Ключи на биполярных транзисторах

Транзисторные ключи (ТК) являются одним из наиболее распространенных элементов импульсных устройств. На их основе создаются триггеры, мультивибраторы, коммутаторы и т. д.

В зависимости от целевого назначения ТК и особенностей его работы схема ТК может несколько видоизменяться. Но, несмотря на это, в основе всех модификаций лежит изображенная на рис. 3,а транзисторная ключевая схема.

Рис. 3. Схема простейшего ключа (а), его выходные (б)

и входные характеристики (в)

В ТК транзисторы работают в нескольких качественно различных режимах, которые характеризуются полярностями напряжений на переходах транзистора. Принято различать следующие режимы работы ключа: режим

отсечки; нормальный активный; инверсный активный; режим насыщения.

Транзисторный ключ по своей схеме подобен транзисторному усилителю с ОЭ. Однако по выполняемым функциям и соответственно режимам работы активного элемента он существенно отличается от усилительного каскада. ТК выполняет функции быстродействующего ключа и имеет два основных состояния: разомкнутое, которому соответствует режим отсечки транзистора (транзистор заперт), и замкнутое, которое характеризуется режимом насыщения транзистора или режимом, близким к нему. В течение процесса переключения транзистор работает в активном режиме. Процессы в ключевом каскаде носят нелинейный характер.

Важным преимуществом режима насыщения является практическая независимость тока коллектора от температуры окружающей среды и параметров конкретного транзистора.

Входную цепь транзисторного ключа характеризуют следующие параметры: 1) входной ток закрытого транзистора; 2) напряжение управления, необходимое для надежного запирания транзистора; 3) минимальный перепад управляющего сигнала, необходимый для обеспечения надежного отпирания транзистора; 4) входное сопротивление транзистора в открытом состоянии (или напряжение, необходимое для обеспечения надежного открытого состояния).

Выходными параметрами ТК являются: 1) выходное сопротивление ключа R_вых (R_к при закрытом и R_нас при открытом транзисторе); 2) максимальный ток открытого ключа (равен току насыщения); 3) минимальное (остаточное) напряжение на коллекторе транзистора в открытом состоянии U_{кэ нас} (десятые – сотые доли вольт); 4) максимальное напряжение на коллекторе закрытого транзистора (U_{кэ зак} = Е_к – I_кб0R_к); 5) коэффициент использования напряжения питания K_E = (U_{кэ зак} - U_{кэ нас}).

Рассмотренный ключ при его коммутации обеспечивает получение двух уровней выходного напряжения и относится к числу цифровых. На его основе можно создавать ключевую цепь, которая будет коммутировать аналоговые, в том числе и разнополярные, сигналы.