Описание слайда:
Биполярные транзисторы широко используются в цифровой технике в качестве электронных ключей. В этих устройствах используются сигналы в виде почти прямоугольных (трапецеидальных) импульсов большой амплитуды. В общем случае для описания работы транзистора в импульсном (ключевом) режиме необходимо использовать нелинейные динамические модели транзистора (например, динамические компьютерные модели Эберса - Молла). Однако в большинстве случаев ограничиваются расчетом амплитуды и длительности фронтов импульсных сигналов.
Рассмотрим схему транзисторного ключа на биполярном транзисторе (рис. 3.47). В цепь базы транзистора включен источник импульсных сигналов - генератор прямоугольных импульсов uГ с внутренним сопротивлением RГ. В цепи коллектора включена нагрузка RК и поэтому напряжение на коллекторе uКЭ = EК - iКRК. Ограничим рассмотрение работы схемы случаем включения в цепь базы генератора тока, то есть будем предполагать, что внутреннее сопротивление генератора RГ значительно больше входного сопротивления открытого транзистора и, следовательно , . При анализе схеме учтены также влияние емкостей CЭ - эмиттерного и CК - коллекторного переходов. Временные диаграммы, отражающие процессы, протекающие в схеме, представлены на рис. 3.48. До момента времени t0 uГ = EГ ОБР и токи iБ и iК равны нулю (тепловыми токами в цепи коллектора пренебрегаем). Это исходное состояние иллюстрирует точка А (рис.3.49). Она находится на пересечении нагрузочной линии с выходной характеристикой, снятой при iБ=0 (транзистор находится в режиме отсечки).
В момент времени t0 включается напряжение uГ ПР и в цепи базы возникает ток (рис.3.48,,б). При этом ток коллектора iК возникает с задержкой t З (рис.3.48,г). Время задержки t З определяется тем, что коллекторный ток может появиться только после того, как электроны, переходящие из эмиттера в базу, достигнут коллекторного перехода. Это станет возможным, когда напряжение на эмиттерном переходе, по мере заряда барьерных емкостей , достигнет пороговой величины U*, и он откроется. Практически интервал t З мал , и им часто пренебрегают. В интервале времени t2 - t1 = t ф, называемым временем фронта, коллекторный ток возрастает по экспоненциальному закону и достигает установившейся величины . Увеличение коллекторного тока определяется увеличением прямого напряжения на эмиттерном переходе (заряжается емкость CЭ) и увеличением количества электронов, переходящих из эмиттера в базу и далее в коллектор ( заряд электронов в базе QБ возрастает - рис. 3.48,в). Рабочая точка (рис. 3.49) перемещается вверх по нагрузочной линии (транзистор находится в активном режиме). В зависимости от величины конечное положение рабочей точки может быть или в активном режиме, или в режиме насыщения. Практический интерес представляет случай, когда рабочая точка глубоко заходит в режим насыщения. Таким образом, напряжение uГ должно быть таким по величине, чтобы обеспечить IБ ПР > IБ min. ( IБ min - минимальное значение тока базы, при котором транзистор переходит в режим насыщения).
Величину называют глубиной насыщения. Время фронта t ф зависит, как отмечалось выше, от времени заряда емкости CЭ, а также от времени разряда емкости CК, так как по мере роста i К напряжение u КЭ уменьшается (рис.3.48 д). Кроме того, на величину времени t ф оказывает влияние величина IБ ПР , так как от величины базового тока зависит скорость заряда емкости CЭ. Зависимость тока коллектора в интервале t ф от времени аппроксимируют обычно выражением:
(3.77)
где IК ПР = h21ЭIБ ПР - величина тока коллектора, соответствующая току базы IБ ПР в статическом режиме ( физически ток IК ПР может быть достигнут, если транзистор не переходит в режим насыщения IБ ПР < IБ min); - постоянная времени нарастания тока коллектора в схеме ОЭ с учетом перезаряда емкости CК (см.3.76).
Длительность фронта t ф равна:
. (3.78)
Из (3.78) следует, что , так как фронт заканчивается при переходе транзистора в режим насыщения. Длительность фронта уменьшается при увеличении IБ ПР . В последующие после t2 моменты времени ток коллектора iК и напряжение uКЭ остаются постоянными, однако заряд в базе транзистора QБ продолжает нарастать (рис. 3.48,в) за счет инжекции электронов через открытые эмиттерный и коллекторный переходы (транзистор работает в режиме насыщения и токи определяются внешними по отношению к транзистору элементами схемы).
Рассмотрим теперь процессы, происходящие в схеме после переключения напряжения генератора на uОБР (момент времени t3,(рис.3.48,а), В интервале времени t3 - t4 , называемом временем рассасывания t рас, происходит рассасывание накопленного в базе заряда электронов, заряд уменьшается вследствие рекомбинации и ухода электронов во внешнюю цепь, что сопровождается появлением тока I Б ОБР (рис.3.48,б). Транзистор насыщен, при этом коллекторный переход остается в открытом состоянии и в цепи коллектора течет ток К НАС. Ток базы IБ ОБР также определяется внешней цепью. В момент времени t4 заряд в базе QБ уменьшается до значения QБ АКТ и коллекторный переход закрывается (транзистор переходит в активный режим работы). В интервале времени t4 - t5 , называемом временем среза t с , происходит дальнейшее рассасывание заряда QБ , разряжается СЭ, заряжается емкость СК , рабочая точка перемещается из положения В в положение А (рис. 3.49). Транзистор переходит в режим отсечки (оба перехода заперты), ток коллектора iК и ток базы iБ ОБР уменьшаются до нуля, а напряжение uКЭ возрастает до величины EК.
Величины t рас и t с могут быть найдены из выражений, справедливых при IБ ОБР >>IБ min: ; (3.79)
, (3.80)
где: t n - время жизни электронов в базе в режиме насыщения; .
Из (3.79) следует, что для уменьшения времени рассасывания необходимо уменьшать время жизни неосновных носителей t n (электронов) в базе (для этого структуры импульсных транзисторов легируют золотом). Кроме того, можно уменьшать IБ ПР (хотя при этом будет увеличиваться время фронта t ф) и увеличивать IБ ОБР . Величины t з, t ф, t рас, t с для импульсных транзисторов приводятся в справочной литературе, а формулы (3.77...3.80) используются для пересчета параметров в конкретных схемах. Измерения произведены при одних значениях IБ ПР ,IБ ОБР , IБ min, а параметры нужны при других. Для современных быстродействующих маломощных импульсных транзисторов t з, t ф, t рас, t с составляют единицы и десятые доли наносекунд (для мощных - существенно больше).
