8.3. Режимы работы ключа на биполярном транзисторе

На рис. 8 .5 приведена схема ключа на биполярном транзисторе (БТ) и диаграмма его работы. На схеме пунктирными линиями показаны две паразитные емкости. Входная емкость C_вх включает в себя емкость эмиттерного перехода и емкость монтажа, возникающие между элементами входной цепи и общей шиной. Выходная емкость C_вых образована емкостью между коллектором и эмиттером транзистора и емкостью монтажа выходной цепи. В качестве входного напряжения выступает напряжение E питания ключа. Ключ работает в двух режимах: установившемся (стационарном) и переходном.

8.3.1. Стационарный режим

На вход ключа поступает управляющий сигнал u_у, который характеризуется двумя уровнями: - напряжение высокого уровня, или напряжение «логической 1»; - напряжение низкого уровня, или напряжение «логического 0». До момента времени t₁ эмиттерный переход заперт и транзистор находится в режиме отсечки. В этом режиме ток коллектора i_к = - I_б = I_кo, а выходное напряжение u_вых = E - I_кo∙R_к ≈ E. Сопротивление закрытого ключа R_кл.з при этом равно R_клз ≈ E/I_кo. Оно составляет не менее 100 кОм.

В промежутке времени t₁ + τ_вх...t₂ транзистор открыт и находится в режиме насыщения. Определим базовый I_б и коллекторный I_к токи:

, ,

где U_кэ - напряжение насыщения перехода коллектор-эмиттер. При этом выходное напряжение ключа u_вых = U_кэ. Значение U_кэ зависит от типа транзистора, величины базового тока, сопротивления R_к, и обычно находится в пределах 0,08 – 1 В.

Для оценки глубины насыщения транзистора пользуются так называемым коэффициентом насыщения q_н, показывающим, во сколько раз реальный ток базы больше того минимального значения тока базы, которое необходимо для обеспечения режима насыщения. Минимальный ток базы I_б.min определяется выражением

I_б.min = I_к /β_min ≈ E/(R_к β_min ),

где β_min - минимальный коэффициент передачи тока базы.

Откуда

: .

Увеличение тока базы в режиме насыщения уменьшает напряжение U_кэ, что уменьшает мощность, рассеиваемую в транзисторе: P_V = I_к∙U_кэ. Однако это уменьшение практически прекращается при q_н = 3. Кроме этого, при большом токе базы увеличивается время выключения транзистора, поэтому обычно выбирают q_н = 1,5 – 2.

Рис. 8.5. Ключ на БТ: схема (а) и диаграмма работы (б)

8.3.2. Переходный режим

Переходные процессы в ключе поясняются диаграммами (рис. 8 .5, б). Максимального значения ток коллектора достигает через некоторое время, равное примерно времени заряда входной емкости: τ_вх = R_б C_вх. После того как сигнал на входе ключа в момент времени t₂ уменьшается до значения U ⁰, ток коллектора небольшое время, равное времени рассасывания τ_р, практически не изменяется, так как происходит процесс рассасывания и дрейфа неосновных носителей в коллекторный переход, которые накопились в базовой области транзистора. Затем ток коллектора по экспоненциальному закону уменьшается до уровня I_кo в соответствие с разрядом конденсатора C_вх на резистор R_б.

Импульс выходного напряжения дополнительно искажен процессами заряда и разряда выходной емкости C_вых ключа, происходящих с постоянной времени τ_вых = R_к∙C_вых. В итоге выходной импульс задерживается на время t_з = (τ_вх + τ_вых )/ 2. При этом длительность выходного импульса увеличивается на время τ_р. Для увеличения быстродействия ЭК уменьшают геометрические размеры транзисторов, при этом уменьшаются C_вых и C_вх.