Ключевой режим работы транзистора.
В ключевом режиме работают транзисторы в разнообразных импульсных схемах (триггер, мультивибратор, блок-генератор и др.) и в логических схемах вычислительных машин.
Статическое состояние ключевой схемы.
Различают 2 состояния:
-
Включенное – транзистор подобен замкнутым контактам реле (ключа). Это достигается переводом его в насыщение с помощью открывающего уровня напряжения на входе (низкого для p-n-p транзисторов).
В коллекторной цепи протекает ток 
, выходное напряжение 
- несколько десятых долей вольта (
) – высокий уровень напряжения (для p-n-p транзисторов).
- Выключенное – транзистор подобен разомкнутому контактному реле. Это достигается его переводом в отсечку с помощью подач высокого уровня напряжения на вход (
) и транзистор запирается благодаря напряжению 
. В коллекторной цепи течет ток 
и выходной напряжение 
.
В кремниевых транзисторах можно обойтись без , так как транзистор остается практически закрытым при 
. Поэтому, если высокий уровень напряжения на входе менее +(0.5…0.6) В, то транзистор практически закрыт.
Переходные процессы при включении
Быстродействие ключа – это его важнейшее свойство. Оно определяется временем включения и выключения.
На рисунке показана эквивалентная схема ключа до момента 
. Интервал 
зависит от постоянной времени заряда барьерной емкости эмиттерного перехода.
Интервал 
определяется временем распространения инжектированных после носителей тока через базу, т.е. постоянной времени 
.
Интервал 
составляет время задержки нарастания импульса тока коллектора. Для низкочастотных транзисторов (
постоянной времени заряда 
) 
и время задержки 
составляет незначительную часть общего времени включения, поэтому можно не учитывать. Для высокочастотных транзисторов и 
- соизмеримые величины.
Для линейных импульсных усилителей ранее было получено:
Процесс включения транзисторного ключа можно разделить на 3 стадии:
· задержка включения,
· формирование положительного фронта выходного тока,
· накопление избыточного заряда в базе.
Процесс выключения можно разделить на 2 стадии:
· рассасывание избыточного заряда,
· формирование отрицательного фронта.
Удобно анализ переходных процессов вести с помощью «уравнения заряда», которое получается путем двукратного интегрирования уравнения непрерывности по пространственной переменной в пределах 
и домножения его на 
, где 
- заряд электрона, 
- площадь p-n перехода.
Уравнение непрерывности: 
.
Оно же, после подстановки 
: 
.
Уравнение заряда получается в виде: 
.
Это уравнение устанавливает связь между током базы транзистора (управляющий ключом тока) и накопленным в базе зарядом неосновных носителей для каждого момента времени. 
в этом уравнении – время жизни неосновных носителей в базе (или постоянная времени накопления заряда в базе).
а) Задержка фронта. Эта стадия связана с перезарядкой барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного переходов под действием входного сигнала.
перезаряжается от 
до 
с постоянной времени 
.
Если 
мало по сравнению с 
, то 
. Если велико, то 
.
Задержка проявляется в сдвиге переходной характеристики и не влияет на ее форму. Поэтому можно считать, что поступивший на базу сигнал сразу отпирает транзистор.
б) Положительный фронт.
Пусть на входе ключа задано ступенька напряжения 
, которая определяет ступеньку тока в базовой цепи транзистора 
, причем 
.
Уравнение зарядов в этом случае можно записать следующим образом:
.
Решением этого уравнения при нулевых начальных условиях является экспоненциальная функция:
.
Но заряд неосновных носителей, накопленный в базе транзистора, работающего в активной области, пропорционален току эмиттерного диода эквивалентной схемы транзистора:
, т.к.
коллекторный переход смещен обратно. Т.о. в активной области:
-остаточное напряжение
при 
.
Пока транзистор находится в активной области 
.
.
При 
. Сокращая 
, получаем: 
.
.
При 
Вычислим длительность фронта 
:
.
Таким образом, чем глубже насыщен транзистор, тем меньше фронт. В частном случае, когда транзисторный ключ не входит в насыщение 
, имеем:
.
Если в транзисторном ключе учесть влияние барьерной емкости коллекторного перехода 
и емкости нагрузки, то вместо в формулу для 
необходимо подставить 
.
Итак, уменьшается, если уменьшается и увеличивается 
. Действительно, чем больше , тем ближе к 1 аргумент логарифма и тем меньше .
в) Накопление заряда.
Начиная с момента времени 
, все три величины тока транзистора практически не изменяются. Однако заряд в базе продолжает нарастать по закону
в течение 
. Время накопления меньше 
из-за влияния поверхностной рекомбинации в сплавных транзисторах и равно приблизительно 
.
В транзисторах со слаболегированным коллектором постоянная накопления может в несколько раз превышать 
из-за накопления заряда не только в базе, но и в коллекторе. В пределе накопленный в базе заряд устанавливается на уровне
.
Если длительность импульса конечная величина, то к моменту действия выключающего перепада в базе транзистора накапливается заряд:
.
Лекция 2.
§3. Переходные процессы при выключении
Переходные процессы в базовой цепи приципиально не отличаются от переходных процессов при включении диода (здесь аналогом диода является переход база-эмиттер). Интервал 
- разряжается диффузионная емкость эмиттерного перехода (ток 
и напряжение 
меняются не по экспоненте только потому, что 
- существенно нелинейная емкость; в первом приближении разрядный ток 
можно считать в интервале 
постоянным и равным 
). Следовательно, эмиттерный переход запирается в момент 
, когда разряжается 
. Коллекторный переход тоже запирается с задержкой в момент 
, когда разрядится 
. На рисунках 
случай прямого запирания. При 
имеет место инверсное запирание. Интервал 
- рассасывание неосновных носителей (др. словами, разряд ). Пока оба перехода открыты 
и на выходе высокий уровень.
Определим 
.
Уравнение зарядов: 
при начальных условиях 
, 
. Здесь приятно допущение, что заряд рассасывается с постоянной времени 
(на самом деле, рассасывание происходит с некоторой 
) под воздействием постоянного тока 
.
Решение уравнения зарядов:
;
;
.
Графически решение можно представить:
Очевидно, что при 
рассасывание прекращается и коллекторный переход запирается, т.е.
.
Отсюда находим 
или
.
Анализ формулы показывается, что 
уменьшается при уменьшении 
, т.е. при уменьшении глубины насыщения 
, а также при увеличении 
. Следовательно, форсированное рассасывание будет при подачу в базу большого запирающего тока.
В интервале 
спад коллекторного ток происходит, когда транзистор находится в активной области, в интервале 
- транзистор уже заперт. При этом коллекторный ток - это ток перезаряда барьерной емкости коллекторного перехода.
В интервале ток спадает по экспоненте с постоянной времени 
, причем ток 
стремиться к уровню 
Отсюда видно, что 
уменьшается при 
и 
повышается, т.е. при форсированном запирании.
После того, как транзистор запирается, 
спадает по экспоненте с постоянной времени 
, где 
- эквивалентное внутреннее сопротивление источника запирающего напряжения.
При инверсном запирании сначала запирается эмиттерный переход, после чего 
становится значительной положительной величиной (см. эпюру 
при 
), так как коллекторный переход открыт, то 
и 
тоже становиться больше 0.
Инверсное запирание становится возможным при значительных запирающих токах базы и при заметных 
(это затрудняет перезаряд 
по сравнению 
). С целью повышения быстродействия ключа используют высокочастотные транзисторы и ряд схемных решений. Простейший способ уменьшения времени включения и выключения - использование ускоряющей емкости:
Если рассматривать цепочку вида
,
то для нее характерен следующий вид 
Следовательно, во время переднего фронта увеличивается 
и уменьшается. Во время выключения (рассасывания и среза) увеличивается запирающий ток базы и 
уменьшается.
Другим часто используемым способом повышения производительности ключа является использование отрицательной обратной связи.
Идея заключается в уменьшении глубины насыщения S за счет части входного тока через отпирающийся диод D. Пока транзистор находится в режиме, далеком от насыщения, потенциал коллектора отрицателен по отношению к точке А, диод заперт. Увеличение базового тока приводит к повышению и в некоторый момент диод D откроется. При этом у 
, то 
. Дальнейшее увеличение входного тока не вызывает заметного роста , так как увеличивается ток через диод. Транзистор или вообще не входит в насыщение, или S оказывается довольно малой. Тем самым ускоряется процесс выключения ключа.
Недостаток: высокий уровень напряжения на выходе ниже, чем в насыщенных режимах, т.к. диод открывается раньше, чем открывался бы коллекторный переход.
и тогда 
, а поэтому 
и транзистор в насыщении.
Лекция 1.