Транзисторные ключи

Транзисторный ключ является основным элементом устройств цифровой электроники и многих устройств силовой электроники. Параметры и характеристики транзисторного ключа в значительной степени определяют свойства схемы (электронного устройства), в которой он используется. Знание особенностей работы транзистора в ключевом режиме является обязательным условием при разработке импульсных силовых устройств и устройств цифровой электроники.

В цифровой и силовой электронике используются транзисторные ключи, назначение которых состоит в том, чтобы создать на выходе схемы напряжение, близкое к нулю (когда ключ открыт), либо близкое к напряжению питания (когда ключ закрыт, а ток, потребляемый нагрузкой, подсоединенной к ключу, достаточно мал). Такие транзисторные ключи получили название цифровых ключей.

В системах передачи информации широко применяются ключи, предназначенные для того, чтобы подсоединять (отсоединять) источник входного аналогового сигнала к приемнику (от приемника) этого сигнала. Такие ключи принято называть аналоговыми ключами или аналоговыми коммутаторами.

2.11.1 Цифровые ключи

Схема простейшего цифрового ключа на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, приведена на рисунке 2.52.

Рисунок 2.52 – Цифровой ключ на биполярном транзисторе

Проанализируем работу ключа. При отсутствии входного напряжения (u_вх = 0) транзистор находится в режиме покоя. Поскольку источник напряжения смещения эмиттерного перехода в схеме отсутствует, то этот переход заперт и транзистор находится в режиме отсечки. При этом и к эмиттерному переходу приложено напряжение . Поскольку обратный ток коллектора очень незначительный (I_КБО » 0), то даже при сопротивлении резистора R_б единицы – десятки килоом напряжения U_БЭ0 не достаточно для того, чтобы надежно открыть транзистор.

Для управления цифровым ключом обычно используют напряжение импульсной формы. На рисунке 2.53 в упрощенном виде показаны временные диаграммы напряжений на входе и выходе ключа. В запертом состоянии ключа (u_вх = 0) напряжение на его выходе равно При напряжении и_вх = U к эмиттерному переходу транзистора приложено напряжение , достаточное для отпирания транзистора и перевода его в режим насыщения. В открытом состоянии ключа на его выходе поддерживается напряжение . Напряжение насыщения у транзисторов разных типов различно и может принимать значение 0,08 ... 1 В.

Рисунок 2.53 – Временные диаграммы напряжений на входе

и выходе цифрового ключа

Как отмечалось ранее, цифровые ключи широко применяют в цифровой электронике. При этом высокому и низкому уровням напряжения и_КЭ ставятся в соответствие логические состояния 1 или 0.

Ток коллектора в режиме насыщения ключа максимален и зависит, в основном, только от напряжения источника питания и сопротивления резистора коллекторной нагрузки, то есть

, (2.107)

поскольку на практике U_КЭнас<< Е_п.

Чтобы в цепи коллектора транзистора цифрового ключа протекал ток насыщения I_Кнас, необходимо поддерживать в цепи его базы ток . Учитывая то, что даже в транзисторов одной серии имеет место существенный технологический разброс статического коэффициента передачи тока базы b_ст и, кроме этого, значение b_ст изменяется с изменением температуры транзистора, реальный базовый ток в открытом состоянии транзистора должен быть больше того минимального значения, которое необходимо для обеспечения режима насыщения транзистора, в несколько раз:

, (2.108)

где S = 1,5 ... 3 – коэффициент насыщения. С учетом этого сопротивление резистора R_б можно определить по формуле

, (2.109)

где и_БЭпор – напряжение отпирания транзистора, приложенное к эмиттерному переходу.

Поскольку цифровой ключ работает в импульсном режиме, важными его параметрами являются время включения и время выключения ключа. При переходе ключа из одного установившегося состояния (например, «выключен») в другое («включен») требуется некоторое время, равное длительности переходного процесса. На рисунке 2.54 показаны временные диаграммы, характеризующие изменения напряжений и токов в цифровом ключе во время переходных процессов.

Как показано выше, при работе транзистора в схеме транзисторного ключа он может находиться только в одном из двух режимов – режиме отсечки и режиме насыщения. Режим усиления в такой схеме является промежуточным. Для надежного запирания транзистора в выключенном состоянии ключа на его вход подают некоторое отрицательное напряжение и_вх = –U₂. При этом на эмиттерном переходе действует отрицательное напряжение и_БЭ = –U₂ + I_КБОR_б, транзистор заперт (находится в режиме отсечки) и на его коллекторе поддерживается максимально возможное напряжение и_КЭ = Е_п – I_КБОR_к.

Рисунок 2.54 – Переходные процессы при переключениях цифрового ключа

При подаче на вход ключа положительного напряжения и_вх = U₁ транзистор открывается. При этом уровень входного напряжения выбирается таким, чтобы обеспечить в открытом транзисторе режим насыщения.

Биполярный транзистор является инерционным прибором, поэтому переход транзисторного ключа из выключенного состояния во включенное и наоборот происходит не мгновенно. Положительное входное напряжение обеспечивает в цепи базы ток

, (2.110)

который отпирает транзистор и переводит его из режима отсечки в активный режим. Коллекторный ток транзистора начинает возрастать, стремясь к уровню I_К = b_стI_Бнас с постоянной времени t_э. Постоянная времени транзистора в схеме с общим эмиттером равна

, (2.111)

где – постоянная времени коэффициента передачи тока базы;

– постоянная времени коэффициента передачи тока эмиттера;

f_a – граничная частота транзистора в схеме с общей базой (частота, на которой a = 0,707a_ст, где a_ст – статический коэффициент передачи тока эмиттера на постоянном токе);

С_К – емкость коллекторного перехода;

R_к – сопротивление коллекторной нагрузки транзистора.

Инерционность транзистора вызвана конечным временем диффузии неосновных носителей через базу и наличием емкостей коллекторного С_К и эмиттерного С_Э переходов. Ток коллектора нарастает по экспоненциальному закону. При достижении значения дальнейшее увеличение тока коллектора прекращается, транзистор из активного режима переходит в режим насыщения.

Одновременно с ростом коллекторного тока происходит уменьшение напряжения и_КЭ от максимально возможного значения в режиме отсечки транзистора и_КЭмакс = = Е_п – I_КБОR_к до минимально возможного – в режиме насыщения и_КЭмин = U_КЭнас. Интервал времени, в течение которого напряжение на выходе ключа изменяется от максимального до минимального уровня, называется временем включения транзисторного ключа. Время включения ключа можно определить из примерного равенства

, (2.112)

из которого видно, что длительность переходного процесса при включении ключа на биполярном транзисторе зависит от быстродействия используемого транзистора и коэффициента насыщения S. В частности, чем больше ток базы, тем меньше время включения ключа.

После перехода транзистора в режим насыщения происходит отпирание коллекторного перехода транзистора, который в активном режиме был смещен в обратном направлении. В результате этого в базе насыщенного транзистора начинается процесс накопления заряда, который длится некоторое время. После перехода транзистора в режим насыщения несколько уменьшится напряжение на эмиттерном переходе и_БЭ (на рисунке 2.54 не показано).

После изменения входного напряжения от U₁ до –U₂ транзистор запирается не мгновенно. В силу значительного накопления избыточного заряда неосновных носителей в базе транзистора, последний первое время после изменения входного напряжения остается насыщенным и, следовательно, проводящим ток в выходной цепи. Запирающий базовый ток, вызванный обратным входным напряжением, начинает рассасывание избыточного заряда в базе транзистора. Степень насыщения транзистора постепенно уменьшается, следствием чего является уменьшение тока коллектора и, соответственно, увеличение напряжения и_КЭ. Время рассасывания t_р тем меньше, чем больший запирающий ток базы создает отрицательное входное напряжение и чем меньше степень насыщения транзистора во включенном состоянии.

Таким образом, требования к выбору степени насыщения транзистора (коэффициента насыщения S) достаточно противоречивы: для уменьшения времени включения S желательно увеличивать, а для уменьшения времени рассасывания t_р и, следовательно, времени выключения ключа

, (2.113)

где t_с – длительность среза выходного импульса напряжения, коэффициент насыщения S необходимо уменьшать.

После завершения процесса рассасывания заряда в базе, транзистор переходит из режима насыщения в активный режим. Начинается формирование среза выходного импульса напряжения. Этот процесс сопровождается уменьшением коллекторного тока до его уровня при отсечке, а также зарядкой емкости коллекторного перехода С_К от источника питания через резистор R_к. Процесс уменьшения коллекторного тока от I_Кнас до I_КБО происходит достаточно быстро, особенно при большом запирающем токе базы. Длительность этого процесса составляет лишь небольшую долю от длительности среза выходного импульса напряжения. Длительность же среза t_с определяется процессом зарядки емкости С_К, который продолжается даже после отсечки коллекторного тока. Постоянная времени цепи зарядки с учетом емкости нагрузки ключа равна , где С_н – емкость нагрузки. С учетом этого длительность среза выходного импульса напряжения может быть определена из выражения

. (2.114)

Из (2.114) следует, что уменьшение длительности среза выходного импульса напряжения может быть достигнуто, в первую очередь, применением более высокочастотного транзистора (с меньшей емкостью С_К), а также уменьшением сопротивления резистора R_к, минимальное значение которого, в свою очередь, ограничивается максимально допустимым током коллектора используемого транзистора.

Таким образом, в отличие от входного управляющего напряжения, выходное напряжение ключевого каскада имеет конечные длительности фронта и среза, соответствующие значениям t_вкл и t_выкл. Моменты переключения выходного напряжения не совпадают с моментами переключения входного. Выходное напряжение противофазно входному (свойство каскада с ОЭ).

В современной электронике применяют различные методы ускорения переходных процессов при переключении транзисторного ключа. На рисунке 2.55 показаны в качестве примера две схемы, в которых обеспечивается уменьшение времени включения и выключения ключа.

а б

Рисунок 2.55 – Транзисторные ключи с уменьшенным временем переключения

На рисунке 2.55, а показана схема транзисторного ключа, в которой параллельно базовому резистору включен форсирующий конденсатор. Метод форсирующего конденсатора основан на свойстве конденсатора сохранять неизменным напряжение, до которого он заряжен, в течение некоторого времени после коммутации.

При подаче на вход ключа положительного перепада управляющего напряжения в первый момент времени реактивное сопротивление конденсатора равно нулю, конденсатор блокирует резистор R_б и ток во входной цепи транзистора достигает максимального значения, определяемого выражением

. (2.115)

По мере зарядки конденсатора С_ф ток в цепи базы уменьшается и в конце входного импульса достигает значения

. (2.116)

Таким образом, добавление в схему форсирующего конденсатора С_ф обеспечивает увеличение коэффициента насыщения и, следовательно, уменьшение времени включения ключа.

Непосредственно перед выключением ключа ток в цепи базы мал и степень насыщения транзистора невелика. После изменения полярности управляющего сигнала напряжение на конденсаторе, равное U₁ – U_БЭнас, складывается с отрицательным управляющим напряжением, увеличивая тем самым запирающий ток базы. Следовательно, время выключения ключа также уменьшается.

Схема транзисторного ключа с форсирующим конденсатором легко реализуема на дискретных элементах. Но при производстве ключа в интегральном исполнении технологически проще реализовать схему с диодом Шотки (рисунок 2.55, б). Такую схему называют ключевым каскадом с цепью нелинейной отрицательной обратной связи (или ненасыщенным ключом). Особенностью диода Шотки является малый порог срабатывания (около 0,25 В) и высокое быстродействие (время восстановления не более 0,1 нс), благодаря чему ООС срабатывает раньше, чем транзистор ключа войдет в насыщение.

До тех пор, пока режим работы транзистора не приближается к режиму насыщения, диод VD остается закрытым и весь ток источника входного сигнала поступает в базу транзистора, вызывая его быстрое отпирание. На границе активного режима и режима насыщения напряжение и_КБ оказывается близким к нулю и диод открывается. После этого часть тока источника входного сигнала ответвляется в цепь диода, ток базы уменьшается, и транзистор не входит в режим насыщения. Таким образом, за счет использования нелинейной ООС по напряжению в схеме, приведенной на рисунке 2.55, б, предотвращается накопление избыточного заряда в базе.

Наряду с достоинствами, состоящими в уменьшении времени включения и выключения, ненасыщенный ключ обладает следующими недостатками:

- повышенное напряжение на открытом ключе;

- пониженная помехоустойчивость;

- пониженная температурная стабильность.

2.11.2 Аналоговые ключи

Рассмотрим особенности схем аналоговых ключей на транзисторах. На рисунке 2.56, а приведена схема простейшего аналогового ключа на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, а на рисунке 2.56, б – выходные характеристики транзистора для прямого и инверсного включения в области, близкой к началу координат.

а б

Рисунок 2.56 – Схема аналогового ключа (а) и выходные

характеристики транзистора (б)

Через и_вх на рисунке 2.56, а обозначено входное напряжение, которое при наличии разрешающего управляющего сигнала и_упр (напряжение положительной полярности) подается на нагрузку R_н. При этом напряжение и_вх может быть как положительным, так и отрицательным. Если и_вх > 0, то рассматриваемый аналоговый ключ работает так же, как описанная ранее схема цифрового ключа с постоянным напряжением питания. Если и_вх < 0, то транзистор работает в инверсном режиме.

Одним из недостатков биполярного транзистора с точки зрения применения его в аналоговых ключах является то, что выходные характеристики не проходят через начало координат. Вследствие этого ток коллектора транзистора i_K и напряжение на нагрузке и_вых будут равны нулю не тогда, когда и_вх = 0, а при некотором положительном входном напряжении U, которое обычно составляет 10 ... 100 мВ. Это напряжение называют остаточным или напряжением смещения.

На практике для уменьшения величины U транзистор включают так, чтобы роль эмиттера играл коллектор, а роль коллектора – эмиттер. На рисунке 2.57 изображена схема ключа для такого включения транзистора, которую иногда называют схемой с общим эмиттером при инверсном включении транзистора, и соответствующие этому включению выходные характеристики транзистора.

а б

Рисунок 2.57 – Схема ключа с инверсным включением транзистора (а)

и выходные характеристики транзистора (б)

Из-за несимметрии структуры транзистора, различия в концентрациях примесей в различных его областях остаточное напряжение для инверсного включения U_инв обычно значительно меньше напряжения U. На практике U_инв может составлять 1 ... 5 мВ. Но, используя инверсное включение, следует помнить, что максимально допустимое запирающее напряжение эмиттерного перехода обычно значительно меньше соответствующего напряжения для коллекторного перехода.

В практической электронике широко применяют цифровые и аналоговые ключи, выполненные на полевых транзисторах. Рассмотрим в качестве примера простейшую схему аналогового ключа на МДП-транзисторе с каналом р-типа (рисунок 2.58).

Рисунок 2.58 – Аналоговый ключ на полевом транзисторе

Подложка транзистора подключена к положительному полюсу источника питания, то есть к точке с наибольшим потенциалом, для того чтобы р-п-переходы между подложкой и истоком, подложкой и стоком не открывались. При подаче отрицательного напряжения и_упр ключ открыт и в нагрузку передается напряжение и_вх. При этом входное напряжение может быть как положительным, так и отрицательным.

Вопросы для самоконтроля

2.12.1 Что называется электронным усилителем?

2.12.2 Перечислить основные параметры усилителя. Дать им определение.

2.12.3 Записать выражение для комплексного коэффициента усиления напряжения.

2.12.4 Что называется амплитудно-частотной характеристикой усилителя? Привести график типовой АЧХ усилителя переменного тока.

2.12.5 Что называется фазочастотной характеристикой усилителя? Привести график типовой ФЧХ усилителя.

2.12.6 Что называется амплитудной характеристикой усилителя?

2.12.7 Что называется обратной связью, цепью обратной связи?

2.12.8 Привести классификацию видов ОС?

2.12.9 Как влияют различные виды ООС на параметры и характеристики усилителя?

2.12.10 Какой режим работы транзистора называется статическим, динамическим?

2.12.11 Что называется рабочей точкой, исходной рабочей точкой на ВАХ активного элемента?

2.12.12 Что называется нагрузочной прямой? Как построить нагрузочную прямую постоянного тока, переменного тока?

2.12.13 Пояснить сущность режимов работы транзистора класса А, В, АБ.

2.12.14 Как выбирают положение исходной рабочей точки при работе транзистора в режиме класса А?

2.12.15 Как влияет положение исходной рабочей точки на нелинейные искажения сигнала?

2.12.16 Как влияет амплитуда входного сигнала на нелинейные искажения сигнала на выходе усилителя?

2.12.17 Как влияют емкости разделительных и блокировочных конденсаторов на полосу пропускания усилителя?

2.12.18 Привести схему, пояснить достоинства и недостатки, назвать основные параметры каскада с ОЭ.

2.12.19 Привести схему, пояснить достоинства и недостатки, назвать основные параметры каскада с ОБ.

2.12.20 Привести схему, пояснить достоинства и недостатки, назвать основные параметры каскада с ОК.

2.12.21 Привести схему, пояснить достоинства и недостатки, назвать основные параметры дифференциального усилительного каскада.

2.12.22 Привести схему и пояснить особенности функционирования двухтактного оконечного каскада.

2.12.23 Пояснить особенности построения усилителей постоянного тока.

2.12.24 Пояснить назначение и особенности схемотехники источников эталонного напряжения и тока.

2.12.25 Пояснить особенности построения цифровых и аналоговых ключей на биполярных транзисторах.