Ключевой режим работы биполярного транзистора

Характер переходных процессов в транзисторе зависит от схемы включения и внутреннего сопротивления источников сигнала. Наибольшее распространение нашла схема ОЭ, поскольку она позволяет получить усиление по току. На рис.5 приведена схема простейшего транзисторного ключа. На рис.6 показано семейство статических выходных характеристик транзистора в схеме с ОЭ, нагрузочная характеристика и расположение рабочих точек А и В. Имеются три характерные области работы транзистора:

область выключения (отсечки) I, область активного режима II и область насыщения III. В ключевых схемах транзистор находится в активном режиме лишь в переходном состоянии. В области насыщения коллекторный переход смещен в прямом направлении и инжектирует носители в базу, граница между областями II и III определяется условием U _кб=0. На рис.6 показана выходная характеристика при токе базы I _бн, соответствующей этой границе.

Если на базу подано запирающее (положительное для p-n-p -транзистора) напряжение E _б2, то ток базы равен I _б≈- I _кбо, а ток коллектора I' _к= I _кбо К коллекторному переходу приложено напряжение:

U _к = E _K – I' _к R _к≈ E _к

Рабочая точка на выходной характеристике находится в положении А, т.е. в режиме отсечки – транзистор закрыт. В точке А напряжение на электродах практически совпадает с эдс источников питания:

U к » E к;      U б » Е б2

(6)

При подаче в цепь базы отпирающего тока I_б1 рабочая точка перемещается в положение B, в цепи коллектора протекает ток I _кн и напряжение коллектора становится равным

U _кн = E _к – I _кн R _к

Статические параметры ключа: остаточное напряжение U_кн во включенном состоянии (рис.6, точка В) и остаточный ток в выключенном (запертом) состоянии (точка А). В точке В токи электродов определяются параметрами внешних цепей:

I б1 » Е б1 R б;  I кн » Е к / R к;

(7)

Для перевода в режим насыщения необходимо выполнить условие

I б1> I бн

(8)

или, что то же

BI б1 > I кн,

(8 a)

где В=I _кн /I _бн – коэффициент усиления тока базы в режиме большого сигнала. Силу неравенства (8) характеризуют особым параметром – степенью насыщения S:

S=I _б1 /I _бн                                                 (9)

Рассмотрим переходные процессы, происходящие при переключении ключа из состояния «выключено» в состояние «включено» и обратно. Временные диаграммы напряжений, токов накопленного заряда базы при включении и выключении транзисторного ключа приведены на рис.7.

В исходном состоянии транзистор закрыт положительным напряжением Е_б2. Процесс отпирания транзистора при подаче на базу отрицательного напряжения Е_б1 можно разделить на три этапа: задержка фронта, формирование фронта и накопление заряда. Этап задержки фронта обусловлен зарядом входной емкости запертого транзистора от значения Е _б2  до напряжения открывания транзистора U * (для кремниевого транзистора U *» 0,6 B, для германиевого U *» 0,2 B). Этот процесс протекает с постоянной времени t_c

t_c=R _б С _вх                   (10)

Входную емкость обычно принимают равной сумме барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного переходов:

C _вх = С _{э бар} + С _{к бар}             (11)

 

 

Время задержки фронта t_зф можно определять по формуле:

                                       (12)

В момент t₁ открывается эмиттерный переход и начинается инжекция носителей в базу, транзистор переходит в активный режим. На этом этапе коллекторный ток возрастает до значения I_кн. Процесс формирования фронта характеризуется эквивалентной постоянной времени t_оэ:

(13)

где t – время жизни неосновных носителей в базе: - усредненная емкость коллекторного перехода. Длительность фронта t_ф= t₂ - t₁ определяется формулой:

(14)

при S >> 1 формула (14) упрощается:

t ф » tоэ/ S

(15)

В конце этапа формирования фронта в базе транзистора накапливается заряд Q _гр, а напряжение на переходе коллектор – база падает до нуля. После того, как транзистор начал работать в режиме насыщения, заметных внешних изменений в схеме ключа не происходит. Однако продолжается накопление заряда, причём на данном этапе заряд накапливается не только в базовом, но и в коллекторном слое. В конце этапа стационарный заряд Q _ст. определяется выражением

Q ст = I б1 ,

(16)

где  – среднее время жизни носителей в базовом и коллекторном слоях. Длительность этого процесса составляет примерно 3 . Если длительность входного импульса меньше, чем 3 , накопленный заряд будет меньше стационарного значения.

Процесс выключения транзистора начинается в момент t ₃ (рис.7), когда на базу подаётся запирающее напряжение. В момент переключения на обоих p-n -переходах сохраняются прямые смещения, близкие к U*. При этом коллекторный ток не меняется и остаётся равным I _кн. Базовый ток принимает значение:

I б2 = -(Е б2 +U*) / R б

(17)

На первом этапе процесса выключения происходит рассасывание накопленного заряда током I _б2. Окончание этапа рассасывания характеризуется тем, что концентрация избыточных носителей на коллекторной границе базы падает до нуля и на коллекторном переходе восстанавливается обратное напряжение. Только после этого может начаться уменьшение коллекторного тока и формирование среза импульса. Длительность этого процесса называется временем рассасывания t _рили временем задержки среза t _зс. В конце этого рассасывания в базе транзистора остаётся некоторый остаточный заряд Q _ост. Время рассасывания определяется выражением

(18)

Если запирающий ток настолько мал, что выполняются условия I _б2<< I _б1, I _б2<< I _бн , это выражение принимает вид

(19)

По окончании этапа рассасывания начинается последний этап переходного процесса – запирание транзистора. Длительность запирания обычно определяется процессом заряда коллекторной ёмкости, протекающей с постоянной времени , длительность среза по уровню I _к = 0,1 ×I _кн   равна

(20)

Общая инерционность транзисторного ключа характеризуется временами включения t _вкл и выключения t _выкл:

tвкл= t зф + t ф;	(21)
t выкл= t р + t с;	(22)

При практическом определении времён t _зф, t _ф, t _р, t _с обычно используются уровни0,1 I _кн и 0,9 I _кн