Импульсный режим работы биполярного транзистора

Биполярные транзисторы широко используются в цифровой технике в качестве электронных ключей. В этих устройствах используются сигналы в виде почти прямоугольных (трапецеидальных) импульсов большой амплитуды. В общем случае для описания работы транзистора в импульсном (ключевом) режиме необходимо использовать нелинейные динамические модели транзистора (например, динамические компьютерные модели Эберса - Молла). Однако в большинстве случаев ограничиваются расчетом амплитуды и длительности фронтов импульсных сигналов.

Рассмотрим схему транзисторного ключа на биполярном транзисторе (рис. 3.47). В цепь базы транзистора включен источник импульсных сигналов - генератор прямоугольных импульсов u_Г с внутренним сопротивлением R_Г. В цепи коллектора включена нагрузка R_К и поэтому напряжение на коллекторе u_КЭ= E_К - i_КR_К. Ограничим рассмотрение работы схемы случаем включения в цепь базы генератора тока, то есть будем предполагать, что внутреннее сопротивление генератора R_Г значительно больше входного сопротивления открытого транзистора и, следовательно _, . При анализе схеме учтены также влияние емкостей C_Э - эмиттерного и C_К - коллекторного переходов. Временные диаграммы, отражающие процессы, протекающие в схеме, представлены на рис. 3.48. До момента времени t₀ u_Г = E_{Г ОБР} и токи i_Б и i_К равны нулю (тепловыми токами в цепи коллектора пренебрегаем). Это исходное состояние иллюстрирует точка А (рис.3.49). Она находится на пересечении нагрузочной линии с выходной характеристикой, снятой при i_Б=0 (транзистор находится в режиме отсечки).

В момент времени t₀ включается напряжение u_{Г ПР} и в цепи базы возникает ток (рис.3.48,,б). При этом ток коллектора i_К возникает с задержкой t _З (рис.3.48,г). Время задержки t _З определяется тем, что коллекторный ток может появиться только после того, как электроны, переходящие из эмиттера в базу, достигнут коллекторного перехода. Это станет возможным, когда напряжение на эмиттерном переходе, по мере заряда барьерных емкостей , достигнет пороговой величины U*, и он откроется. Практически интервал t _З мал , и им часто пренебрегают. В интервале времени t₂ - t₁ = t _ф, называемым временем фронта, коллекторный ток возрастает по экспоненциальному закону и достигает установившейся величины . Увеличение коллекторного тока определяется увеличением прямого напряжения на эмиттерном переходе (заряжается емкость C_Э) и увеличением количества электронов, переходящих из эмиттера в базу и далее в коллектор ( заряд электронов в базе Q_Б возрастает - рис. 3.48,в). Рабочая точка (рис. 3.49) перемещается вверх по нагрузочной линии (транзистор находится в активном режиме). В зависимости от величины конечное положение рабочей точки может быть или в активном режиме, или в режиме насыщения. Практический интерес представляет случай, когда рабочая точка глубоко заходит в режим насыщения. Таким образом, напряжение u_Гдолжно быть таким по величине, чтобы обеспечить I_{Б ПР} > I_{Б min}. ( I_{Б min} - минимальное значение тока базы, при котором транзистор переходит в режим насыщения).

Величину называют глубиной насыщения. Время фронта t _ф зависит, как отмечалось выше, от времени заряда емкости C_Э, а также от времени разряда емкости C_К, так как по мере роста i _К напряжение u _КЭуменьшается (рис.3.48 д). Кроме того, на величину времени t _ф оказывает влияние величина I_{Б ПР} , так как от величины базового тока зависит скорость заряда емкости C_Э. Зависимость тока коллектора в интервале t _ф от времени аппроксимируют обычно выражением:

(3.77)

где I_{К ПР} = h_21ЭI_{Б ПР} - величина тока коллектора, соответствующая току базы I_{Б ПР} в статическом режиме ( физически ток I_{К ПР} может быть достигнут, если транзистор не переходит в режим насыщения I_{Б ПР} < I_{Б min}); - постоянная времени нарастания тока коллектора в схеме ОЭ с учетом перезаряда емкости C_К (см.3.76).

Длительность фронта t _ф равна:

. (3.78)

Из (3.78) следует, что , так как фронт заканчивается при переходе транзистора в режим насыщения. Длительность фронта уменьшается при увеличении I_{Б ПР} . В последующие после t₂ моменты времени ток коллектора i_К и напряжение u_КЭ остаются постоянными, однако заряд в базе транзистора Q_Б продолжает нарастать (рис. 3.48,в) за счет инжекции электронов через открытые эмиттерный и коллекторный переходы (транзистор работает в режиме насыщения и токи определяются внешними по отношению к транзистору элементами схемы).

Рассмотрим теперь процессы, происходящие в схеме после переключения напряжения генератора на u_ОБР (момент времени t₃,(рис.3.48,а), В интервале времени t₃ - t₄ , называемом временем рассасывания t _рас, происходит рассасывание накопленного в базе заряда электронов, заряд уменьшается вследствие рекомбинации и ухода электронов во внешнюю цепь, что сопровождается появлением тока I _{Б ОБР} (рис.3.48,б). Транзистор насыщен, при этом коллекторный переход остается в открытом состоянии и в цепи коллектора течет ток _{К НАС}. Ток базы I_{Б ОБР} также определяется внешней цепью. В момент времени t₄заряд в базе Q_Б уменьшается до значения Q_{Б АКТ} и коллекторный переход закрывается (транзистор переходит в активный режим работы). В интервале времени t₄ - t₅ , называемом временем среза t _с , происходит дальнейшее рассасывание заряда Q_Б , разряжается С_Э, заряжается емкость С_К , рабочая точка перемещается из положения В в положение А (рис. 3.49). Транзистор переходит в режим отсечки (оба перехода заперты), ток коллектора i_К и ток базы i_{Б ОБР} уменьшаются до нуля, а напряжение u_КЭ возрастает до величины E_К.

Величины t _рас и t _с могут быть найдены из выражений, справедливых при I_{Б ОБР} >>I_{Б min}: ; (3.79)

, (3.80)

где: t _n - время жизни электронов в базе в режиме насыщения; .

Из (3.79) следует, что для уменьшения времени рассасывания необходимо уменьшать время жизни неосновных носителей t _n (электронов) в базе (для этого структуры импульсных транзисторов легируют золотом). Кроме того, можно уменьшать I_{Б ПР} (хотя при этом будет увеличиваться время фронта t _ф) и увеличивать I_{Б ОБР} . Величины t _з, t _ф, t _рас, t _с для импульсных транзисторов приводятся в справочной литературе, а формулы (3.77...3.80) используются для пересчета параметров в конкретных схемах. Измерения произведены при одних значениях I_{Б ПР} ,I_{Б ОБР} , I_{Б min}, а параметры нужны при других. Для современных быстродействующих маломощных импульсных транзисторов t _з, t _ф, t _рас, t _с составляют единицы и десятые доли наносекунд (для мощных - существенно больше).