5.5. Импульсный режим работы бт

Биполярный транзистор при передачи импульсных сигналов может работать как при малых, так и больших амплитудах импульсов. Основная задача в малосигнальном режиме состоит в неискаженном воспроизведении импульсов. В этом случае транзистор работает практически в линейном режиме и проявляет инерционные свойства, связанные с конечной длительностью переходных процессов.

При больших импульсных сигналах БТ выполняет функцию управляемого ключевого элемента. Транзистор кроме инерционных свойств проявляет себя как существенно нелинейный элемент. Под действием управляющего импульсного сигнала транзистор переходит из режима отсечки в активный режим и далее – в режим насыщения.

Такой режим работы транзистора применяется в переключательных схемах, а также для управления большими токами. В этом режиме обеспечивается высокий КПД (до 90%).

5.5.1. Бт в режиме большого сигнала

В режиме большого сигнала БТ выполняет функцию ключевого элемента, которая состоит в замыкании и размыкании цепи нагрузки под действием управляющего входного сигнала. Транзистор за короткое время переключается из состояния с малым значением коллекторного тока и большим уровнем коллекторного напряжения U_К (режим отсечки) в инверсное состояние большого тока I_К и малого напряжения U_К (режим насыщения). При этом мощность потерь, рассеиваемая в транзисторе, минимальна ( ), так как при насыщении , . Для работы в импульсном режиме к транзисторам предъявляются следующие требования:

- минимальное напряжение насыщения ;

- минимальное время переключения.

Н а семействе выходных характеристик (СОЭ) рабочая точка динамически перемещается вдоль нагрузочной прямой из положения 1 (разомкнутое состояние ключа) в положение 2 (замкнутое состояние ключа) (рис. 5.19).

Простейшая схема ключа приведена на рис. 5.20. В связи с инерционностью транзистора изменение состояния ключа требует некото-

рого времени: – время включения, – время выключения.

Переходные процессы при включении ключа показаны на рис. 5.21.

С татическим состояниям ключа соответствуют следующие значения токов и напряжений:

1. ключ разомкнут (режим отсечки), т.е. :

, , , ;

2. ключ замкнут (режим насыщения), т.е. :

, .

.

Источник сигнала Е_Б должен обеспечить такую величину тока базы, чтобы перевести транзистор в режим насыщения,

.

В течение интервала времени (см. рис. 5.21) протекает переходный процесс. Длительность этого процесса определяется временем включения – это интервал времени между моментом подачи на вход транзистора импульса прямого тока и тем моментом времени , когда коллекторный ток достигает значения (максимального значения тока насыщения):

.

Переходный процесс состоит из двух этапов:

а) задержка формирования фронта импульса коллекторного тока относительно фронта базового тока ( – время задержки);

б) формирование фронта импульса коллекторного тока ( – время нарастания).

Граничное значение момента времени между этими двумя этапами соответствует увеличению коллекторного тока до условного порогового уровня .

В течение времени задержки транзистор продолжает оставаться в режиме отсечки, а входной базовый ток является емкостным током перезаряда входной емкости транзистора: барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного переходов.

Полагая, что весь базовый ток идет на заряд входной емкости, можно записать

, (5.12)

где .

Так как барьерные емкости переходов являются нелинейными, т.е. зависят от величины напряжения на переходе, то их значения усредняют. Среднее значение емкости эмиттерного перехода принимают

.

Емкость коллекторного перехода можно считать постоянной С_К(Е_К), так как напряжение на переходе достаточно велико и относительное изменение напряжения на переходе незначительно.

Представив выражение (5.12) в виде

, (5.12а)

можно записать

.

Н апряжение на эмиттерном переходе не может изменяться скачкообразно из-за наличия емкости перехода. Поэтому по мере перезаряда емкости это напряжение возрастает (рис. 5.22). При достижении порогового напряжения возникает интенсивная инжекция через эмиттерный переход, т.е. начинается заряд диффузионной емкости (накопление зарядов в базовой области). Это напряжение для кремниевых транзисторов составляет , для германиевых – .

Формула для расчета времени задержки принимает окончательный вид

. (5.13)

Время нарастания связано с эффектом накопления избыточных зарядов в базовой области (заряд диффузионной емкости эмиттерного перехода), при этом транзистор работает в активном режиме.

Накопление зарядов в базовой области сопровождается следующими физическими процессами. Импульс базового управляющего тока задает количество электронов, которые поступают в базу из внешнего вывода. Для восстановления нейтральности базы из эмиттера инжектируются дырки. За интервал времени, равный времени пролета, произойдет только частичное накопление зарядов в базовой области, в результате которого эмиттерный ток достигает величины базового тока. Однако из-за экстракции дырок через коллекторный переход только небольшая часть инжектированных в базу дырок остается в базе и поддерживает ее нейтральность. Поэтому эмиттерный ток и накопленные заряды продолжают возрастать до тех пор, пока не установится динамическое равновесие между количеством электронов, которые поступают в базу через базовый вывод, и той частью инжектированных в базу дырок, которые остаются в базовой области.

Длительность переходного процесса будет определяться только эффектом накопления и рассасывания избыточных носителей заряда в базовой области, т.е. диффузионной емкостью эмиттерного перехода. Следовательно, основным уравнением для анализа переходных процессов является дифференциальное уравнение заряда

, (5.14)

которое описывает изменение во времени избыточного заряда дырок в базовой области. Здесь τ – время жизни избыточных (неравновесных) носителей заряда в базовой области. Временные параметры переходного процесса определяются из решения уравнения заряда при соответствующих граничных условиях.

Время нарастания равно интервалу времени, в течение которого величина заряда, накопленного в базе, достигает граничного значения :

. (5.15)

На выходных ВАХ (см. рис. 5.19) это соответствует характеристике , проходящей через граничную точку, которая отделяет активную область от области насыщения. В дальнейшем при прекращается рост коллекторного тока, который достигает величины тока насыщения , а накапливаемый в базе заряд продолжает увеличиваться.

Время нарастания определяется следующим выражением

. (5.16)

Увеличение отпирающего базового тока уменьшает время нарастания. Длительность переходного процесса зависит не только от инерционных свойств транзистора, но и внешних элементов схемы. Перезаряд барьерной емкости коллекторного перехода через резистор нагрузки существенно увеличивает длительность переходного процесса, так как

. (5.17)

Переходный процесс выключения транзистора показан на рис. 5.23. Длительность процесса характеризуется временем выключения

,

которое определяется интервалом времени между моментом подачи на вход транзистора импульса обратного тока и тем моментом времени, когда коллекторный ток уменьшится до величины .

Переходный процесс состоит из двух этапов:

а) рассасывание избыточных зарядов из базовой области до граничного уровня, когда заряд около коллекторного перехода уменьшится до уровня собственной концентрации ННЗ базовой области;

б) формирование спада импульса, сопровождающееся дальнейшим рассасыванием избыточных зарядов из базовой области при уменьшении градиента концентрации зарядов в ней.

П ервый этап приводит к задержке в формировании спада импульса на величину – время рассасывания. В течение второго этапа формируется конечная длительность спада импульса с параметром – время спада. В результате выключения транзистор переходит от режима насыщения в режим отсечки.

Подача запирающего напряжения на базу транзистора в момент времени приводит к скачкообразному изменению базового тока. При этом ток изменяет направление, так как из базовой области выводятся электроны через внешний базовый вывод. Величина тока ограничивается внешним резистором , так как . Транзистор остается в режиме насыщения, коллекторный ток не изменяется, так как рассасывание зарядов из базы происходит при неизменном градиенте зарядов в базе. Величина тока коллектора определяется нагрузочным резистором

.

Временные параметры переходного процесса при выключении транзистора рассчитываются по следующим формулам:

- для времени рассасывания

, (5.18)

где – значение базового тока, предшествующего включению транзистора;

– значение запирающего базового импульса;

– значение базового тока насыщения;

– время жизни носителей заряда;

- для времени спада

, (5.19)

где – ток базы насыщения;

– базовый запирающий ток;

– постоянная времени перезаряда.

Увеличение запирающего тока приводит к уменьшению длительности спада. При наличии емкостной составляющей нагрузки длительность спада увеличивается, так как общая постоянная времени возрастает на – постоянную времени перезаряда нагрузочной емкости.