А – ключ замкнут; б – ключ разомкнут

Режим отсечкиявляется другим ключевым режимом транзистора. Перевести транзистор в режим отсечки можно приложением между базой и эмиттером обратного напряжения. Граничным режимом в этом случае является выполнение условия U_бэ = 0. На вольт-амперных характеристиках транзистора (рис. 3.7, б) режиму отсечки соответствует область характеристик ниже почти горизонтальной линии при I_б = 0. При этом в цепи коллектор – эмиттер транзистора (и через R_К) протекает «сквозной» ток Iк0э:

I_к0э = I_ко(β + 1). (3.22)

Для характеристики транзистора в режиме отсечки в справочниках приводится значение обратного неуправляемого тока коллектора Iко. У современных маломощных кремниевых транзисторов величина этого тока мала, порядка 0,1 1 мкА. Даже при использовании транзисторов с высоким коэффициентом β, остаточный ток через транзистор Iко.э не превышает десятых и даже сотых долей миллиампера. Поэтому в режиме отсечки транзистор можно заменить разомкнутым ключом, как показано на рис. 3.8, б. Таким образом, два ключевых режима транзистора – режимы насыщения и отсечки– позволяют использовать транзистор как замкнутый и разомкнутый ключ.

Процесс переключения биполярного ключа.При использовании транзистора в качестве ключа представляет интерес изучение процесса переключения, определяющего его быстродействие. Переходные процессы при отпирании и запирании ключа можно разделить на 5 этапов. Они показаны на рис. 3.9: время задержки переключения t_З, формирования фронта t_ф, время накопления избыточных носителей в базе, время рассасывания избыточного заряда t_р и время спада выходного тока t_А.

Отпирание транзистора сопровождается изменением тока i_К и напряжения U_КЭ. Как видно из диаграмм, характер изменения тока i_К и напряжения U_КЭ при отпирании транзистора отличается от вызвавшего их скачкообразного изменения входного напряжения. При подаче на вход ключа отрицательного импульса с амплитудой, достаточной для перевода транзистора в насыщенный режим, увеличение тока I_K (отпирание транзистора) начинается не сразу, а с некоторой задержкой – t_ЗД.

Рис. 3.9. Импульсный режим работы транзистора

t_ЗД – время задержки включения обусловлено, во первых, необходимостью заряда входной паразитной емкости ключа С_ВХ (см. рис. 3.7, а) до напряжения, при котором транзистор начинает открываться. Второй причиной является конечное время диффузии носителей через область базы со сравнительно небольшой скоростью (порядка сотен метров в секунду).

t_Ф – время формирования фронта (при нарастании выходного импульса то 0,1 до 0,9 величины амплитуды) обусловлено временем заряда выходной паразитной емкости ключа С₀, включенной параллельно нагрузке (см. пунктир на рис. 3.7, а)

(3.23)

где – емкость коллекторного перехода,

– емкость нагрузки. Время фронта определяется следующим соотношением:

, (3.24)

где S – степень насыщения транзистора,

Из приведенного соотношения видно, что t_ф уменьшается при увеличении степени насыщения, однако это уменьшение незначительное.

Накопление избыточных зарядов в базе. После того, как напря-жение на коллекторе достигнет напряжения насыщения U_КЭ.Н процесс насыщения не заканчивается, т. к. I_Б > I_Б.Н , то идет процесс накопления избыточного заряда в базе. Установившееся значение заряда:

(3.25)

где постоянная времени насыщения избыточных носителей.

Поскольку процесс насыщения происходит по экспоненциальному закону, то можно считать, что он завершится за время примерно равное 3 Это время на рис. 3.9 не обозначено. Если транзистор начать закрывать раньше, чем заряд успеет полностью накопиться, то закрытие произойдет быстрее.

t_Р − время рассасывания избыточного заряда.Вмомент окончания отпирающего импульса направление тока базы изменяется на противоположное: ток базы становится вытекающим. Начинается процесс рассасывания избыточных носителей с постоянной времени τ_Р = (2…4)τ_β. Время рассасывания tp существенно превышает остальные временные интервалы. В течение этого времени происходит запирание предварительно насыщенного транзистора. Если уменьшить степень насыщения, то время рассасывания существенно уменьшится. Поэтому, если требуется получить быстродействующую схему ключа, используют различные способы предотвращения глубокого насыщения транзистора. Электронные ключи, работающие по этому принципу, называют ненасыщенными, а цифровые логические схемы называют ненасыщенной логикой.

t_А – время формирования спада тока коллектора.Здесь транзистор работает в нормальном усилительном режиме. Процесс формирования спада коллекторного тока значительно сложнее процесса формирования фронта и во многом определяется высокочастотными свойствами транзистора ( ) и процессом перезаряда выходной паразитной емкости.