Ключевой режим работы биполярного транзистора

Импульсная и цифровая полупроводниковая техника базируется на работе биполярного транзистора в качестве бесконтактного ключа. Качество транзисторного ключа оценивается по остаточному напряжению на открытом транзисторе и остаточному току транзистора в закрытом состоянии. Построение ключевой схемы аналогично усилительному каскаду. Наибольшее распространение получили схемы с общим эмиттером (Рис.68).

Рис. 68. Схема транзисторного ключа и вольтамперные характеристики транзистора.

Анализ работы ключа можно провести с использованием семейства вольт-амперных характеристик и линии нагрузки. На Рис. 68 линия аб – линия нагрузки по постоянному току. Она описывается соотношением:

U _кэ = - (E _к – I _к R _к) (8.1)

Режим запирания (отсечки) осуществляется подачей на вход транзистора напряжения положительной полярности. При этом эмиттерный переход запирается (U _бэ > 0, I_э = 0). Через переход база-коллектор протекает тепловой ток I _ко. Закрытому состоянию соответствует точка М _з.

Величину запирающего напряжения выбирают такой, чтобы обеспечить условие:

U _бэ = U _{вх. зап} - I _ко R _б > 0

Режим открытого состояния достигается изменением полярности входного напряжения (U _вх < 0) и заданием соответствующего тока базы (точка М _о).

Положим, что при U _вх < 0 ток базы будет увеличиваться постепенно. Ему будет соответствовать увеличение I _к и рабочая точка будет смещаться по линии нагрузки от М _з вверх. U _кэ постепенно снижается. До граничного тока базы I _бг сохраняется зависимость

I _к = b_ст I _б + (1 +b_ст) I _ко» b_ст I _б (8.2)

где b_ст - статический коэффициент передачи тока (а не дифференциальный b, действительный при малых входных сигналах). В точке М_о при токе I _бг через транзистор протекает ток

I _к = (E _к – D U _{кэ отк})/ R _к» E _к / R _к (8.3)

где D U _{кэ отк} - остаточное напряжение на транзисторе (оно должно быть от 0,05 до 1,0 В). Граничное значение тока базы будет равно

I _бг = I _к / b = E _к / (b_ст R _к) (8.4)

При дальнейшем увеличении I _б напряжение D U _кэ не снижается. Режим работы транзистора при I _б > I _бг называется насыщением, а величину s = I _б / I _бг называют коэффициентом насыщения. В режиме насыщения ток базы будет равен I _б = s I _к /b_ст, где s может составлять от 1,5 до 3,0.

Рассмотрим процессы, происходящие в ключевой схеме (см. Рис. 69). На интервале времени t ₀ – t ₁ транзистор заперт. I _б и I _к определяются тепловым током I _ко. Напряжение на транзисторе равно U _кэ = - (E _к - I _ко R _к). С момента времени t ₁ начинается открытие транзистора. Характер изменения i _к и u _кэ отличается от входного сигнала. Это обусловлено инерционностью транзистора. Можно считать, что i _к и u _кэ изменяются по экспоненте. Тогда

t_в = t_b + t_к (8.5)

где t_в - постоянная времени; t _b - эквивалентная постоянная времени транзистора; t _к = C _к R _к; C _к - интегральная (для большого сигнала) емкость коллекторного перехода. Если считать, что кривая тока базы имеет прямоугольную форму

I _{б отп} = U _{вх отп} / R _б > I _бг, (8.7)

то i _к будет меняться по закону

i _к (t) = b_ст I _{б отп} (1 - e ^{– t /t в}) (8.8)

Ток коллектора i _к стремится к величине b_ст I _{б отп} > E _к / R _к, но достигнув значения I _к = E _к / R _к, он перестает изменяться. Длительность переднего фронта импульса тока I _к равна:

(8.9)

где: I _{к макс}/b_ст = I _бг; I _{б отп} = s I _бг.

Очевидно, что длительность фронта сокращается с ростом коэффициента насыщения.

По окончании отпирающего сигнала на базе, на вход транзисторного ключа вновь поступает положительное запирающее напряжение. При этом создается задержка в запирании, обусловленная процессом рассасывания избыточных носителей заряда. По этой причине ток I _к остается постоянным. Рассасывание носителей заряда идет и по цепи базы за счет обратного тока базы I _{б обр}, вызванного запирающим напряжением. Обратный ток базы ограничен R _б. Время рассасывания t _р также зависит от коэффициента насыщения s:

Рис.69. Диаграмма напряжений и токов ключевой схемы

t _р» t'_b ln s, где: t'_b - эквивалентная постоянная времени транзистора, примерно

равная времени жизни неосновных

носителей заряда в режиме насыщения (t'_b» t_b/2). При переходе в активный режим i _к падает, U _кэ растет. Этот процесс называется процессом среза (формирование заднего фронта импульса)

(8.10)

Времена t _ф. t _р и t _с характеризуют быстродействие транзисторного ключа. Они зависят от частотных свойств транзистора и параметров импульса базового тока. Их величина – от долей до единиц микросекунд.

В интегральных микросхемах используются кремниевые транзисторы. У них малый тепловой ток I _ко, поэтому запирание транзистора возможно при U _{вх зап.} = U _б = 0. Это позволяет исключить источник запирающего напряжения.

С ростом частоты свойства транзистора ухудшаются. Первая причина – инерционность процесса диффузии, обусловленного движением дырок через базу к коллектору. Это приводит к снижению коэффициентов передачи тока, причем в схеме с ОЭ частотные свойства хуже, чем в схеме с ОБ. При снижении коэффициента усиления на 3 дб получим предельную частоту.

Второй причиной ухудшения усилительных свойств транзистора является наличие емкости коллекторного перехода С _к = С _зар. Она шунтирует сопротивление (r _б + R _н).

У транзисторов с широкой базой частотные свойства в основном определяются диффузионным процессом, т.е. параметром f _h21. С уменьшением толщины базы частотные свойства улучшаются, но затем начинает сильно сказываться растущее сопротивление r _б. Имеется предельная частота f _макс, на которой транзистор теряет свои усилительные свойства.