Ключевой режим работы транзистора

Транзисторная импульсная и цифровая техника базируются на работе транзистора в качестве ключа. Замыкание и размыкание цепи нагрузки – главное назначение транзистора, работающего в ключевом режиме. По аналогии с механическим ключом, качество транзисторного ключа определяется остаточным напряжением на транзисторе в замкнутом (открытом) состоянии и остаточным током через транзистор в выключенном (закрытом) состоянии.

Кроме того, транзисторный ключ должен быть быстродействующим, обеспечивать усиление сигнала по напряжению и мощности, т. к. при передаче информации от элемента к элементу теряется энергия информационного сообщения, а также должен обеспечивать инверсию сигнала, т. к. функционально полный набор логических функций включает инверсию. Поэтому схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ), обеспечивающая инверсию входного сигнала, является наиболее предпочтительной.

На рис. 3.7, а приведена схема ключа на биполярном транзисторе с ОЭ, а на рис. 3.7, б – его выходные характеристики. Зависимость напряжения на коллекторе Uк от тока коллектора в соответствии со вторым законом Кирхгофа описывается следующим выражением:

(3.18)

Это выражение представляет собой уравнение прямой линии и называется нагрузочной прямой по постоянному току. Как известно, любая прямая строится по двум точкам: вначале полагают, что Uк = 0 и находят Iк: Iк = E/Rк. Затем полагают, что Iк= 0, и находят Uк = E. На выходных характеристиках транзистора (рис. 3.7, б) нагрузочная прямая обозначена точками а – б. При работе в ключевом режиме транзистор VT находится в двух крайних режимах: насыщенияи отсечкии выполняет роль ключа в последовательной цепи с резистором Rк и источником питания Е. В качестве входных сигналов обычно используются прямоугольные импульсы.

Рис. 3.7. Транзисторный ключ:

а– схема; б–выходные характеристики транзистора

Для перехода из линейного режима в режим насыщения необходимо увеличивать ток базы до тех пор, пока обратное напряжение на коллекторе не понизится до такого значения, при котором произойдет отпирание коллекторного перехода. Это происходит потому, что увеличение тока базы i_б приводит к увеличению тока коллектора i_к. В результате увеличивается падение напряжения на резисторе Rки уменьшится напряжение на участке коллектор – эмиттер транзистора U_кэ. Условием насыщения транзистора является равенство нулю напряжения :

(3.19)

При этом U_кэ = U_бэ, коллектор, как и эмиттер, инжектирует носители тока в базу. База «наводнена» носителями, отсюда и название режима – режим насыщения. Выполнение условия Uкб = 0 называют граничным режимом, так как он характеризует переход транзистора из линейного режима в режим насыщения. При глубоком насыщении Uкб > 0. В базе протекает избыточный ток. Глубину насыщения транзистора характеризуют коэффициентом насыщения, который определяют как отношение тока базы транзистора в насыщенном режиме к току в граничном режиме:

(3.20)

При глубоком насыщении транзистора в базе накапливается большое количество неосновных носителей, которые задерживают выключение транзистора по окончанию импульса, т. е. влияют на его быстродействие. Параметром для характеристики режима насыщения транзистора в справочнике приводится сопротивление насыщения , которое определяется наклоном выходной вольт-амперной характеристики транзистора в режиме насыщения:

. (3.21)

У маломощных транзисторов величина от 20 до 60 Ом [12].

При токах мА величина U_кэ._нне превышает 0,4 В. Поскольку в режиме насыщения напряжение U_кэ.ндостаточно малое, то в этом режиме транзистор выполняет роль замкнутого ключа, как показано на рис. 3,8 а.

Рис. 3.8. Представление логической переменной в виде ключа: