Компьютерная электроника Лекция 17. Ключи на биполярных транзисторах

Ключи Предназначены для коммутации электрических сигналов. Их, в основном, выполняют на полупроводниковых приборах: диодах, транзисторах (биполярных и полевых). Наиболее распространенными являются транзисторные ключи. На их основе строят триггеры, мультивибраторы, коммутаторы, блокинг-генераторы и т.д. Схемы ключей весьма различны, но наибольшее распространение получил транзисторный ключ на основе каскада с ОЭ.

Ключи Ключ в статическом режиме имеет два стационарных состояния: транзистор закрыт и рабочая точка находится в области отсечки, транзистор открыт и рабочая точка находится в области насыщения или в активной области. При переходе ключа под воздействием входного напряжения из одного стационарного состояния в другое рабочая точка перемещается по динамической характеристике через активную область и ключ работает как обычный линейный усилитель. Этот режим называют переходным или динамическим. При этом длительность переходного режима обычно значительно меньше, чем время нахождения ключа в стационарном режиме.

Ключи

Режим отсечки В режиме отсечки оба перехода смещены в обратном направлении. Поэтому условие отсечки можно записать в виде: U бэ 0 ; U бк 0. Поскольку коллекторный переход всегда смещен в обратном направлении, то условие отсечки упростится U бэ 0. Различают режимы глубокой и неглубокой отсечки. Для режима глубокой отсечки необходимо выполнение условий: U бэ ( 3 5) т U бк ( 3 5) т. В этом случае к = кбо б = - кбо э = - ( I / N ) кбо 0.

Режим отсечки Напряжение на коллекторе закрытого транзистора U кэ отс = Е к - кбо R к. Обычно R к I кбо Ек, поэтому можно записать U кэ отс Е к. Очевидно что сопротивление транзистора в режиме отсечки описывается соотношением R т U кэ отс. I кбо E к кбо. С уменьшением напряжения на базе до нуля транзистор продолжает оставаться в режиме отсечки но его токи изменяются. При этом ток базы остается практически неизменным б = - кбо, а токи коллектора и эмиттера существенно изменяются: I к = (1+ )* кбо э = * кбо. Эквивалентная схема ключа в режиме отсечки

Режим отсечки Глубина отсечки, а также токи эмиттера и коллектора зависят от значения сопротивления в цепи базы. Базовый ток в режиме отсечки создает на резисторе R б напряжение, которое является прямым для базового перехода. Таким образом: U бэ = -U вх + R б * кбо

Режим насыщения Режим насыщения наступает при увеличении тока базы до некоторого значения, при котором ток коллектора достигает определённой величины и его рост прекращается. В этом режиме межэлектродные напряжения транзистора в большинстве случаев значительно меньше напряжений Е к и U вх и токи через транзистор определяются только параметрами внешних элементов схемы. Определение U бэ и U бк неудобно из-за сложности их расчёта, поэтому используют токовый критерий I б кн / бн, где кн и бн - ток коллектора и ток базы на границе насыщения. На выходных характеристиках область насыщения характеризуется линией насыщения 0А. Каждой точке этой линии соответствует некоторое значение напряжения U кэ нас и тока I к нас. Величины U кэ нас и I к нас связаны между собой линейной зависимостью R нас = U кэ нас /I к нас. Сопротивление транзистора в режиме насыщения R нас составляет десятки - сотни Ом.

Режим насыщения Эквивалентная схема ключа составляется на основании известной Т-образной эквивалентной схемы транзистора. Обычно r бн, r кн, r эн R к, R б и эквивалентная схема упрощается. В этом случае транзистор стягивается в точку.

Режим насыщения Обычно U кэн составляет десятки милливольт, а U бэн - сотни милливольт. Токи насыщенного транзистора определяют из соотношений I кн = (E к - U кэн ) / R к E к / R к, I бн = I кн /. Для количественной оценки глубины насыщения используют параметр, называемый степенью насыщения S = I б / I бн. В ненасыщенном ключе токи через транзистор определяются соотношением I к = I б + ( 1 + ) I кбо I б.

Переходные процессы в ключе Рассмотрим переходные процессы при включении и выключении транзисторного ключа. Процесс включения транзисторного ключа условно разделяют на три этапа: задержка фронта; формирование фронта при открывании транзистора; накопление избыточного заряда в области базы. Задержка фронта связана с перезарядом барьерных ёмкостей С к и С э транзистора и приводит к достаточно малому временному сдвигу фронта без изменения его формы. Поэтому длительностью этапа задержки фронта обычно пренебрегают и считают, что формирование фронта начинается сразу после поступления на вход ключа сигнала.

Переходные процессы в ключе

Рассмотрим этап формирования фронта. Пусть в момент времени t 1 на вход подан положительный скачок напряжения, вызывающий положительный скачок отпирающего базового тока I б1 E б1 / R б. С этого момента начинается этап формирования фронта, характеризуемый нарастанием тока коллектора по закону I к = *I б1 (1 - e -t/ ), где = 1/ - постоянная времени переходного процесса в транзисторе. Ток коллектора стремится к величине I б1. Но в момент t 2 ток достигает величины I кн и его рост прекращается. На этом заканчивается этап формирования фронта. Определим длительность фронта из соотношения I кн = *I б1 *{1 -[(ехр(-t ф / )]}, откуда t ф = *ln ( *I б1 / ( *I б1 - I кн )). Из анализа последнего соотношения следует, что чем больше I б1, тем меньше длительность фронта.

Переходные процессы в ключе На этапе накопления избыточного заряда носителей в области базы происходит нарастание некоторого тока коллектора, называемого кажущимся. Этап накопления заканчивается через время t н *. Процесс выключения делят на два этапа : рассасывание избыточного заряда в базе транзистора и формирование фронта при закрывании транзистора.

Переходные процессы в ключе Этап рассасывания избыточного заряда в базе транзистора. Пусть в момент t 3 подан запирающий потенциал, который вызывает скачок базового тока I б2 =E б2 /R б, протекающего в направлении, противоположном первоначальному. Однако заряд в базе скачком измениться не может, поэтому начинает убывать по экспоненциальному закону. До момента t 4 в базе сохраняется избыточный заряд и никаких изменений тока коллектора I к и напряжения U к не происходит. В результате возникает задержка t р среза относительно момента поступления запирающего потенциала. Для нахождения t р можно воспользоваться понятием кажущегося тока коллектора I к.каж., который изменяется от величины I б1 до I б2. Можно показать, что время рассасывания описывается соотношением t р = *ln ( *I б1 + *I б2 ) / ( I кн + *I б2 ). Время рассасывания можно уменьшить за счёт увеличения тока базы I б2.

Переходные процессы в ключе Формирование среза начинается в момент времени t 4. Ток коллектора снижается по экспоненциальному закону до величины I ко. Длительность среза определяют по соотношению t с = *ln ( I кн + *I б2 ) / (0,1 I кн + *I б2 ). Одновременно уменьшается выходное напряжение. Повышение быстродействия связанно с выполнением противоречивых требований: для уменьшения t ф необходимо увеличивать ток базы, а для уменьшения t р - уменьшать. Быстродействие ключа существенно зависит от величин паразитных ёмкостей, в частности С к и С н. Для их учёта вводят эквивалентную постоянную времени переходного процесса экв + k(1+ ) C к R к + C н R к, где k - коэффициент, зависящий от степени насыщения и приблизительно равный 1,3 - 1,6.

Быстродействующие ключи Один из способов повышения быстродействия транзисторного ключа состоит в создании оптимальной формы входного тока. Оптимальная форма базового тока транзисторного ключа

Быстродействующий ключ с ускоряющим конденсатором В начальный момент времени отпирающий базовый ток равен I б1нач E б1 /R г. Ток базы за счёт заряда конденсатора уменьшается по экспоненциальному закону до величины I б1 = E б1 / (R г + R б ). Если >> t ф, то можно считать базовый ток во время фронта неизменным. Кажущийся ток коллектора уменьшится до величины *I б1, степень насыщения транзистора будет незначительной. В начальный момент этапа рассасывания запирающий ток базы I б2 =(E б1 +E б2 )/R г. Поскольку степень насыщения мала, а запирающий ток велик, время рассасывания t ф и длительность среза t с уменьшаются.

Быстродействующий ключ с ускоряющим конденсатором После запирания транзистора на его базе окажется дополнительное динамическое смещение, которое уменьшается по мере разряда конденсатора через резистор R б. К приходу очередного отпирающего импульса конденсатор должен полностью разрядиться, что в ряде случаев трудно технически выполнить. Для устранения этого недостатка используют диодную фиксацию. При подаче запирающего напряжения на базу диод открывается и конденсатор быстро разряжается через сопротивление диода VD1 и внутреннее сопротивление источника сигнала.

Транзисторный ключ с диодной фиксацией Другой способ повышения быстродействия состоит в устранении насыщения транзисторного ключа, которое может быть достигнуто фиксацией коллекторного напряжения на уровне Е ф >U кн, при Е ф

Транзисторный ключ с диодной фиксацией Ток коллектора может значительно превысить значение тока насыщения I кн, однако ток через резистор остается постоянным I R = (E к – E ф )/R к I кн, т.е. транзистор не может попасть в насыщение. При выключении ключа U к = +E ф до тех пор, пока ток не уменьшится до значения I R = (E к – E ф )/R к, диод VD1 не закроется. Это вызывает задержку изменения коллекторного напряжения, что накладывает ограничение на амплитуду входных импульсов напряжения или тока. Недостаток такого ключа является меньшая амплитуда выходного напряжения U вых E к - E ф.

Транзисторный ключ с нелинейной ОС В этой схеме за счет нелинейной отрицательной обратной связи исключается насыщение транзистора. Принцип действия основан на ограничении величины базового и коллекторного токов на уровне, близком к их граничным значениям I бн и I кн. Номиналы R и R б рассчитывают так, чтобы при токе базы, близком к току насыщения выполнялось условие U VD1 < U Rб. В исходном состоянии U вх

Транзисторный ключ с нелинейной ОС Когда U Rб + U бк станет равным U VD1, диод VD1 откроется. С этого момента вступает в действие обратная связь, которая в значительной мере изменяет токораспределение в ключе. Ток I б1 ограничивается на уровне, близком к току насыщения I бн, хотя ток I вх может продолжать увеличиваться. Ток I R достигает значения, близкого к I кн, и также ограничивается на достигнутом уровне. Ток I к может продолжать увеличиваться за счет нарастания входного тока по цепи: U вх R VD1 VT1. После открывания диода можно записать U VD1 = U Rб +U бк, откуда U бк = U VD1 - U Rб 0, т. е. U бк будет всегда отрицательным, поэтому переход транзистора VT1 в режим насыщения становится невозможным. Часто резистор R б заменяют диодом с прямым напряжением, большим, чем у диода VD1. Обычно такой диод выбирают кремниевым, если диод является германиевым, то применяют последовательно включение однотипных диодов.

Транзисторный ключ с диодом Шотки В исходном состоянии U вх