ПРОЦЕССЫ В КЛЮЧЕ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ

ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Одним из основных элементов импульсной и цифровой техники является ключевое устройство. Ключевые устройства (ключи) слу­жат для коммутации (переключения) цепей нагрузки под воздей­ствием внешних управляющих сигналов. Ключи входят в качестве отдельных элементов в состав сложных устройств — триггеров, мультивибраторов и т. д. Ключ может находиться либо в замкнутом, либо в разомкнутом состоянии. В замкнутом состоянии (ключ включен) сопротивление ключа мало, через него течет боль­шой ток и все напряжение источника выделяется на резисторе R. Напряжение на выходе и_вых равно нулю. В разомкнутом состоянии (ключ выключен) сопротивление ключа бесконечно большое, по­этому ток через него практически не протекает. Напряжение на выходе и_вых равно Е. Следовательно, при коммутации ключа на вы­ходе создаются перепады напряжения с амплитудой U_m=E.

В зависимости от вида элемента, применяемого для коммута­ции, ключевые устройства подразделяются на механические, электромеханические и электронные. Примером механического ключа является обычный выключатель. Электромагнитное реле выполня­ет функции электромеханического ключа, который под воздействи­ем электрического управляющего сигнала производит коммутацию контактов.

Для построения электронных ключей используют диоды, тран­зисторы, электронные лампы и т. д. В зависимости от того, какой прибор использован, различают диодные, транзисторные, лампо­вые и т. п. ключи.

При создании транзисторных ключей используются биполярные или полевые транзисторы.

ПРОЦЕССЫ В КЛЮЧЕ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Принцип работы ключа. В качестве основного примера рас­смотрим транзисторный ключ на кремниевом транзисторе типа п—р—п. Такие ключи являются одним из основных элементов ин­тегральных микросхем, они также могут быть реализованы и на дискретных элементах. Переход к транзисторам типа р—п—р сво­дится лишь к изменению полярности источников питания (в тех случаях, когда такой переход связан со схемными изменениями, они оговариваются дополнительно). Наибольшее распространение получил транзисторный ключ по схеме с общим эмиттером. Его принципиальная схема приведена на рис. 1. Транзисторный ключ может находиться в одном из двух состояний: ВЫКЛЮЧЕНО, ког­да транзистор закрыт и ключ ра­зомкнут, и ВКЛЮЧЕНО, в этом случае транзистор открыт и ключ замкнут.

Рис.1

Ключом управляют, подавая на его вход управляющее напряжение и_вх. Включенному состоянию соответствует низкий положительный уровень входного сигнала и_вх=U₀. Включенное состояние обеспечивается высоким по­ложительным уровнем входного сигнала и_вх =U₁.

Ключ удерживается в одном из состояний, пока на входе со­храняется соответствующий уровень сигнала. Резистор R ограни­чивает ток базы, Rk — коллекторная нагрузка, Ек — источник кол­лекторного напряжения.

Транзистор ключа описывается с помощью семейства входных и выходных характеристик, изображенных на рис.2.

Особенностью входных характеристик кремниевого транзисто­ра является наличие достаточно большого порога от­пирания Uп. При напряжении на базе, меньшем порога отпирания, транзистор всегда закрыт.

Для анализа работы ключа на семейство выходных характерис­тик наносят нагрузочную прямую, соответствующую определенно­му сопротивлению резистора Rк и пересекающую координатные оси в точках Ек и Ек/Rк. При изменении базового тока i_Б рабочая точка перемещается вдоль этой прямой, определяя в каждый мо­мент времени коллекторный ток , напряжение между кол­лектором и эмиттером и режим работы транзистора.

Рис.2.

Режимы транзистора. В соответствии с функциями ключа тран­зистор может находиться в одном из двух статических режимов: режиме отсечки (транзистор закрыт) и режиме насыщения (тран­зистор открыт и насыщен). Активный режим работы обусловлен переходом из одного статического режима в другой.

Режим отсечки (транзистор закрыт). На входе дей­ствует напряжение и_вх=U₀. В этом режиме ток коллектора равен обратному току коллекторного перехода. Напря­жение на выходе ключа практически равно напряжению источника питания и_вых=Ек (определяя и_вых, необходимо суммировать все напряжения, проходя по внешней цепи от коллектора к эмиттеру).

Рабочая точка находится в точке А на нагрузочной прямой (см. рис. 2).

Для обеспечения такого режима в кремниевых транзисторах необходимо выполнить условие:

Uп > и_вх=U₀ .

Напряжение и_Б, приложенное к базе транзистора, определяют, про­ходя от базы к эмиттеру по внешней цепи (см. рис. 1). Оно рав­но сумме двух составляющих: падения напряжения на сопротив­лении R от тока Iкбо ; остаточного напряжения источника вход­ного сигнала и_вх=U₀ , которое, как правило, снимается с другого аналогичного ключа и не равно нулю (см. ниже режим насыще­ния). Оба напряжения имеют одинаковую полярность и стремятся открыть эмиттерный переход.

Таким образом, и_вх=U₀ + R * Iкбо и условие отсечки для крем­ниевых транзисторов определяется неравенством:

Un > U₀ + R * Iкбо .

Это условие должно выполняться при максимальной температуре коллекторного перехода, когда напряжение Un минимально, а об­ратный ток коллектора максимален. Нужно иметь в виду, что ток Iкбо кремниевых транзисторов достаточно мал.

При выполнении условия отсечки оба перехода транзистора будут закрыты. Коллекторный переход (верхний по схеме) сме­щен в обратном направлении, так как напряжение на коллекторе равно +Ек. Учитывая это, часто считают, что в режиме отсечки все выводы транзистора разъединены.

Активный режим (транзистор открыт, но не на­сыщен). Напряжение на входе лежит в пределах Un < и_вх < U₁ . В этом режиме транзистор находится короткое время, равное вре­мени переключения из одного статического состояния в другое. Через электроды транзистора протекают прямые токи базы, коллектора и эмиттера. При изменении и_вх меняется ток базы и рабочая точка переме­щается по нагрузочной прямой от точки А к точке Б (см. рис. 2). Входной (базовый) и выходной (коллекторный) токи связаны между собой линейно с помощью статического коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Напряжение на выходе равно разности напряжений источника коллекторного питания и падения напряжения на Rк от тока коллектора, протекающего через коллекторный переход:

С увеличением тока базы увеличивается коллекторный ток. Это ведет к увеличению падения напряжения на резисторе Rk, а следовательно, и уменьшению напряжения на коллекторе и_к= и_вых. При некотором токе базы, называемом током базы в ре­жиме насыщения /_{Б нас}, рабочая точка попадает в точку Б (см. рис. 2), которой соответствует значение коллекторного тока /_{к нас}, называемое током коллектора в режиме насыщения, и транзистор переходит в режим насыщения.

­Режим насыщения (транзистор открыт и насы­щен). В режиме насыщения на входе действует напряжение и_вх = U₁, которое вызывает появление тока, втекающего в базу i_Б > / _{Б нас}. Этот ток соответствует границе между активным режи­мом и режимом насыщения (см. точку Б рис. 2). В этой точке тoк базы еще связан линейной зависимостью с током коллектора.

В режиме насыщения транзистор полностью открыт, т. е. оба перехода смещены в прямом направлении, и коллекторный ток ог­раничивается только резистором Rк. Пренебрегая падением на­пряжения на открытом транзисторе, можно записать:

i_к = / _{К нас} = Ек/Rк.

Выходное напряжение ключа и_вых = U₀, где U₀ — остаточное напряжение на кол­лекторе открытого транзистора.

Для количественной оценки глубины насыщения часто исполь­зуют понятие коэффициента насыщения S, который показывает, во сколько раз ток i_Б , втекающий в базу транзистора, превышает ток базы, при котором транзистор оказывается на границе насыщения.

Поскольку на границе насыщения напряжения между вывода­ми транзистора составляют доли вольта, а дифференциальные сопротивления значительно меньше внешних сопротивлений ключе­вого устройства, часто считают, что все выводы транзистора в этом режиме замкнуты между со­бой и транзистор представляет собой точку.

Динамический режим ключа. При анализе работы транзистор­ного ключа предполагалось, что переход его из состояния ВЫ­КЛЮЧЕНО в состояние ВКЛЮЧЕНО происходит мгновенно. В действительности, даже если подавать на вход ключа идеальный прямоугольный импульс или перепад, соответствующие изменения выходного напряжения будут происходить не мгновенно, а в ко­нечные промежутки времени, определяемые длительностью пере­ходных процессов.

Инерционные факторы, влияющие на работу ключа. Возникновение переходных процессов объясняется инер­ционными свойствами, которыми обладают как сам транзистор, так и внешние цепи, подключенные к нему. Инерционность таких цепей связана с наличием паразитных емкостей (монтажа, на­грузки и т. д.), которые при переключении ключа заряжаются и разряжаются за конечное время. Учтем эту емкость введением в схему ключа некоторой нагружающей емкости Сн (рис. 3).

Рис. 3-а.

Инерционность транзистора, обусловленная процессами накоп­ления и рекомбинации заряда в базе при коммутации ключа, на­зывается внутренней, а инерционность транзистора, вызванная на­личием барьерных емкостей переходов, называется внешней.

Рис. 3.

Рис. 3-б.

Внутренняя инерционность транзистора учитывается введением некоторой постоянной времени τ. С параметром τ связаны процес­сы накопления и рекомбинации заряда в базе, определяющие ме­ханизм действия транзистора. Вспомним физическую сущность параметра τ. В процессе работы транзистора под действием тока в базе накапливается заряд. Если базовый ток прекращается, то заряд, накопленный в базе, будет убывать по экспоненциальному закону благодаря рекомбинации зарядов. Время, в течение кото­рого число неосновных носителей в базе уменьшается в е раз (где е—основание натурального логарифма), обозначается постоянной времени τ. Постоянная времени τ определяет внутренние инер­ционные свойства транзистора в схеме с общим эмиттером и на­зывается временем жизни неосновных носителей в базе.

Время жизни неосновных носителей в базе может меняться в зависимости от режима работы и типа транзистора. Так, при рабо­те дрейфовых транзисторов в режиме насыщения постоянная вре­мени, обозначаемая Тнас, увеличится, Тнас=(2—6)*τ . Для бездрей­фовых транзисторов можно считать, что Тнас» τ .

Внутренняя инерционность — общее свойство транзистора — проявляется не только в ключевом, но и в усилительном режиме работы транзистора. В усилительном режиме наличие внутренних инерционных свойств приводит к тому, что динамический коэффи­циент передачи по току зависит от частоты (рис. 3-б). Так как на практике эту зависимость легко измерить, то па­раметр τ определяют, пользуясь этой зависимостью.

Время жизни носителей оказывается обратно пропорциональ­ным частоте, на которой коэффициент передачи равен 1.

Следует иметь в виду, что такую же зависимость коэффициентa передачи от частоты имеет не только транзистор, но и интегри­рующая цепь. Поэтому упрощенно можно полагать, что переходные процессы, возникающие вследствие внутренней инерционно­сти транзистора, описываются дифференциальным уравнением первого порядка с постоянной времени τ. В этом случае для рас­четов применимо общее соотношение, являющееся решени­ем дифференциального уравнения первого порядка с постоянной правой частью.

Барьерные емкости Сэ и Ск, являющиеся причиной внешней инерционности транзистора, нелинейны и зависят от приложенных к переходам напряжений. Усреднив их по всему диапазону, конденсаторы Сэ и Ск можно отнести к внешней схеме ключа, как посто­янные. Поэтому Сэ и Ск и называют внешними инерционными па­раметрами транзистора.

При работе транзистора в активном режиме возникает обрат­ная связь с коллектора на базу транзистора через емкость коллек­торного перехода Ск, что также является причиной внешней инер­ционности транзистора. Внешнюю инерционность из-за действия обратной связи через Ск учитывают, вводя постоянную времени τ_к Общая постоянная времени транзистора в схеме ключа для активного режима равна сумме постоянных времени, обусловлен­ных внутренними и внешними инерционными факторами транзис­тора.

Описание переходных процессов. Рассмотрим пере­ходные процессы, происходящие в ключе при подаче на его вход прямоугольного импульса. Вре­менные диаграммы, иллюстри­рующие изменение тока базы i_Б(t), заряда Q(t), тока коллек­тора I_К(t) и т. д. изображены на рис. 4.

Исходное состояние. В исход­ном состоянии транзистор нахо­дится в режиме отсечки, посколь­ку напряжение на входе и_вх = U₀ меньше порога отпирания. Рабо­чая точка на семействе выходных характеристик и на передаточной характеристике находится в точ­ке А (см. рис. 2).

Включение. В момент t=t₁ на вход ключа подается положи­тельный импульс, амплитуда ко­торого больше порогового значе­ния. Этот импульс вызывает появление в цепи базы перепада тока. Ток базы во время дей­ствия входного импульса можно считать практически неизменным, так как входное сопротивление транзистора обычно много меньше сопротивления R. Под воздей­ствием входного перепада тока транзистор переходит последо­вательно из области отсечки в активную область и далее в об­ласть насыщения.

Процесс включения транзисторного ключа обычно подразделя­ют на два этапа: задержка включения (или подготовка включе­ния) и формирование фронта выходного импульса.

Задержка включения. Интервал времени t₁-t₂ от момента по­дачи входного импульса до начала нарастания коллекторного то­ка, определяет время задержки включения t_З. Транзистор в это время находится в режиме отсечки.

Рис. 4.

Возникновение задержки при включении ключа объясняется за­рядом барьерных емкостей Сэ и Ск током базы. В процессе заряда напряжение на емкостях Сэ и Ск под действием входного импульса нарастает от значения U₀, стремясь к U₁. В тот момент, когда на­пряжение на базе достигает порогового значения Un, эмиттерный переход открывается и транзистор переходит из режима отсечки в активный режим.

Рабочая точка на нагрузочной прямой за время задержкинеменяет своего положения.

Заряд барьерных емкостей происходит в цепи первого порядка с постоянной времени τ_З=R*(Ск+Сэ). Практически время задержки весьма мало, поэтому им часто пренебрегают.

Формирование фронта происходит в интервале t₂ - t_{3 .} В мо­мент времени t₂ напряжение на базе становится равным порогово­му, транзистор открывается и переходит в активный режим. Начи­нается накопление заряда неосновных носителей, инжектированных в базу. По мере увеличения заряда увеличивается ток коллектора, который пропорционален Q(t), и уменьшается напряжение на коллектор­ном переходе. Скорость накопления заряда в базе определяет скорость нарастания коллекторного тока.

В момент t₃, когда заряд достигает граничного значения коллекторный переход смещается в прямом направлении и транзистор переходит в состояние насыщения. Рост коллекторного тока пре­кращается, поскольку он оказывается ограниченным параметрами внешней цепи:

/_К = /_{К нас} = Ек / Rк .

За время формирования фронта рабочая точка по нагрузочной прямой перемещается из точки А в точку Б (см. рис. 2). Интервал времени t₂ - t₃, в тече­ние которого коллекторный ток меняется от 0 до /кнас, называется длительностью фронта. Транзистор в это время находится в ак­тивном режиме.

Накопление избыточного заряда. После окончания формирова­ния фронта в момент времени t₃ транзистор переходит в режим насыщения. Коллекторный переход смещается в прямом направле­нии. Коллекторный ток практически постоянен и равен I_{К нас} . Од­нако заряд в базе продолжает нарастать, стремясь к стационарно­му значению, определяемому входным током.

Избыточный заряд возникает только в том случае, если ток ба­зы превышает значение I_Бнас. В режиме насыщения нарушается пропорциональность между током базы и током коллектора. Коллекторный ток уже не может следовать за базовым, так как он ограничен сопротивлением Rк. В против­ном случае закон изменения коллекторного тока повторял бы закон изменения заряда Q(t), вызываемое током базы. Необходимо отметить, что при переходе транзистора в режим насыщения изменяется время жизни неоснов­ных носителей в базе, которое для области насыщения обозначает­ся символом Тнас и называется постоянной времени транзистора в области насыщения. Постоянная времени Тнас определяет как про­цесс накопления, так и стационарный уровень заряда в базе. Ста­ционарного значения заряд достигает за время, не меньшее, чем 2,3 * Тнас после начала накопления. Если длительность входного им­пульса меньше этого значения, то заряд в базе к концу будет меньше Q ст.

В режиме насыщения рабочая точка на нагрузочной прямой ос­тается в точке Б.

Выключение. В момент времени t₄ действие входного отпираю­щего импульса заканчивается. Возникает обратный ток базы. Под воздействием процесса рекомбинации за­ряд неосновных носителей в базе уменьшается. Спустя некоторое время транзистор выходит из насыщения и переходит в активную область, а затем запирается.

Процесс выключения можно разделить на два этапа: рассасы­вание избыточного заряда и формирование спада импульса.

Рассасывание избыточного заряда. Происходит в течение интер­вала времени t₄ - t₅. Этот процесс является причиной возникнове­ния задержки при выключении ключа. Заряд неосновных носите­лей в базе мгновенно измениться не может, поэтому требуется время, чтобы он уменьшился от стационарного значения в режиме насыщения Q ст до граничного значения. В течение этого времени транзистор остается в режиме насыщения, ток коллектора посто­янен и равен /кнас, а

Uк = Uк нас = Uo.

Время, в течение кото­рого транзистор продолжает оставаться в режиме насыщения пос­ле окончания входного импульса, называется временем рассасы­вания.

К концу процесса рассасывания положение рабочей точки на нагрузочной прямой не меняется.

Формирование среза импульса. Начинается в момент времени t₅ , когда избыточный заряд уменьшается до нуля. Коллекторный переход смещается в обратном направлении, и транзистор из ре­жима насыщения переходит в активный режим. В течение интер­вала t₅ - t₆, называемого длительностью среза, заряд в базе продолжает убывать, уменьшаясь от Q гр до нуля, рабочая точка на нагрузочной прямой возвращается в точку А. Коллекторный ток в активном режиме пропорционален заряду и изменяется от Iкнас, стремясь по экспоненциальному закону к 0. В момент t₆ транзистор запирается и /к=0.

Далее в течение некоторого времени t₆ — t₇ происходит измене­ние заряда барьерных емкостей переходов Сэ и Ск. За время это­го процесса ток базы уменьшается до нуля, а на базе устанав­ливается исходное напряжение Uo.

ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СХЕМЫ КЛЮЧА НА ЕГО РАБОТУ

Значения элементов и напряжений в схеме транзисторного ключа влияют на длительности соответствующих процессов.

Изменение параметров коллекторной цепи Rк и Ек приводит к изменению тока Iк нас и влияет на длительности всех трех процес­сов. Например, уменьшение Ек до Е'к ведет к уменьшению /к нас до /'к нас. При включении ключа амплитуда коллек­торного тока будет нарастать до меньшего значения /'к нас в цепи с неизменной постоянной времени. Это приведет к уменьше­нию длительности фронта. При уменьшении

/к нас транзистор выходит на границу насыщения при меньшем токе базы, поэтому все дальнейшее увеличение тока базы вызывает накопление избы­точного заряда, что ведет к увеличению времени рассасыва­ния.

Спадать коллекторный ток начнет с меньшего значения, по­этому время среза уменьшится. Уменьшение /к нас из-за увеличе­ния Rk влияет на изменение времен двояко. С одной стороны, при уменьшении /к нас уменьшаются длительности фронта и среза и увеличивается время рассасывания. Но, с другой стороны, особенно при использовании дрейфо­вых транзисторов, увеличивается постоянная времени транзистора в активном режиме вследствие увеличения слагаемого, обу­словленного внешним инерционным фактором. Это уве­личение приводит к увеличению tc, поэтому изменением Rк можно изменять потребляемую мощность и пропор­ционально ей изменять быстродействие при условии, что длитель­ность рассасывания сравнительно мала.

Прямой ток включения базы /б можно увеличить, повысив напряжение Uвх. При этом длительность фронта уменьшается из-за увеличения ско­рости нарастания тока, а длительность рассасы­вания увеличивается вследствие накопления избыточного заряда. Длительность среза остается неизменной. При изменении сопротив­ления R, например уменьшении, происходит пропорциональное уве­личение тока базы, процесс включения протекает быстрее. Со­кращается и процесс выключения, поскольку ток /к спадает от /к нас до нуля с большей скоростью, стремясь к более низкому уровню. Время рассасывания увеличива­ется.

Рассмотренные примеры показывают, что изменение режимов работы транзистора, работающего по схеме ключа, не позволяет заметно повысить его быстродействие, поскольку при неизменной потребляемой мощности уменьшение длительности одних процес­сов сопровождается увеличением длительности других. Для повышения быстродействия используют более сложные схемы ключей.