Ключевой режим работы биполярных транзисторов

Транзисторная импульсная и цифровая техника базируется на работе транзистора в качестве ключа. Замыкание и размыкание цепи нагрузки — главное назначение транзистора, работающего в ключевом режиме. По аналогии с механическим ключом (реле, контактором), качество транзисторного ключа определяется в первую очередь падением напряжения (остаточным напряжением) на транзисторе в замкнутом (открытом) состоянии, а также остаточным током транзистора в выключенном (закрытом) состоянии.

Важность рассмотрения свойств транзисторного ключа для уяснения последующего материала вытекает из того, что путем изменения состояний транзистора в последовательной цепи с резистором и источником питания осуществляются, по сути дела, формирование сигналов импульсной формы, а также различные преобразования импульсных сигналов в схемах и узлах импульсной техники. Транзистор применяют также в качестве бесконтактного ключа в цепях постоянного и переменного токов для регулирования мощности, подводимой к нагрузке.

Основой всех узлов и схем импульсной и цифровой техники является так называемая ключевая схема — каскад на транзисторе, работающем в ключевом режиме. Построение ключевой схемы подобно усилительному каскаду. Транзистор в ключевой схеме может включаться с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. Наибольшее распространение получила схема ОЭ. Этот вид включения биполярного транзистора и используется далее при рассмотрении ключевого режима его работы.

Рисунок 1.3 - Ключевая схема на транзисторе (а), графическое определение режимов открытого и закрытого состояний транзистора (б)

Ключевая схема на транзисторе типа р-п-р показана на рисунке 1.3,а. Транзистор Т выполняет функцию ключа в последовательной цепи с резистором R_K и источником питания.

Для удобства рассмотрения процессов в схеме в режимах открытого и закрытого состояний транзистора воспользуемся графоаналитическим методом, основанным на построении линии нагрузки а - б по постоянному току (рисунок 1.3, б). Линия нагрузки описывается соотношением U_кэ = -(Е_к- I_кR_к) и проводится так же, как для усилительного каскада. Точки пересечения линии нагрузки с вольт-амперными характеристиками транзистора определяют напряжения на элементах и ток в последовательной цепи.

Режим запирания (режим отсечки) транзистора осуществляется подачей на его вход напряжения положительной полярности (U_вх > 0), указанной на рисунке 1.3,а без скобок. Под действием входного напряжения эмиттерный переход транзистора запирается (U_бэ> 0) и его ток I_э = 0. Вместе с тем через резистор R_б протекает обратный (тепловой) ток коллекторного перехода I_к0. Режиму закрытого состояния транзистора соответствует точка М_з (рисунок 1.3, б).

Протекание через нагрузку теплового тока I_к0 связано с тем, что транзистор в закрытом состоянии не обеспечивает полного отключения нагрузочного резистора R_к от источника питания. Малое значение I_к0 является одним из критериев выбора транзистора для ключевого режима работы.

Величину запирающего входного напряжения U_вх.зan выбирают из расчета того, чтобы при протекающем через резистор R_б тепловом токе было обеспечено выполнение условия

.

(1.1)

Напряжение U_6э для германиевых транзисторов составляет 0,5 — 2 В.

Режим открытого состояния транзистора достигается изменением полярности входного напряжения (U_вх< 0) и заданием соответствующего тока базы. Открытое состояние транзистора характеризует точка М_о на линии нагрузки.

Определим необходимые условия для создания открытого состояния транзистора. С этой целью предположим, что при U_вх< 0 ток базы I_б увеличивается постепенно.

Увеличению тока базы будет соответствовать увеличение тока коллектора и перемещение рабочей точки из положения М_з вверх по линии нагрузки. Напряжение U_кэ транзистора при этом постепенно уменьшается.

До некоторого граничного значения тока базы (I_б.гр) сохраняется известная пропорциональная зависимость между I_к и I_б:

,

(1.2)

где β_ст — статический (усредненный) коэффициент передачи тока транзистора в схеме ОЭ (а не дифференциальный коэффициент β, действительный для малого входного сигнала). Точка М_о при токе базы I_б.гр характеризует «полное» открытие транзистора. Через транзистор и резистор R_к протекает ток

,

(1.3)

где U_{кэ.откр} — падение напряжения (остаточное напряжение) на транзисторе в открытом состоянии.

Остаточное напряжение U_{кэ.откр}, являющееся существенным параметром транзистора в импульсном режиме работы, должно быть минимальным. В зависимости от типа прибора напряжение U_{кэ.откр} лежит в пределах 0,05—1 В. Ввиду относительно малого остаточного напряжения по сравнению с Е_к расчет тока I_к открытого транзистора проводится по формуле

(1.4)

С учетом формулы (1.2) находят граничное значение тока базы I_б.гр открытого транзистора, при котором наблюдается пропорциональная зависимость тока коллектора от тока базы:

.

(1.5)

Таким образом, точка М_о на рисунке 1.3,б представляет собой точку пересечения линии нагрузки с начальным участком коллекторной характеристики транзистора при I_б = I_б.гр.

При дальнейшем увеличении тока базы (I_б>I_б.гр) остаточное напряжение U_{кэ.откр} остается почти неизменным, так как все коллекторные характеристики транзистора при I_б>I_б.гр практически проходят через точку М_о на рисунке 1.3,б. Режим работы открытого транзистора при I_б>I_б.гр называют насыщенным, а отношение s=I_б/I_б.гр - коэффициентом насыщения транзистора.

Режим насыщения широко используют для обеспечения открытого состояния транзистора. Его открытое состояние при этом становится более устойчивым к воздействию помех во входной цепи, а положение точки М_о не зависит от изменения коэффициента передачи тока β_ст транзистора, в частности, с понижением температуры. В режиме насыщения ток базы транзистора

(1.6)

где коэффициент s для надежного насыщения транзистора в требуемом температурном диапазоне может составлять 1,5—3. Найденный ток базы обеспечивается параметрами входной цепи ключевой схемы:

.

(1.7)

Рассмотрим процессы, протекающие в ключевой схеме при наличии на ее входе управляющего импульса напряжения (рисунок 1.4,а). Это необходимо для выяснения свойств схемы при передаче импульсных сигналов. Примем входной импульс напряжения идеальной прямоугольной формы (длительности переднего и заднего фронтов импульса равны нулю).

а - входной импульс напряжения; б - ток базы; в - ток коллектора;

г - напряжение на коллекторе

Рисунок 1.4 - Диаграммы напряжений и токов ключевой схемы

На интервале t₀ — t₁, когда входной импульс напряжения отсутствует, транзистор заперт напряжением U_вх.зап положительной полярности. Токи I_б, I_к. определяются тепловым током транзистора I_к0 (рисунок 1.4,б,в). Напряжение на транзисторе U_кэ = - (Е_к - I_к0R_к) (рисунок 1.4, г).

С момента времени t₁ (рисунок 1.4, а) процессы в схеме обусловливаются отпиранием транзистора входным импульсом напряжения отрицательной полярности U_вх.отп. Это сопровождается изменением тока i_к и напряжения u_кэ транзистора (рисунок 1.4, в, г). Как видно из диаграмм, характер изменения i_к и u_кэ при отпирании транзистора отличается от вызвавшего их скачкообразного изменения входного напряжения. Отличие обусловлено инерционностью транзистора и проявляется в постепенных нарастании тока i_к и уменьшении напряжения u_кэ. В первом приближении можно принять, что изменения i_к(t) и u_кэ (t) происходят по экспоненте. Тогда инерционность транзистора может быть учтена эквивалентной постоянной времени τ_в=τ_β+τ_к в предположении τ_к = _к(э) R_к, где _к(э) —интегральная (для большого сигнала) емкость коллекторного перехода транзистора в схеме ОЭ.

Если принять, что ток базы в интервале отпирания имеет прямоугольную форму с амплитудой I_б.отп ≈ U_вх.отп/R_б> I_б.гр (рисунок 1.4,б), то вызванный им ток i_к(t) будет изменяться по закону

.

(1.8)

Коллекторный ток возрастает по экспоненциальному закону, стремясь к β_стI_б.отп > E_к/R_к (см. рисунок 1.4,в). Однако, достигнув предельного значения I_к≈ E_к/R_к, ток i_к в дальнейшем не изменяется и формирование фронта импульса i_к заканчивается.

Положив в формуле (1.8) i_к = I_к, находим длительность фронта нарастания коллекторного тока транзистора:

.	(1.9)
С учетом того, что имеем
.	(1.10)

Из соотношения (1.10), следует, что длительность фронта импульса сокращается с увеличением коэффициента насыщения транзистора. Это объясняется тем, что большему коэффициенту s соответствует больший отпирающий базовый ток, вследствие чего ток коллектора достигает установившегося значения за меньший интервал времени. Так, например, при τ_в = 5 мкс и s = 3 получаем t_ф = 2,03 мкс.

При s = 1 (транзистор при отпирании работает в активном режиме) соотношение (1.10) не может быть использовано для определения t_ф. В этом случае уместно говорить об активной длительности фронта, определяемой относительно уровней 0,1 и 0,9 установившегося значения коллекторного тока (1.8): t_ф = τ_в ln 0,9/0,1 = 2,2 τ_в.

Характер изменения. u_кэ(t) при отпирании транзистора (рисунок 1.4,г) подчиняется зависимости u_кэ(t) = -Ек + i_к(t)R_к. В момент времени t₃ действие входного отпирающего импульса напряжения заканчивается. К базе транзистора прикладывается запирающее напряжение U_вх.зап (рисунок 1.4,а).

С приложением запирающего напряжения ток коллектора и напряжение u_кэ в течение некоторого интервала времени остаются неизменными, а транзистор по-прежнему открыт. Создается задержка в запирании транзистора. Это объясняется тем, что до момента времени t₃ транзистор находился в режиме насыщения и при поступлении запирающего сигнала ток коллектора еще поддерживается уходящими .из базы в коллектор избыточными носителями заряда (дырками). Только после ухода (рассасывания) избыточных носителей и перехода транзистора в активный режим ток коллектора начинает уменьшаться, а напряжение на коллекторе — возрастать (рисунок 1.4,в,г). Помимо ухода избыточных носителей заряда по цепи коллектора их рассасывание осуществляется и по цепи базы за счет протекания обратного тока I_б.обр, вызванного запирающим напряжением. Обратный (инверсный) ток базы при этом ограничивается сопротивлением R_б входной цепи: I_б.обр ≈ U_вх.зап/R_б.

Время, в течение которого происходит рассасывание избыточного заряда в базе, называется временем рассасывания t_р (рисунок 1.4,в). Это время пропорционально коэффициенту насыщения s. Следующий затем интервал спадания тока i_к определяет время заднего фронта (среза) t_с коллекторного тока.

При определении t_p и t_c необходимо решать уравнение, описывающее изменение заряда в базе. Ввиду пропорциональности заряда в базе току коллектора (базы) процесс, протекающий в транзисторе после момента времени t₃, выражается через токи транзистора в следующем виде:

(1.11)

где τ_β’— эквивалентная постоянная времени, примерно равная времени жизни неосновных носителей заряда в базе в режиме насыщения, но меньше постоянной времени τ_β, действительной для активного режима (τ_β’ ≈ τ_β /2).

Выражение (1.11) является уравнением экспоненциальной кривой, показанной в интервале t₃ — t₄ пунктиром (рисунок 1.4,в).

Положив в выражении (4.11) i_к = I_к ≈E_к/R_к = β_стI_б.гр, находим

.	(1.12)
При и
.	(1.13)

После выхода транзистора из насыщения ток i_к(t) уменьшается от значения I_к, также стремясь к —β_стI_б.гр (рисунок 1.4,в), т. е.

.

(1.14)

Положив в формуле (1.14) i_к = 0, получаем

.

(1.15)

Длительности t_ф, t_p, t_c характеризуют быстродействие транзисторного ключа. Как следует из выражений (1.9), (1.12), (1.15), они зависят от частотных свойств используемого транзистора и параметров импульса базового тока. Порядок их величин составляет от долей единицы до единиц микросекунды.

В настоящее время широко используется (особенно в интегральных микросхемах) ключевой режим работы кремниевых транзисторов типа п-р-п.

По построению и характеру работы ключевая схема на транзисторе типа п-р-п аналогична схеме рисунка 1.3,а. Отличие заключается в противоположных полярностях напряжения питания Е_к и отпирающего напряжения U_вх.отп, а также в противоположных направлениях токов базы, эмиттера, коллектора.

Кремниевые транзисторы, в частности типа п-р-п, имеют довольно малый тепловой ток I_к0. Влияние тока I_к0 в выходной и входной цепях закрытого транзистора пренебрежимо мало. По этой причине запирание этих транзисторов осуществимо при U_вх.зап = U_бэ = 0. Эта особенность кремниевых транзисторов дает важное практическое преимущество — возможность исключить дополнительные источники запирающего напряжения в базовых цепях, необходимые для германиевых транзисторов.