Транзистордың кілттік режимде жұмыс істеуі

5.13.1 Ортақ эмиттерлі транзисторлық кілт

Цифрлық және импульстік техникада ортақ эмиттерлі кілт кең таралған (5.21-сурет). Сұлбадағы – шығыс сигналы алынатын коллекторлық жүктеме. Кіріс сигнал U₁ транзисторға, резистор R_б арқылы беріледі, ол U₁ өзгерген кездегі кіріс токты шектейді. Сыртқы түрі бойынша сұлбаның күшейткіш каскадтан айырмашылығы жоқ. Негізгі ерекшелігі кілттің жұмыс істеу режимінде. Режим кіріс сигналдың шамасымен және сұлба параметрлерімен қамтамасыз етіледі. Егер транзистор күшейту режимінде тек активті облыста аз кіріс сигнал режимінде (сызықты режим) жұмыс істесе, онда кілтте – үлкен сигнал режимі (кілттік режим) болады. Кіріс кернеу кілттің қосылу және ажыратылу деңгейінің шегінен шығып кетеді.

Кезекті ауысып қосылудан кейін транзистор ток тоқтату күйінде немесе қанығу күйінде (немесе қанығуға жақын, егер кілт қанықпаған болса) болады. Ауысып қосылған кезде ол активті режимде.

5.22-суретте ортақ эмиттерлі кілттің статикалық беріліс сипаттамасы келтірілген, мұндағы - транзистордың қанығу шекарасы.

қанығу шартынан анықталады i_б ≥ I_бн. Оған ; мәндерін қойып, аламыз.

Шығысында оған коллектордағы U_кж қалдық кернеуге тең кернеуі сәйкес келеді.

Жабық транзистор үшін , мұндағы I_б0 –транзистордың жабылған кезіндегі базадағы кері ток.

Транзистор болған кезде жабылады және ажыратылу деңгейі .

болғандықтан, деп есептеуге болады. Осы деңгейге сәйкес шығыс кернеу .

болғандықтан, деп есептеуге болады.

Сипаттамадағы CD – қанығу бөлігі (кілт қосылған), АВ – ток тоқтату бөлігі (кілт ажыратылған), ВС – активті режим (кілттің ауысып қосылуы).

Осы режимдерді шығыс сипаттамалардан қарастырайық.

Транзистордың берілген типі бойынша ОЭ сұлбаның шығыс сипаттамаларының тобы (5.23-сурет) және берілген кедергі R_к үшін теңдігі бойынша жүктеме сызығы жүргізіледі.

болғанда , ал болған кезде .

Координаттары осыған тең нүктелер түзумен қосылады. Бұл жүктеме сызығы болады.

1-мен белгіленген нүкте ток тоқтату режиміне сәйкес келеді, .

Бұл режимде екі өткел де (эмиттерлік және коллекторлық) кері бағытта ығысады (,) және жабық болады. Бірақ аздаған жылулық токтар ,, ағады. Эмиттердің жылулық тогы коллектордың жылулық тогынан біршама аз болғандықтан, , а деп есептеген жөн.

Бұл жағдайда коллектор кернеуі болады.

Кіріске үлкен оң кернеу берілгенде, транзистор қанығу күйінде болады (5.23-суреттегі 2-нүкте). Екі өткел де тура бағытта ығысады (, ). Өткелдердегі кернеулер аз, қалдық кернеу нөлге жақын болады. Барлық үш электрод та эквипотенциалды, яғни тран-зисторды қысқа тұйықтаушы ретінде қарастыра аламыз және кілттегі токтар тек сыртқы тізбектердің параметрлерімен ғана анықталады.

Активті режимге 3-нүкте сәйкес келеді (5.23-сурет). База тогы өзгерген кезде коллектор тогы өсіп (), ал коллектордағы кернеу кемиді ().

5.13.2 Транзисторлық кілттегі өтпелі процестер

Жазық биполюсті транзистордағы кілттің шапшаңдығы өтпелі процестермен, дәлірек айтқанда, базадағы зарядтың өзгеруімен анықталады. Өтпелі процестерді талдау үшін заряд әдісін пайдаланған ыңғайлы.

Кілттің кірісіне U₁кернеуі берілсін делік, оның әсерінен кілттің қосылып ажыратылуы жүзеге асады. Бұл процестерді уақыттық диагараммалардың көмегімен қарастырайық (5.24-сурет).

Бастапқы күйде болған кезде транзистор кіріс теріс кернеумен жабылады. Жылулық токтар (,,) аз болғандықтан оларды ескермейміз, сондықтан , деп аламыз.

Q заряды да нөлге тең, коллектордан алынатын шығыс кернеу .

Уақыттың -ге тең сәтінде кілт кіріс кернеудің төмендеуімен қосылады. Базаның тура тогы пайда болады. Транзистордың кіріс кедергісі екенін ескеріп, база тогы өзгермейді және тең деп аламыз.

Кілттің қосылуын екі кезеңге бөлуге болады: шығыс импульс алдыңғы шетінің қалыптасуы және артық зарядтың жинақталуы. Коллектор тогы импульсі алдыңғы шетінің және шығыс кернеудің қалыптасуы уақыт аралығында өтеді. Транзистор активті облыста жұмыс істейді және оның базасында қосалқы тасушылардың заряды Q өседі.

Q-ды анықтау үшін заряд теңдеуін құрамыз

. (5.1)

Басқарушы ток эмиттерлік өткелдің және коллекторлық өткелдің сыйымдылықтарының (теңдеудуің алғашқы екі мүшесі) зарядын өзгертуге, базадағы зарядты өзгертуге, рекомбинация нәтижесіндегі шығындардың орнын толтыруға және базада жинақталған зарядты тұрақталған күйде сақтап тұруға жұмсалады.

Мұндағы – ортақ эмиттерлі сұлбадағы транзистордың уақыт тұрақтысы, ол базадағы қосалқы тасушылардың өмір сүру уақытына тең.

Төмен жиілікті транзисторлар үшін алғашқы екі мүшенің әсері аз болғандықтан оларды ескермеуге болады.

5.24 Сурет

Бұл жағдайда (5.1) келесі түрге келеді

. (5.2)

(5.2)-ші өрнекті интегралдап үшін, базадағы зарядының активті режимде өзгеру заңдылығын анықтаймыз

, (5.3)

ол өзінің тұрақталған мәніне ұмтылады

. (5.4)

Коллекторлық ток та дәл осындай заң бойынша өседі , өйткені

, (5.5)

мұндағы – ортақ базалы сұлбадағы ток беру еселігі, – эмиттер тогы

; (5.6)

– ОБ сұлбадағы транзистордың уақыт тұрақтысы, ол базадағы қосалқы зарядтардың ұшып өтуінің орташа уақытына тең

Сонда

, (5.7)

, (5.8)

мұндағы – аз сигнал режиміндегі ОЭ сұлбаның ток беру еселігі;

– дәл сол еселік үлкен сигнал режимінде;

– келесі өрнектен анықтауға болады

, (5.9)

мұндағы – болатын жиілік;

– күшейтудің шекаралық жиілігі, мұнадғы (төменгі жиіліктердегі ток беру еселігі) есеге кемиді. және жиіліктері анықтамалықтарда келтіріледі.

артқан сайын резистордағы кернеудің түсуі өседі және коллектордағы кернеу кемиді.

уақыт мезетінде коллекторлық өткелдегі кернеу нөлге жетеді де, коллекторлық өткел тура бағытта ығысып транзистор қанығу режиміне енеді. Қалдық кернеу , тогының өсуі тоқтап, ол өзінің ең үлкен мәніне жетеді

; .

Осы мезетте базадағы заряд өзінің шекаралық мәніне жетеді

. (5.10)

(5.10) - өрнектен көріп тұрғанымыздай, транзистордың (,) және сыртқы тізбектің (,) параметрлерімен анықталады.

Артық зарядтың жинақталуы мезетінде басталады. Транзистор қанығады, , , токтары тұрақты.

заряды ұқсас заңдылықпен (5.3) өсе береді, бірақ транзистордың қанығуы кезінде-ның орнына ()–ға тең уақыт тұрақтысына сәйкес өзгереді. заряды, шарты орындалғанда өзінің тұрақталған мәніне ұмтылады .

Кіріс импульсінің соңына қарай заряд .

Егер болса, онда -ға жуық мәнге жетеді.

Кілттің ажыратылуын да екі кезеңге бөлуге болады: артық зарядтың сіңуі және шығыс импульстің үзілуінің қалыптасуы. Кіріс импульстің аяқталуы және оның кірісіне теріс -ге тең кернеуді беру сәтінде, база тізбегінде базадағы жинақталған зарядтың болуынан токтың теріс бағытта күрт өзгерісі пайда болады

(болғандықтан, – ескермейміз).

Осы кері токтың әсерінен және тасушылардың рекомбинациялануынан базадағы заряд, уақыт тұрақтысы-ға сәйкес мына заңдылықпен,

азайып -ға тең мәніне ұмтылады. Артық заряд таралып кетеді.

Уақыттың -ке тең сәтінде -ның мәні -ға жетеді. Зарядтың таралу уақыты деп аталатын, -тен -ке дейінгі уақыт аралығында транзистор қанығу режимінде қала береді, коллектор тогы , коллектордағы кернеу . Транзистордың ажыратылуында шамасына кідіріс болады.

Уақыттың -ке тең заряды -ке жеткен сәтінде , импульстің азаюы басталады, коллекторлық өткел кері бағытта ығысады, яғни транзистор активті режимге ауысады. уақыт ағымында базадағы заряд -тен нөлге дейін экспоненталық заңдылықпен тұрақталған мәніне ұмтыла отырып төмендей береді . Коллектордағы ток (5.7) зарядтың өзгерісіне пропорционал, өйткені активті режим орын алады және - нен дейін өзгереді.

Уақыттың -ке тең сәтінде транзистор ток тоқтату режиміне енеді. Үлкен кіріс кедергі қалпына келеді. Эмиттерлік және коллекторлық өткелдердің тосқауылдық сыйымдылықтарының қайта зарядталу шамасына қарай база тогы дейін төмендейді.

5.13.3 Кілттегі өтпелі процестердің ұзақтығы

Қазіргі заманда электрондық сұлбаларды жобалауда, интегралдық сұлбалардың күн сайын артып жатқан күрделену дәрежесіне, элементтердің керексіз параметрлерін және сұлба параметрлерінің шашыраңқылығын ескеру қажеттігіне байланысты есептеу техникасын пайдаланумен математикалық модельдеу тәсілін қолдану қажеттігі туындайды.

Беріліс функцияларын, жиіліктік сипаттамаларын, өтпелі және импульстік сипаттамаларды, статикалық режимдерді және т.б. есептеу үшін электрондық сұлбаның параметрлерін талдау және тиімділендіру кезеңінде есептеу техникасын қолдану өте тиімді.

Коллекторлық тізбегіне жүктемесі және база тізбегіне қанығу режиміндегі база тогын шектеу үшін кедергісі қосылған, ортақ эмиттерлі транзисторлық кілттегі өтпелі процесстердің ұзақтығын анықтайық. Сұлбаға коллекторлық қорек көзі жалғанады да, кіріс сигнал -ден -ге дейінгі күрт өзгереді.

Өтпелі процесстердің ұзақтығын есептеу үшін мына формуланы пайдаланамыз

, (5.11)

мұндағы – зарядтың тұрақталған мәні;

, – есепке алынған уақыт аралығының басындағы және соңындағы заряд мөлшері.

(5.11) формуласы экспоненталық функцияның белгілі аналитикалық өрнегінен t = t_к үшін = деп қойып, алынған теңдікті -ге қатысты шешілген мына теңдеуден алынады