U_к уменьшается. Учитывая полярности напряжений U_Rб и U_к, можно показать, что U_VD1 уменьшается.

Когда U_Rб + U_бк станет равным U_VD1, диод VD1 откроется. С этого момента вступает в действие обратная связь, которая в значительной мере изменяет токораспределение в ключе. Ток I_б1 ограничивается на уровне, близком к току насыщения I_бн, хотя ток I_вх может продолжать увеличиваться.

Ток I_R достигает значения, близкого к I_кн, и также ограничивается на достигнутом уровне. Ток I_к может продолжать увеличиваться за счет нарастания входного тока по цепи:

Дата добавления: 2015-11-16