Динамические характеристики транзисторных ключей

Для безыскаженной передачи информации транзисторными ключами необходимо, чтобы все гармоники спектра прямоугольных импульсов или импульсной последовательности усиливались с одинаковым коэффициентом усиления и начальные фазовые сдвиги между гармониками не изменялись.

Это обеспечивается равномерной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) в рабочем диапазоне частот и линейно-возрастающей фазо-частотной характеристикой ФЧХ.

Искажения частотных характеристик обусловлено реактивными элементами схемы (снизу оказывает влияние , сверху – ). Кроме того в области верхних частот, сказывается влияние инерционных свойств самого транзистора. Эти свойства оцениваются его постоянной времени . Постоянная времени определяет граничную частоту усиления транзистора . Граничная частота усиления зависит от схемы включения транзистора:

(в раз).

Постоянные времени транзистора включенного по схеме с ОЭ и ОБ определяется выражениями:

; .

Соотношение между постоянными времени транзистора:

в ( раз), что обуславливает лучшие частотные свойства схемы с ОБ.

Если на вход ключа подать идеальные прямоугольные импульсы, то выходные импульсы будут искажены даже при отсутствии , эти искажения будут обусловлены инерционными свойствами транзистора.

Рассмотрим искажения импульсов транзисторным ключом, схема которого приведена на рис.2.32. Источник входных импульсов обеспечивает идеальную прямоугольную форму.

Осциллограммы, иллюстрирующие работу ключа, приведены на рис.2.33. Входная импульсная последовательность приведена на рис.2.33 (а). На интервале имеет место положительная амплитуда импульса ( ), величина которой больше , что обеспечивает режим отсечки (запирания) транзистора. При этом ток базы (рис.2.33 б), ток коллектора (рис.2.33 в) и напряжение коллектор-эмиттер .

В момент времени переключается на . Отрицательное напряжение открывает транзистор и через эмиттерно-базовый переход протекает ток , который должен ввести транзистор в режим насыщения . В силу малой ёмкости и шунтирующего действия открытого Э-Б перехода с малым сопротивлением ток базы изменяется по закону входной Э.Д.С. E (см. рис.2.33 б). В силу инерционности транзистора, за счёт его постоянной времени (схема с ОЭ), ток коллектора будет возрастать по экспоненциальному закону от начального значения (момент ) до некоторого кажущегося значения . Так бы происходило, если бы транзистор всё время работал в активной области, но спустя некоторое время он перейдёт в режим насыщения и ток коллектора достигнув значения (см. рис.2.33 в) не будет больше возрастать. Напряжение на выходе ключа , начиная с момента , будет изменяться от до , повторяя закон изменения тока , т.к. . При этом время выключения транзистора, это время за которое транзистор переходит из режима отсечки в режим насыщения, одинаково для тока и напряжения (см. рис.2.33 г). Для уменьшения времени выключения увеличивают коэффициент насыщения S, что увеличивает , значит . Однако, на увеличение S есть ограничения.

Рисунок 2.32 — Транзисторный ключ

Рассчитаем время включения транзистора .

Текущее значение тока коллектора определяется выражением:

Рисунок 2.33 — Осциллограммы работы транзисторного ключа

; где — постоянная времени транзистора с ОЭ;

.

; где ;

Подставив значение , получим:

;

За время , ток коллектора достигает значения .

После подстановки ; , получим:

.

С учётом того, что , получим

;

После преобразований, получим

,

откуда

; ;

; ;

.

Отсюда определим время включения.

.

поскольку

, т.к. ( );

Следовательно, при больших S обратная величина , тогда: ; (приближённая формула).

После изменяется постоянная времени транзистора и становится равной насыщения при этом .

После момента времени , транзистор вновь запирается, однако происходит задержка транзистора в режиме насыщения на время, определяемое временем рассасывания дырок в базе. Ток базы достигает значения (см. рис.2.33 б) и уменьшается до за время рассасывания. На такое же время задерживается ток коллектора и напряжение на коллекторе (рис.2.33 в,г).

Время рассасывания можно рассчитать теоретически.

После должен изменяться от величины до .

,

где .

Время можно определить аналогично времени .

За изменяется от до , тогда

,

;

Отсюда следует, что с увеличением S уменьшается , однако возрастает

( ), поэтому рекомендуют брать .

Определим время выключения . За это время ток коллектора спадает от до .

;

тогда суммарное время выключения по току коллектора .

Установим время выключения по напряжению . Оно существенно отличается от . На существенное влияние оказывает ёмкость ;

,

где – выходная ёмкость транзистора , – ёмкость монтажа, – ёмкость нагрузки (см. рис.2.34).

Как правило, порядка 10¸100пф.

Постоянная времени заряда конденсатора равна , следовательно, задержка заднего фронта определяет время выключения .

Поскольку , то время выключения по напряжению , . Для проектирования более быстродействующих схем необходимо использовать в качестве переключающей функции .

Рисунок 2.34 — Определение времени выключения ключа по напряжению

ВЫВОДЫ:

1. В схемах транзисторных ключей выходные импульсы U и I являются задержанными по отношению к входным импульсам.

2. Время задержки переднего фронта пропорционально и обратно пропорционально , . Время включения по и одинаково.

3. Время выключения ; пропорционально транзистораи коэффициенту насыщения , поэтому его принимают менее .

4. , т.к. определяется . Для его уменьшения рекомендуют ставить .

МУЛЬТИВИБРАТОРЫ