4.8 Ключовий режим бт

У сучасних радіоелектронних схемах все більшого застосування набувають цифрові методи обробки інформації, коли інформаційні сигнали представляються дискретними квантовими рівнями напруги або струму. Для побудови цифрових схем використовують електронні комутатори напруги (струму), які називають електронними ключами. Як нелінійні прилади з керованим опором в таких ключах застосовують НД, біполярні, польові транзистори, фоторезистори, тиристори, оптрони, електронні лампи.

У дискретній та інтегральній цифровій схемотехніці широко застосовуються електронні ключі на БТ. Це обумовлено властивостями БТ змінювати під дією керуючого сигналу опір від вельми великого (сотні кілоом) у режимі відсікання до набагато меншого в активному режимі (одиниці кілоом) та дуже малого в режимі насичення (одиниці Ом).

У цифрових та імпульсних схемах БТ виконують функцію безконтактного вмикача-вимикача в послідовному колі з резистором R_С і джерелом живлення Е_С.

Маючи малий опір у ввімкненому стані і великий опір у вимкненому, БТ відповідає вимогам, які пред'являються до ключових елементів. Для роботи в ключовому режимі виготовляються спеціальні ключові транзистори.

С хема транзисторного ключа показана на рис.4.16. Особливістю ключових транзисторів є велика крутість залежності струму бази від напруги U_ВЕ, що обумовлено їхньою роботою тільки в двох режимах: відсікання та насичення. Щоб запобігти вмиканню транзистора небажаним випадковим сигналам, в початковому стані емітерний перехід закривається за допомогою додаткового джерела живлення E_В.

Розглянемо перехідні процеси в БТ як в нелінійному елементі за графоаналітичним методом.

Вхідна характеристика БТ І_В = f(U_ВЕ) при U_CE = const, та сім’я вихідних характеристик I_C = f(U_CE) при I_B=const показані на рис.4.17. За відсутності вхідного імпульсного сигналу транзистор знаходиться в режимі відсікання; стан схеми визначається точкою спокою А. У колі колектора проходить незначний зворотний струм І_СЕ0, а тому напруга на виході ключа:

U_СЕ = Е_С – R_С І_СЕ0  Е_С .

В цифровій схемотехніці низький рівень інформаційного сигналу позначають індексом”0”(U ⁰, I⁰), а високий-“1” (U ¹ ,I ¹). Тому в режимі відсікання U ⁰_BX, a U ¹_ВИХ = U ¹_CE ≈ E_C.

У такому режимі інжекція неосновних носіїв через емітерний перехід практично відсутня, а заряд бази Q = 0.

Для того щоб відкрити ключ, на його вхід необхідно подати високий рівень вхідного сигналу U_BX>E_B.

При цьому транзистор може знаходитись в активному режимі або в насиченні.

Для того, щоб перевести транзистор в режим насичення (в замкнений або відкритий стан) необхідно забезпечити струм бази не менший за І_Bsat (рис. 4.17, точка Б). Параметр І_Bsat називають струмом бази на межі насичення. Амплітуда вхідного сигналу U ¹_BX = Е_B + U_BE.

Т очка Б відповідає режиму насичення. При цьому струм колектора досягає максимального значення – струму насичення І_Вsat, а напруга на колекторі зменшується до:

U ⁰_CE=U_{CE sat} = Е_C – І_{C sat} R_C ≈0

Цю напругу називають залишковою. Вона небажана, а тому необхідно, щоб вона була якомога меншою. У такому стані напруга на базі більша від напруги на колекторі: напруга колекторного переходу стає прямою і він відкривається. Починається інжекція носіїв з ко­лектора в базу. Таким чином, в режимі насичення електрони інжектують в базу з обох переходів – емітерного і колекторного.

У режимі насичення з подальшим збільшенням амплітуди вхідного сигналу (збільшенням струму бази I`<sub>В</sub> > І<sub>B sat</sub>) струм колектора майже не зростає (рис.4.17). Для запобігання впливу випадкових сигналів у режимі насичення значення керуючих імпульсів U <sup>1</sup><sub>ВХ</sub> вибирають такими, щоб забезпечити I<sub>B</sub>>І<sub>Bsat</sub>. Для кількісної оцінки глибини насичення використовують параметр, який називається коефіцієнтом насичення: К<sub>sat</sub> = I`_B / І_{B sat} , звідки умовою насичення є К_sat > 1 . Амплітуду вихідного сигналу визначають перепадом напруг колектора у вимкнутому (закритому) і ввімкнутому (відкритому) станах:

U_ВИХ = U_CE – U_Csat ≈Е_C .

Режим підсилення (активний режим) у даному випадку є короткочасним і реалізується при переході транзистора з режиму відсікання в режим стан насичення і у заворотному напрямі.

Особливістю ключового режиму (режиму відсікання і насичення) є некерованість колекторного струму транзистора.

Перехідні процеси. При практичному використанні транзисторів у ключовому режимі велике значення має тривалість процесів вмикання та вимикання, що визначає швидкодію апаратури. Швидкість перемикання залежить від процесів накопичення та розосередження нерівноважного та надлишкового зарядів у базі, і перезарядженнями ємностей емітерного та колекторного переходів. Ці процеси впливають також на форму вихідних імпульсів, що показано на часових діаграмах (рис.4.18).

Тривалість ввімкнення транзистора t_оп (перехід з режиму відсікання в режим насичення) визначають двома складовими:

t_оп = t_d + t_r ,

де t_d - час затримки; t_r – час наростання колекторного струму.

Тривалість затримки визначають як інтервал часу між моментом, коли вхідний імпульс досягнув 10% свого усталеного значення, та моментом, коли вихідний імпульс досягає 10% свого усталеного значення.

Тривалість наростання колекторного струму для БТ визначають інтервалом часу, протягом якого вихідний імпульс струму зростає від 10% до 90% свого усталеного значення.

Тривалість затримки визначають головним чином швидкістю наростання напруги емітерного переходу, що залежить від значення ємності переходу та прямого струму бази, тобто швидкістю розряду ємності емітерного переходу, а також тривалістю дифузії та дрейфу носіїв заряду через базу від емітерного до колекторного переходу. Тривалість наростання колекторного струму визначають швидкістю накопичення нерівноважного заряду в базі та швидкістю розряду ємності колектора.

При прямокутній формі імпульсу вхідного сигналу U ¹_ВЕ (рис.4.18,а) імпульс вихідного струму І_С появляється із затримкою t_d, а потім поступово наростає,досягаючи сталого значення за час t_r (рис.4.18, в). Тривалість увімкнення транзистора може мати значення від декількох наносекунд до декількох мікросекунд.

Крім описаних вище процесів на тривалість перемикання ключів на БТ виливають також ємність навантаження та вхідна еквівалентна ємність, яка складається з ємностей емітерного та колекторного переходів, а також з паразитної ємності монтажу.

Оскільки колекторний струм БТ є струмом екстракції неосновних носіїв з бази (у цьому випадку це електрони) і пропорційний заряду в базі, перехідні процеси аналізують за динамікою зміни цього заряду. Такий метод аналізу перехідних процесів називають методом заряду бази.

Під час дії відкриваючого позитивного стрибка напруги U ¹_ВХ у базі порушується стан рівноваги, із затримкою t_d відбувається накопичення нерівноважного заряду. За час t_r він досягає усталеного значення Q_sat. Оскільки відкривається колекторний перехід (транзистор переходить в режим насичення), починається накопичення нерівноважного заряду в базі внаслідок інжекції носіїв з колектора. Цей заряд знову збільшується, досягаючи до кінця вхідного імпульсу значення Q_sat (рис.4.18, г). Заряд нерівноважних носіїв в базі, який перевищує Q_sat , називають надлишковим.

Після закінчення вхідного сигналу в коло бази стрибком подається зворотна напруга. Як і в діодах формується стрибок зворотного струму бази великої амплітуди І_BR = E_B/R_B (рис.4.18,б).Але вихідний (колекторний) струм залишається без змін (І_{C sat}). Протягом деякого часу розосередження t_s він практично зберігає своє значення, тому що концентрація носіїв заряду в базі біля колекторного переходу ще залишається більшою від рівноважної Q(t)>Q_sat і колекторний перехід завдяки цьому залишається відкритим. Тривалість розосередження для БТ - це інтервал часу між моментом подачі на базу імпульсу запирання та моментом, коли струм колектора транзистора, зменшуючись, досягає заданого рівня (0,3 I_{C sat}).

Л ише після того, як надлишковий заряд біля колекторного переходу розосередиться внаслідок залишання бази носіями заряду і рекомбінації, транзистор з режиму насичення переходить в активний режим, струм колектора починає поступово спадати, досягаючи за час спадання t_f усталеного значення І_CE0. Тривалість спадання для БТ - це інтервал часу, протягом якого вихідний імпульс струму спадає від 90% до 10% від його усталеного значення. Протягом цього часу продовжується розосередження нерівноважного заряду бази і відбувається перезарядження ємності колекторного переходу.

Таким чином, тривалість вимкнення транзистора (t_off) визначають двома складовими: t_off = t_s + t_f . Тривалість вимкнення БТ визначають інтервалом часу між моментом подачі на вхід транзистора стрибка зворотної напруги і моментом, коли струм колектора зменшиться до значення, яке відповідає 10% від його амплітудного значення (0,1 I_{C sat}).

Повний цикл перемикання дорівнює: t = t_d + t_r + t_s + t_{f ,} він визначає розрізнювальний час.

Наведені часові параметри ключової схеми на БТ із СЕ дозволяють оцінити тривалість перехідних процесів, а відтак і швидкодію пристроїв. Ці параметри пов'язані з частотними параметрами транзисторів.

Прилади, які мають більше значення f_h21E, забезпечують меншу тривалість перехідних процесів, тобто використання високочастотних транзисторів дозволяє побудувати більш швидкодіючі пристрої. Цього можна досягти оптимальним вибором амплітуди вхідного сигналу, але треба враховувати, що при збільшенні амплітуди U¹_ВХ можна дещо зменшити t_оп, водночас це викличе збільшення накопиченого заряду в базі, а отже і зростання тривалості розосередження t_s.

Тривалість розрізнювального часу транзисторного ключа залежить від параметрів його компонентів і керуючих вхідних сигналів. Основними є параметри БТ. Ключові транзистори мають свою систему параметрів, яка відрізняється від підсилювальних транзисторів, що працюють в активному режимі. Але конструктивно-технологічні вирішення для забезпечення високої швидкодії ключових транзисторів, практично ті ж самі, що і для підсилювальних транзисторів з високою граничною частотою підсилення: зменшення ємності переходів, нерівноважного заряду бази, ефективної тривалості життя нерівноважних носіїв заряду, їх рухомості.

Завдяки винятково тонкій базі, що обумовлює малий заряд перемикання, високу швидкодію забезпечують планарні транзистори. При великій потужності розсіювання, малих зворотних струмах і низькому прямому опорі ці прилади мають високі допустимі імпульсні струми та напруги (до 150 А і 400 В).

Для збільшення швидкодії використовують різні схемні рішення. Наприклад, між базою і колектором вмикають НД, що забезпечує нелінійний зворотний зв'язок. У режимі відсікання і активному режимі на діоді діє зворотна напруга. Діод має великий опір і не впливає на роботу ключа. У режимі насичення діод відкривається, внаслідок чого забезпечується обмеження струму бази на рівні І_Bsat і накопичення заряду на рівні Q_sat. Це виключає збільшення нерівноважного заряду до рівня Q`_sat, а відповідно – тривалість розосередження. Зрештою тривалість вимикання t_off → t_f, що суттєво збільшує швидкодію ключа. Таке схемне рішення використовують у логічних ІМС з бар'єром Шотткі.

Доцільно побудувати модель ключа на БТ та провести дослідження в середовищі MS у відповідності із завданням, сформованим в роділі 4.13.1, завдання 5.