Переходные процессы в ключе

Так как транзистор является инерционным прибором, то переход ключа из одного стационарного состояние в другое происходит немгновенно даже при бесконечно крутых перепадах входного напряжения

Причинами переходных процессов являются:

► процессы, связанные с изменением пространственного заряда неосновных носителей в области базы;

► процессы, связанные с перезарядом барьерных емкостей.

Процесс замыкания транзисторного ключа можно разделить на три стадии: задержка, формирование положительного фронта выходного тока и накопление избыточного заряда в базе. Процесс замыкания ключа можно разделить на две стадии: рассасывание избыточного заряда и формирование отрицательного фронта.

Рассмотрим каждую из пяти стадий переходного процесса. Временные диаграммы переключения транзистора в схеме ключа управляемого от источника с напряжением E_г и внутренним сопротивлением R_г (рис.4, а) приведены на рис. 4,б.

Задержка фронта. Эта стадия переходного процесса обусловлена перезарядкой барьерных емкостей C_э и C_к под действием входного сигнала. При достаточно малом сопротивлении R_к можно считать, что емкости C_э и C_к соединены параллельно. И параллельное соединение представляет собой входную емкость С_вх(С_вх= C_э + C_к). В исходном состоянии, когда ключ заперт, эта емкость заряжена до напряжения E_г2. Когда управляющее напряжение скачкообразно изменяет значение от Е_г2 до Е_г1, через сопротивление R_г и входную емкость С_вхначинает протекать ток. Поскольку напряжение на ней стремится к значению Е_г1 по закону

Где τ_вх =R_бС_вх – постоянная времени входной цепи транзистора

R_б – сопротивление резистора в цепи базы (часто может быть внутренним сопротивлением генератора R_r).

Когда напряжение на емкости С_вх достигнет некоторого порогового напряжения Uс_вх=U_пор > 0 (для кремниевых транзисторов U_пор = 0,6/0,8 В), тогда эмиттерный переход сместится в прямом направлении, что приведет к появлению базового тока. Это произойдет в течение некоторого времени, которое определяется временем разряда емкости, а иными словами это и есть время задержки фронта t_з:

Для германиевых транзисторов предыдущее выражение упрощается:

t₃= 0,7τ_вх

Итак, задержка фронта обусловлена наличием входной емкости С_вх транзистора, которая заряжается через резистор R_г. Именно благодаря этому напряжение на эмиттерном переходе запаздывает относительно входного напряжения.

В ряде случаев задержка сравнима с длительностями фронтов и даже превышает их.

Поскольку задержка проявляется в сдвиге переходной характеристики и не влияет на форму фронта, далее будем считать, что поступивший входной сигнал сразу отпирает транзистор.

Положительный фронт. При мгновенном возрастании базового тока до значения

Ток его коллектора изменяется по экспоненциальному закону

С постоянной времени τ = τ _β + С_kR_k(β +1),

Где τ _β- постоянная времени транзистора в схеме с ОЭ при R_k = 0.

В полупроводниках транзистора τ обычно составляет 0,1… 2 мкс, но в ряде случаев может быть на порядок больше или меньше этой величины. Коллекторный ток стремительно нарастает от нуля к значению I_6l β > вследствие возрастания на базе. Однако, достигнув величины

Ток I_k больше не может увеличиваться и формирование фронта заканчивается. В этот момент транзистор входит в режим насыщения.

Коллекторный ток увеличивается от 0 до значения I_кн за время t_ф ⁺ (длительность положительного фронта):

Или

С учетом выведенного соотношения можно записать:

Формулы показывают, что длительность фронта t_ф ⁺ уменьшается с ростом отпирающего тока I_бl. При прочих равных условиях она меньше у транзистора с меньшей инерционностью (постоянная времени τ) и большим значением β (т.е. с большей степенью насыщения S). При сильном сигнале величина коэффициента β не играет роли.

Общая продолжительность включения транзистора:

t_вкл=t_в + t_ф ⁺

Накопление носителей. Начиная с момента t_ф ⁺ все три внешних тока транзистора практически не меняются(режим насыщения). Однако заряд в базе продолжает нарастать, и этот процесс заканчивается лишь через время

t_н= (2÷3) τ_н,

которое называют временем накопления.

Здесь τ_н – постоянная времени накопления τ_н < τ, τ_н зависит от токов I_б и I_кн. Эта зависимость связанна с изменением электронных составляющих эмиттерного и коллекторного токов:

Где γ – коэффициент инжекции

Рассасывание носителей. При подаче запирающего тока I_б2 ток I_к = I_кн остается постоянным до тех пор, пока заряд в базе не рассосется до граничного значения. Время рассасывания и связанная с ним задержка уменьшаются с увеличением запирающего сигнала и уменьшением степени насыщения.

Время рассасывания t_p -специфичный и важный параметр ключевого режима транзистора.

Отрицательный фронт. Длительность отрицательного фронта t_ф ^– зависит от тех же факторов, что и длительность t_ф ⁺ и уменьшается с увеличением базового тока выключения.

В момент времени t₄ (рис. 4, б) транзистор выходит из режима насыщения и коллекторный ток уменьшается до нуля.

Общая продолжительность выключения транзистора:

На рисунке 4, б интервалу t₁ – t₂ соответствует t_ф ⁺_,интервалу t₂-t₃ соответствует t_n, интервалу t₃ - t₄ – t₁₁ и интервалу t_{4 –} t₅ соответствует t_ф^-.

Следует отметить, что задержка выключения (время рассасывания t_n), связанная с насыщением транзистора, является самой длительной стадией переходных процессов. Также необходимо иметь ввиду, что время выключения всегда больше времени включения:

t_{выкл >} t_вкл

Поэтому в быстродействующих ключах транзистор удерживается от насыщения; такие ключи называются ненасыщенными.

Повысить быстродействие ключа можно различными способами. Рассмотрим некоторые из них.