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 – DU _{кэ отк} )/ R_к » E_к / R_к (8.3)

где DU_{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 DU_кэне снижается. Режим работы транзистора при I_б > I_бг называется насыщением, а величину s = I_б / I_бгназывают коэффициентом насыщения. В режиме насыщения ток базы будет равен I_б = s I_к /b_ст,где sможет составлять от 1,5 до 3,0.

Рассмотрим процессы, происходящие в ключевой схеме (см. Рис. 69 ). На интервале времени t₀ – t₁ 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 t₁начинается открытие транзистора. Характер изменения i_к и u_кэ отличается от входного сигнала. Это обусловлено инерционностью транзистора. Можно считать, что i_к и u_кэизменяются 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_кстремится 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_кравна:

(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:

равная времени жизни неосновных

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

(8.10)

Времена t_ф . t_риt_схарактеризуют 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.