- •Тема 8. Транзисторная схемотехника.
- •8.1 Транзистор в линейном режиме.
- •Если теперь учесть, что на базу транзистора кроме постоянного
- •Для аналитического описания зависимости Iк отUбэ, часто используют
- •8.2Включение транзистора по схеме с общей базой.
- •8.3.Сравнительный анализ и применение схем включения транзисторов.
- •8.4.Электронные ключи.
- •8.4.1.Транзисторные ключи.
- •Из рис 2.8.6 видно, что при достаточно большом напряжении на затворе
- •8.4.3.Ключи на мдп-транзисторах.
8.4.1.Транзисторные ключи.
Транзисторные ключи (ТК) являются одним из наиболее распространенных элементов импульсных устройств. На их основе создаются триггеры, мультивибраторы, коммутаторы, блокинг-генераторы и т.д.
В зависимости от целевого назначения ТК и особенностей его работы схема ТК может несколько видоизмениться. Но, несмотря на это, в основе всех модификаций лежит изображенная на рис. 2.6,а транзисторная ключевая схема.

В ТК транзисторы работают в нескольких качественно различных режимах, которые характеризуются полярностями напряжений на переходах транзисторов.
Принято различать следующие режимы работы ключа: режим отсечки, нормальный активный режим, инверсный активный режим, режим насыщения.
Транзисторный ключ по своей схеме подобен транзисторному усилителю с ОЭ. Однако по выполняемым функциям и соответственно режимам работы активного элемента он существенно отличается от усилительного каскада.
ТК выполняет функции быстродействующего ключа и имеет два основных состояния: разомкнутое, которое соответствует режиму отсечки транзистора (транзистор закрыт), и замкнутое, которое характеризуется режимом насыщения транзистора или режимом, близким к нему.
В Течение процесса переключения транзистор работает в активном режиме. В целом процессы
в ключевом каскаде носят нелинейный характер.
Статические характеристики ТК. Поведение ТК в статическом режиме полностью определяется статическими характеристиками транзистора. При их анализе обычно используют семейство выходных коллекторных характеристик Iк=f(Uкэ) (рис. 2.6.б) семейство входных характеристик Iб=f(UбЭ) (рис. 2.6.в.)
Режим отсечки характеризуется обратным смещением коллекторного и эмиттерного переходов транзистора: Uвх>0. Область отсечки практически совпадает с самой нижней кривой семейства коллекторных характеристик, которая иногда называется характеристикой отсечки.
Характеристика отсечки снимается при разорванной цепи эмиттера (Iэ=0), тогда ток коллектора Iк=IКбО=-Iб. Показано, что IКбО=IЭбО.
В
ыражения
для коллекторного и эмиттерного тока
транзистора имеют вид:
где h21б - коэффициент передачи тока коллектора при включении транзистора по схеме с общей базой, h21б1 - коэффициент передачи тока коллектора при инверсном включении транзистора, m=2...4, φ - потенциальный барьер перехода, Т -абсолютная температура.
А=1- h21бh21б1.
В режиме глубокой отсечки выполняются условия │UЭб│>mφ и │UКб│>mφ, поэтому соответствующие напряжения имеют знак минус (переходы смещены в обратном направлении). Это позволяет пренебречь экспоненциальными членами и упростить выражения
Iк=1/А[-h21б1IЭбО+IКбО] (2.1)
Iэ=1/А[-IЭбО+ h21б1IКбО] (2.2)
Так как для транзисторов, работающих в любом режиме, справедливо соотношение
h21бIЭбО=h21бIКбО
то
IЭбО≈IКбО (2.3)
Подставив (2.3) в выражения (2.1 )и {2.2), получим:
Iк=1/А[-h21б1IКбО+IКбО] (2.4)
Iэ=1/А[h21б1/h21IКбО+h21б1IКбО] (2.5)
Преобразуем выражения (2.4), и (2.5) учитывая, что обычно выполняются условия h21б1<<h21б иh21б→1:
Iк=IКбО(1-h21б1)/1-h21бh21б1≈IКбО(1-h21б1)/1-h21б1=IКбО
Iэ= -IКбОh21б1(1-h21б1)/(1-h21бh21б1)h21б≈ -IКбОh21б1(1-h21б1)/(1-h21б1)h21б= -IКбОh21б1/h21б
Таким образом, в режиме глубокой отсечки в цепи коллектора протекает ток IКбО, а в цепи эмиттера - ток - -IКбОh21б1/h21б.
Так как инверсный коэффициент передачи базового тока h21б1<< h21б, то ток в цепи эмиттера мал и в первом приближении его считают равным нулю. Тогда ток базы в режиме глубокой отсечки приблизительно равен току коллектора:
Iб=Iэ-Iк≈ -IКбО
Режим насыщения имеет место при прямом смещении обоих переходов транзистора. При этом падения напряжения на переходах, как правило, не превышают нескольких милливольт (при Т =300 К, φ = 25 мВ).
На коллекторных характеристиках транзистора область насыщения характеризуется линией насыщения ОН (рис. 2.6,б). Каждой точке этой линии соответствует некоторое значение напряжения Uкэ=UкНАС и тока Iк = IкНАС. Ток IкНАС называется коллекторным током насыщения. Как видно из характеристик, эти величины связаны между собой линейной зависимостью
Rнас=Rт= UкНАС /IкНАС,
где Rнас - сопротивление насыщенного транзистора. Значения Rнас, определяются крутизной линии насыщения. Обычно оно достаточно мало (например, у транзистора КТ504 Rнас≈50 Ом). Каждой точке линии насыщения соответствует некоторое граничное значение тока базы
Iб=Iб НАС, при котором транзистор входит в насыщение.
Входную цепь транзисторного ключа характеризуют следующие параметры:
1) Входной ток закрытого транзистора.
2) Напряжение управления, необходимое для надежного запирания транзистора.
3) Минимальный перепад управляющего сигнала, необходимый для обеспечения надежного запирания транзистора.
4) Входное сопротивление транзистора в открытом состоянии (или напряжение необходимое для обеспечения надежного открытого состояния).
Выходными параметрами ТК являются:
1. Выходное сопротивление ключа Rвых (Rк при закрытом и Rнас при открытом транзисторе).
2. Максимальный ток открытого ключа (равен току насыщения).
3. Минимальное (остаточное) напряжение на коллекторе транзистора в открытом состоянии Rкэ нас (десятые доли вольт).
4. Максимальное напряжение на коллекторе закрытого транзистора Uкэ зак=Ек-IКбОRк
5. Коэффициент использования напряжения источника питания КЕ=(Uкэ зак-Uкэ нас)/Ек.
8.4.2.Ненасыщенные ключи.
Если необходимо получить максимальное быстродействие, транзистор не вводят в режим глубокого насыщения. Такие ключи называют ненасыщенными. В них транзистор работает на границе активной области, а для предотвращения насыщения вводят нелинейную обратную связь, например, так, как показано на рис. 2.7.

Основной смысл введения обратной связи заключается в фиксировании потенциала коллектора относительно потенциала базы. Другими словами, необходимо обеспечить, чтобы этот потенциал всегда оставался отрицательным. Положительный потенциал характерен для режима насыщения.
Если бы диод был идеальным (рис. 2.7,а) и открывался при близком к нулю прямом напряжении, то источник смещения можно было бы не подключать. Учитывая, что диод открывается только при напряжений U = 0,3... 0,4 В, приложенном в прямом направлении, ЭДС источника смещения Есм выбирают порядка 0,4...0,6 В.
При отпирании транзистора диод будет закрыт до момента, пока потенциал его коллектора не станет равным значению, при котором диод открывается. С момента открытия диода все приращение коллекторного тока идет через него в цепь базы и замыкается через источник входного сигнала. Это уменьшает ток базы приблизительно в 1+h21Э раз. В итоге избыточный заряд, накапливаемый в базе транзистора, будет много меньше, чем при включении его в обычную схему насыщенного ключа.
Если теперь подать на вход запирающий импульс ∆I, то он почти полностью пойдет в базу транзистора, так как сопротивление участка база-эмиттер значительно меньше сопротивления участка цепи диод - резистор Rк. При этом в течение определенного времени приращение коллекторного тока происходит по-прежнему через открытый диод в базу транзистора (рис. 2.7,6). Это приращение накладывается на управляющий импульс, вызывая его уменьшение до момента закрытия диода. Уменьшение накопленного, в базе заряда приводит к тому, что время задержки, обусловленное рассасыванием накопленных неосновных носителей заряда, близко к нулю.
