Электронный ключ на биполярном транзисторе

Принципиальная схема электронного ключа на БТ с ОЭ показана на рис. 13.2, а.

В исходном состоянии при или БТ закрыт, т.е. работает в режиме отсечки. При использовании в качестве активного элемента кремниевых транзисторов, имеющих малое значение тока , и непосредственной связи ключа с источником сигнала дополнительный источник напряжения можно исключить.

а б

Рис. 13.2

Передаточная характеристика ключаможет быть рассчитана графоаналитическим методом с использованием известных семейств входных при и выходных при характеристик транзистора. Для этого принципиальную схему ключа приводят к эквивалентной, показанной на рис. 13.3, б, где

, (13.22 )

. (13.23 )

На семействе выходных ВАХ БТ, как показано на рис. 13.3, а, строится нагрузочная прямая, описываемая уравнением .

а б в

Рис. 13.3

1) В точках пересечения нагрузочной прямой с выходными

характеристиками, соответствующими токам базы , определяются значения напряжения коллектор — эмиттер, которое является выходным

2) По входной характеристике БТ при для тех же

значений тока базы находятся соответствующие напряжения база-эмиттер , как показано на рис. 13.3 б.

3) Входное напряжение рассчитывается согласно выражению

. ( 13.24)

4) По известным парам значений напряжения строится

передаточная характеристика, показанная на рис. 13.2, в.

На передаточной характеристике можно выделить три характерных участка, которые разграничены точками, соответствующими входному пороговому напряжению нуля и единицы .

1) При ключ закрыт (транзистор находится в режиме

отсечки), на выходе высокий (единичный) уровень напряжения:

. ( 13.25 )

Пороговое напряжение нуля — значение входного напряжения, при котором БТ переходит из режима отсечки в активный режим работы, и рассчитывается по формуле

, ( 13.26)

где — пороговое напряжение база-эмиттер БТ. Для кремниевых транзисторов можно принять .

2) При транзистор находится в активном режиме. При этом выходное напряжение линейно зависит от входного:

. (13.27)

Коэффициент передачи K определяется усилительными свойствами БТ:

, (13.28)

где — статический коэффициент передачи по току БТ с ОЭ; — входное сопротивление БТ с ОЭ.

3) При на выходе низкий (нулевой) уровень напряжения, который определяется напряжением коллектор-эмиттер насыщения:

. ( 13.29 )

Пороговое напряжение единицы соответствует входному напряжению, при котором БТ из активного режима работы входит в режим насыщения

. ( 13.30 )

При дальнейшем росте ток базы растет, однако коллекторный ток практически не изменяется. Степень насыщения БТ определяется коэффициентом насыщения, который рассчитывается по формуле

, ( 13.31 )

где — ток базы при максимальном значении входного напряжения. Если , то ключ насыщенный.

Для надежного насыщения БТ в ключе без подбора транзисторов необходимо при расчете ключа принимать значение коэффициента насыщения . Следует помнить, что чрезмерное увеличение S снижает быстродействие ключа.

Быстродействие транзисторного ключа (параметры быстродействия) зависят от параметров используемого транзистора, номинальных значений элементов схемы, сопротивления нагрузки и ее характера. Диаграммы напряжений и токов, действующих в транзисторном ключе, при подаче на вход прямоугольного импульса показаны на рис.13.4. На них указаны временные интервалы, определяющие количественно параметры быстродействия ключа.

1. На интервале времени происходит нарастание коллекторного тока и уменьшение выходного напряжения ключа. Коллекторный ток не может измениться мгновенно, что обусловлено тремя причинами: задержкой фронта импульса за счет перезаряда входной емкости транзистора, конечным временем пролета носителей через базу БТ и перезарядом барьерной емкости коллекторного перехода.

Задержка фронта обусловлена зарядом входной ёмкости закрытого транзистора (рис. 3.б), который начинается после того, как управляющее напряжение изменит свою величину от Е₁ до Е₂.

Процесс заряда описывается уравнением

U_б(t) = E₂(1 - e ^–^t^/^t^c) - E₁ e ^–^t^/^t^c

где t_с = С_вхR_б- постоянная времени заряда.

Обычно считают, что С_вх =С_э + С_к = 1…2пФ.

Когда напряжение U_б, нарастая, становится равным напряжению U_отп, отпирается эмиттерный переход транзистора, этап заряда заканчивается, и время задержки

t _з _ф = t_с ln [(E₂ + E₁) / (E₂ - U_отп)]

Например, если E₁= 0 и E₂ = 3 В, то t _{з ф} ≈ 0,25 t_с. При С_вх= 2 пФ и R_б = 2 кОм получается, что t_с = 4 нс, a t _{з ф} ≈ 1 нс.

Рис. 13.4

Поскольку время пролета носителей заряда в базе сказывается только на предельных частотах, практически можно оценить влияние времени перезаряда барьерной емкости коллекторного перехода, которое называется длительностью фронта импульса и приближенно рассчитывается по формуле

, (13.32 )

где — постоянная времени включения, определяется выражением

, (13.33 )

; . (13.34 )

Время включения ключа определяется суммой времени задержки фронта и длительности фронта импульса.

2. На промежутке времени при действии максимального

входного напряжения коллекторный ток транзистора и выходное напряжение ключа не изменяются, в базе происходит накопление неосновных носителей заряда.

3. В течение промежутка под действием отрицательного

входного напряжения происходит рассасывание накопленных в базе носителей. При этом транзистор все еще находится в режиме насыщения, коллекторный ток и выходное напряжение соответствуют этому режиму и не изменяются. Наблюдается обратный бросок тока базы . Данный промежуток называетсявременем задержки выключения и определяется следующим выражением:

, (13.35)

где — запирающий ток базы.

Если , то . При время задержки выключения определяется как

. (13.36)

После рассасывания неосновных носителей в базовой области ток коллектора уменьшается — транзистор закрывается. Интервал времени , в течение которого происходит уменьшение коллекторного тока, называется временем спада: