Импульсный режим работы. 
Транзисторный ключ

При работе многих цифровых схем, импульсных генераторов, преобразователей импульсов, транзисторных ключей и т. д. происходит быстрое изменение токов и напряжений в больших пределах, так что в большинстве случаев проявляется нелинейность характеристик транзисторов. Такие режимы часто называют режимами большого сигнала.

Особенности физических и переходных процессов в режиме больших сигналов хорошо иллюстрируются на примере транзисторного ключа. При работе транзистора в ключевом режиме выходное сопротивление транзистора, непосредственно связанное с цепью нагрузки, сильно изменяется под влиянием входного управляющего импульса. При этом амплитуда входных импульсов достаточна для перевода транзистора из режима отсечки сначала в активный режим работы, а потом и в режим насыщения, а также и наоборот, т. е. из режима насыщения последовательно в режим отсечки.

Рассмотрим процессы, происходящие в транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, при прохождении через базу импульса тока с определенной длительностью, обеспечивающего прямое смещение с последующим изменением его направления на обратное.

На рис. 4.21 изображена простейшая схема электронного ключа на основе п—р—л транзистора в схеме с ОЭ. В цепь базы включен резистор #_в, а в коллекторную цепь резистор Я_к и источник постоянного напряжения ?_к. Пунктирными линиями показано подключение нагрузочной емкости С_н, состоящей из выходной емкости ключа и входной емкости нагрузки, емкости эмиттерного и коллекторного переходов С_ЭБ = С_э и С_КБ = С_к.

В исходном состоянии на входе существует постоянное смещение и ключ закрыт, поскольку транзистор находится в режиме отсечки, так как на оба перехода подано обратное смещение. Напряжение на выходе близко к ^ (рис. 4.22, точка С). Если на вход подать импульс положительной полярности.

Рис. 4.21.

Рис. 4.22.

с амплитудой <'_В1 (рис. 4.23, а), то транзистор перейдет в открытое состояние, при котором он будет находиться в режиме насыщения за счет инжекции носителей как из эмиттера, так и из коллектора. В цепи базы течет ток, равный /_В| = (+<*_В1 — ?/_ю)/Я_в, где и_п:) — прямое падение напряжения на эмиттерном переходе, а в цепи коллектора — ток /_к создает на резисторе #_к падение напряжения и_ик = #_к/_к. Напряжение на выходе по абсолютной величине уменьшается на величину и_ик.

Сказанное можно проиллюстрировать с помощью графического решения уравнения для нагрузочной прямой совместно с уравнениями для выходных статических характеристик. Эти уравнения описывают токи и напряжения в схеме при наличии нагрузки в цепи коллектора. Рассмотрим этот метод решения более подробно.

Из-за падения напряжения на резисторе Я_к, т. е. С/_ЛК = /_КЯ_К, напряжение на коллекторе можно записать в следующем виде:

В этом уравнении две неизвестных величины (икэ и /_к), поэтому для определения параметров конкретного режима работы прибора при наличии нагрузки в его коллекторной цепи необходимо к полученному выражению (4.48) добавить еще уравнение ВАХ /_к = Пи_ю, /_Б). В результате получим систему из двух уравнений:

Рис. 4.23.

Эту систему можно решить графически, используя семейство выходных характеристик /_к = /(?/_кэ), где в качестве параметра используется ток базы /_в. Совместное решение уравнений (4.49) определяется точкой пересечения линии нагрузки с любой выходной характеристикой /_к = /(С/^).

Если выбрать выходную характеристику /_к = /(?/_кэ) при /_Б = = /_В1 = /_Внас (см. рис. 4.22), пренебрегая влиянием Я_в, и провести нагрузочную прямую, соответствующую резистору Я_к, то точка V удовлетворяет решению системы (4.49). Нагрузочная прямая строится по двум точкам, одна из которых (точка В) лежит на оси абсцисс (1У_КЭ = < _к), т. е. при /_к = 0, когда сопротивление транзистора очень велико и напряжение источника полностью приложено к коллектору. Другая точка лежит на оси ординат, когда и_кз = 0, т. е. транзистор закорочен или обладает бесконечно малым сопротивлением. В этом случае ток через сопротивление #_к будет равен /_к = ^-_К/Я_К (точка А). Точка 1> пересечения нагрузочной прямой с характеристикой /_Б = /_Бнас определяет выходное напряжение (С/_вых = С/_кЭнас) транзистора в режиме насыщения. 17_вых должно быть, как можно меньше и слабо зависимо от входного напряжения и сопротивления Л_к. Эти требования наиболее полно удовлетворяются, если рабочая точка Э лежит на крутом участке выходной характеристики, который соответствует режиму насыщения И С/_вых = ?/_КЭнас (^КЭнас^- напряжение насыщения). Чтобы реализовался режим насыщения, необходимо выполнение УСЛОВИЯ /_Внас > /_К,_1ас/Р" ^гд^е IК нас ⁼ = (6'_к— икзнас)/— ^ток насыщения.

Рассмотрим более детально временные процессы перехода транзистора из закрытого (режим отсечки) в открытое состояние (режим насыщения) и снова в закрытое, т. е. проанализируем переходные процессы в транзисторном ключе на основе схемы с ОЭ. В начальном состоянии транзистор находится в режиме отсечки (точка С на рис. 4.22), оба перехода включены в обратном направлении. На базу подано отрицательное смещение < _Б2, и, следовательно, оно равно входному напряжению: ?/_вх = -|<'_Б2| (см. рис. 4.23), базовый /_Б и коллекторный /_к токи пренебрежимо малы, выходное напряжение и_амх близко к величине _к. В момент времени входное напряжение скачком изменяется от -|^₂1 Д° 6'б1 > 0 (см. рис. 4.23, а), что приводит к перепаду входного напряжения АС7_ВХ = |^'_Б1| + ?_Б2. Напряжение С/^ и ток базы /_Б не могут измениться скачком из-за наличия инерционных процессов, связанных прежде всего с наличием паразитной емкости С_вх, которая равна сумме параллельно включенных барьерных емкостей С_э и С_к (см. рис. 4.21). Напряжение |?/_БЭ| нарастает примерно по экспоненциальному закону с постоянной времени т_вх = Я_БС_ВХ, при этом полагается, что транзистор еще находится в закрытом состоянии, и его сопротивление мало влияет на величину т_вх. Условно считается, что транзистор находится в закрытом состоянии до тех пор, пока /_Б < 0,1/_Б«_ас* ^а коллекторный ток /_к ~ 0,1 /_кнас (см. рис. 4.23, в, г).

Если /_|; = 0,1/_Бнпс, то напряжение на базе равно и_БЭ = и_БЭпор. При С/_ю > С/рзпор ключ начинает открываться, и токи базы и коллектора резко возрастают, т. е. происходит процесс включения, при этом г_вх н. Во включенном состоянии величина базового тока равна /_Б1 ~ ^'в1/Я_в. Таким образом, скачкообразное нарастание базового тока отстает на время задержки ?_зд — *2 «*1 относительно подачи входного импульса (см. рис. 4.23, б).

Нарастание коллекторного тока происходит при постоянном токе базы /_|51, при этом в принципе необходимо учитывать время пролета носителей в базе, т. е. скачок коллекторного тока должен быть сдвинут относительно скачка базового тока на величину этого времени. Однако этим временем можно пренебречь, поскольку оно, как правило, много меньше времени задержки ?_зд. Коллекторный ток нарастает по экспоненциальному закону с постоянной времени, равной времени жизЯи неосновных носителей в базе с учетом влияния емкости коллекторной цепи, которая перезаряжается через резистор Я_к, при этом сопротивлением коллекторного СЛОЯ Г к можно пренебречь, поскольку обычно Я_к ^ г^. Напряжение на эмиттерном переходе во время нарастания тока г = ?_к(?) изменяется мало, поэтому влиянием барьерной емкости эмиттерного перехода обычно пренебрегают. Однако следует учитывать влияние выходной емкости С_н, так как напряжение на ней изменяется на значительную величину. В момент времени ?₃ коллекторный ток равен 0,9/_Кнас (см. рис. 4.23, г), а выходное напряжение (см. рис. 4.23, д) снижается до величины, близкой к ?/_кЭнас. Время нарастания ?_Н|) коллекторного тока и спада напряжения (?_сп ц) можно вычислить по формуле [1].

где т_н|) — постоянная времени нарастания коллекторного тока и спада выходного напряжения, которая определяется временем пролета и временем заряда коллекторной емкости и емкости нагрузки и может быть вычислена по формуле.

Здесь? — суммарное время пролета носителей через базу и коллекторный переход, С_Кбар — усредненная барьерная емкость коллекторного перехода.

Формула (4.50) дает хорошую точность в быстродействующих схемах, где емкость нагрузки имеет малую величину.

Если нагрузочная емкость велика, то время спада напряжения на выходе вычисляется по той же формуле (4.50), но оно будет больше времени нарастания тока. Суммарное время ?_зд + ?_нр = = ?_вкл есть время включения. Для уменьшения величины включения *_вкл необходимо уменьшать величины С_Эбар, С_кбар, С_н, *_пр и увеличивать параметр р.

По окончании процесса включения (момент I = *₃, см. рис. 4.23, г) ток коллектора ограничен величиной /_Кнас, но в базовой области в этот момент накоплен избыточный заряд, характерный для активного режима, а в коллекторе накапливается заряд электронов, соответствующий режиму насыщения, т. е. в рассматриваемых условиях в коллекторе транзистора по сравнению с активным режимом накапливается избыточный заряд неосновных носителей.

При * = <₄ входное напряжение мгновенно изменяется от значения +?_Б1 до -?_Б2 (см. рис. 4.23), в цепи базы появляется отрицательный ток /_Б2 = ^2/^1 ^ПР^ИБ2 ^ ^БЭЭ^ТОТ ток вызывает понижение напряжения Д^вэ ^на базе из-за изменения напряжения на сопротивлении базы на величины Д?/_1}0 = (/_И1 — ^Б2)^ГБ* Большой положительный базовый ток образуется накопленными в базе в режиме насыщения неосновными носителями (дырками). Эмиттерный и коллекторный переходы будут открыты до тех пор, пока избыточные неосновные носители у границ переходов в базе не уменьшатся до нуля. Таким образом, пока избыточные носители у границ переходов в базе существуют, ток коллектора остается равным /_Кнас, а выходное напряжение равно ?/_к;)||ас. Интервал времени между ?₄ и моментом, когда напряжение на коллекторе транзистора достигает уровня ?/_к:Ьтс + 0,1 ДС/, называется временем рассасывания (см. рис. 4.23, г, д). К моменту <₅ транзистор переходит из режима насыщения в активный режим, начинается спад коллекторного тока и повышение выходного напряжения.

Время рассасывания может быть вычислено по формуле.

где постоянная времени рассасывания Т_рас близка к рассмотренной ранее в п. 4.4 величине т_Кэф, входящей в выражение (4.30).

Следовательно, постоянная времени *_рас определяется в основном временем жизни дырок в коллекторе и электронов в базе. Для снижения этих времен необходимо ускорить рекомбинацию неосновных носителей, что технологически достигается легированием кремния атомами золота, которые создают уровни ловушек (центры рекомбинации) в запрещенной зоне кремния. Увеличение тока базы /_В2 также уменьшает *_рас, поскольку при этом удаляются избыточные электроны из базы.

Интервал времени, когда выходной (коллекторный) импульс тока уменьшается от значения 0,9 его амплитуды до величины 0,1 амплитуды называется временем спада t_CXl = t₆ — t_ь (рис. 4.23, г). Оно может быть оценено по формуле.

В момент спада ток и напряжение изменяются во времени по закону, близкому к экспоненте с одинаковой постоянной времени, приблизительно равной времени нарастания т_цр, что и отражено в выражении (4.53).

Суммарное время * 4- *_сп = *_выкл называется временем выклю

чения. При большой емкости С_н переходной процесс нарастания выходного напряжения 1_нри = t₇ — t_ь (штрихпунктирная линия на рис. 4.23, д) определяется только зарядкой нагрузочного конденсатора через резистор Я_к. Это время, которое может значительно превысить время спада *_сп, аппроксимируется выражением.