Транзисторы в ключевом режиме работы

Одним из наиболее распространенных элементов импульсных и дискретных устройств является транзисторный ключ. Электронные ключи используются для коммутации электрических сигналов. Они бывают аналоговые и цифровые. [Пояснить разницу]. В качестве ключа могут использоваться как БТ, так и ПТ. Транзисторный ключ имеет два основных состояния: разомкнутое (транзистор заперт) и замкнутое (БТ в состоянии насыщения или близком к нему, ПТ имеет минимальное сопротивление.). В активном режиме транзистор работает только в течение короткого времени перехода из одного состояния в другое.

На рис. 4.13, а приведена простейшая схема цифрового ключа на БТ. Транзистор включен по схеме с общим эмиттером, однако имеет совершенно другие режимы работы, чем в усилительном каскаде.

Статические свойства ключа удобно отображать с помощью передаточной характеристики (рис. 4.13, б).

В дискретных схемах обычно установлены пороговые уровни логического нуля U_L (low – низкий) и логической единицы U_H (high – высокий). В схеме ключа должны выполняться условия:

U_вых ≥ U_H при U_вх ≤ U_L;

U_вых ≤ U_L при U_вх ≥ U_H. (4.4)

Статические состояния, при которых входное или выходное напряжения соответствуют условию U_L < U < U_H, считаются запрещен­ными. Требования (4.4) принято выполнять с запасом для обеспечения помехоустойчивости.

При открытом состоянии ключа транзистор должен быть в состоянии насыщения, при этом оба его перехода смещены в прямом направлении. Условие насыщения имеет вид:

h_21ЭI_б > I_кн, (4.5)

где I_б – базовый ток; I_кн – коллекторный ток в режиме насыщения.

Токи в выражении (4.5) определяются следующим образом:

(4.6)

где U_кэн – напряжение коллектор-эмиттер насыщенного транзистора. Обычно величина U_кэн не превышает десятков – сотен мВ, поэтому в (4.6) ею можно пренебречь.

Степень выполнения неравенства (4.5) учитывается коэффициентом насыщения k_н = h_21Э I_б/I_кн. Обычно k_н устанавливается равным 2 – 3 для надежного открывания ключа и обеспечения помехоустойчивости открытого состояния.

Величина R_к выбирается достаточно малой, чтобы обеспечить быстрый перезаряд барьерной и паразитных емкостей при переключении, однако так, чтобы величина коллекторного тока была не слишком велика. Кроме того, необходимо учитывать величину сопротивления нагрузки R_н. Соотношение между R_к и R_н определяет уровень выходного напряжения в закрытом состоянии:

Запас помехоустойчивости закрытого ключа определяется входной характеристикой транзистора. При комнатной температуре наибольшее входное напряжение кремниевого транзистора, при котором он еще остается надежно закрытым, составляет примерно 0,4 В. При необходимости повышения запаса помехоустойчивости можно выполнить базовую цепь в виде делителя напряжения (рис. 4.14, а). Более эффективным является включение последовательно с базой одного или нескольких диодов (рис. 4.14, б), при этом следует ввести дополнительный базовый резистор R_бэ >> R_б для обеспечения цепи протекания обратного тока коллектора. Применяется также подача запирающего напряжения смещения U_см (рис. 4.14, в).

Динамические свойства ключей являются существенными при высокой частоте переключения. Различают несколько временных интервалов, характеризующих работу ключа в импульсном режиме (рис. 4.15). Длительности среза t_c и фронта t_ф выходного сигнала обычно фиксируются на уровне 10 и 90 % от максимального выходного напряжения U_m. Их значения определяются в основном процессами перезаряда паразитных емкостей, складывающихся из емкостей переходов и монтажа, причем длительность фронта существенно больше, поскольку ток перезаряда при запирании транзистора ограничен величиной R_к. Время рассасывания неосновных носителей в базе t_р зависит от тока базы и степени насыщения транзистора. Величина t_р играет основную роль в задержке фронта.

Обычно быстродействие ключей характеризуют усредненным параметром: так называемой задержкой распространения сигнала:

где t_зс и t_зф – интервалы времени между скачком входного напряжения и моментом пересечения выходным напряжением уровня 0,5 U_m соответственно на спаде и на фронте импульса.

Основные методы повышения быстродействия ключей:

1. Уменьшение размеров транзисторов, что приводит к уменьшению барьерных емкостей.

2. Увеличение токов для быстрого перезаряда емкостей.

3. Использование форсирующего конденсатора в цепи базы (рис. 4.16, а). В момент отпирания транзистора в базу на короткое время подается увеличенный ток, в то же время стационарный ток базы остается неизменным. Это позволяет ускорить процесс заряда барьерных емкостей, не увеличивая степень насыщения транзистора. При спаде входного напряжения до нуля на базе формируется отрицательный выброс, что ускоряет рассасывание носителей в базе.

4. Предотвращение глубокого насыщения транзистора при помощи диода Шоттки (рис. 4.16, б). У диодов Шоттки переход выполнен на основе контакта металл – полупроводник. Они характеризуются весьма малым накоплением заряда и низким по сравнению с обычными кремниевыми диодами прямым падением напряжения (около 0,3 В). При открывании транзистора и входе его в режим насыщения выполняется условие U_кэн < U_бэ, вследствие чего диод Шоттки открывается, и часть входного тока ответвляется в цепь коллектора, за счет чего транзистор удерживается на границе активного режима. Недостатком этого метода является увеличенное напряжение ключа в открытом состоянии (порядка 0,4 – 0,5 В).

Ключи на полевых транзисторах используются для коммутации как аналоговых, так и цифровых сигналов. Аналоговые ключи на ПТ будут рассмотрены позднее – в разделе схемотехники. В простейшем цифровом ключе ПТ включен по схеме с ОИ. Чаще всего используется МОП-транзистор с индуцированным каналом (пояснить, почему).

Для ключей на ПТ характерны следующие свойства:

─ малое остаточное напряже­ние на открытом ключе;

─ высокое сопротивление закрытого ключа;

─ малая мощность в цепи управляющего напряжения;

─ возможность коммутации электрических сигналов очень малого уровня (порядка микровольт).

По быстродействию ключи на ПТ близки к ключам на БТ.

ПТ как ключи характеризуются следующими показателями.

Входное сопротивление(по цепи затвора) ключей на ПТ с управляющим р-п-переходом при малой частоте коммутации составляет около 10⁸ – 10⁹ Ом, у МОП-транзисторов – около 10¹² – 10¹⁴ Ом. С повышением частоты входное сопротивлениеуменьшается вследствие влияния емкостей С_зс, С_зи.

Сопротивление закрытого ключа на ПТ в области низких частот достаточно велико. Ориентировочно можно принятьсопротивление закрытого ключа на транзисторе с управляющим р-n-переходом не менее 10⁸ Ом, на МОП-транзисторе – порядка 10¹⁰ – 10¹² Ом.

Типичное сопротивление канала открытого ключа на ПТ (при U_ЗИ = 0 у ПТ с управляющим р-n-переходом и максимально большим U_ЗИ у МОП-транзисторов) составляет от 20 до 200 Ом.

Глава 5. ТИРИСТОРЫ

Тиристор – полупроводниковый прибор, имеющий три (или более) выпрямляющих перехода и два устойчивых состояния: закрытое (не пропускает ток) и открытое (низкое сопротивление, проводит ток). Различают диодные (неуправляемые) и триодные (управляемые) тиристоры. Диодный тиристор называют динистором, а триодный – тринистором. В практике чаще всего под тиристором понимают именно управляемый тиристор, т.е. различают динисторы и тиристоры.

Динисторпредставляет собой двухполюсную четырех­слойную p-n-p-n-структуру (рис. 5.1). Электрод, соединенный c внешней n-областью – катод, а с внешней р-областью – анод.

Динистор можно предста­вить в виде двухтранзисторной структуры (рис. 5.2). Такие структуры, собранные из отдельных транзисторов, можно встретить в схемотехнической практике.

При малых значениях внешнего напряжения при любой полярности в цепи есть по крайней мере один обратно смещенный переход, поэтому ключ разомкнут. Однако если в структуре появляется электрический ток по любой причине (их может быть несколько, еще увидим), возникает лавинообразный процесс включения прибора.

При подаче напряжения между анодом (А) и катодом (К) в прямом направлении оба транзистора будут закрыты, так как базовые токи их будут отсутствовать. При увеличении напряжения до величины, при которой начинается лавинный пробой, например, коллекторного перехода транзистора VT1, во входной цепи транзистора VT2 потечет базовый ток I_к1. Под действием этого тока в коллекторной цепи транзистора VT2 потечет ток β₂ I_к1, где β₂ – коэффициент передачи по току транзистора VT2. Но этот ток является базовым для транзистора VT1, он усиливается в β₁ раз. Тогда в выходной коллекторной цепи транзистора VT1 потечет коллекторный ток I_к1 = β₁ β₂ I_к1, и он весь течет в базу VT2. Процесс взаимного усиления токов продолжается до тех пор, пока оба транзистора не войдут в режим насыщения, что соответствует включению динистора.

ВАХ динистора приведена на рис. 5.3. При увеличении внешнего напряжения ток в цепи сначала изменяется незначительно (участок 1). При дальнейшем увеличении напряжения возникает лавинное размножение носителей заряда, что то вызывает дальнейший рост коллекторного тока. Этому процессу соответствует участок 2 с отрицательным дифференциальным сопротивлением. В результате динистор открывается, падение напряжения на нем незначительно, все напряжение источника прикладывается к внешнему резистору R (см. рис. 5.1). После переключения ВАХ аналогична ветви характеристики диода, смещенного в прямом направлении (участок 3).

При подаче на анод отрицательного напряжения не возникает условий для открытия динистора и через него протекает небольшой обратный ток. Динистор ведет себя как обычный диод при обратном напряжении.

Главный параметр динистора – напряжение включения U_вкл. Кроме того, динистор характеризуется минимально допустимым значением прямого тока, при котором прибор будет открыт. Если уменьшать ток через прибор, то при некотором значении тока, называемом током удержания (I_уд), начинается резкое уменьшение тока, и динистор переходит обратно в закрытое состояние, на участок 1.

Показать простейший пример применения динистора в генераторе импульсов.

Тиристор. В отличие от динистора у него имеется вывод от одной из баз – управляющий электрод (рис. 5.4). В двухтранзисторной эквивалентной схеме он соответствует выводу от базы VT2 (рис. 5.5).

Если подключить источник управляющего напряжения между управляющим электродом (УЭ) и катодом, то появится ток управления, который при определенной величине приводит к лавинообразному нарастанию тока в ПП-структуре до тех пор, пока он не будет ограничен резистором в цепи источника питания. Произойдет включение тиристора. [Вот и вторая причина появления тока в четырехслойной структуре].

Если подключить источник управляющего напряжения между управляющим электродом (УЭ) и катодом, то появится ток управления, который при определенной величине приводит к лавинообразному нарастанию тока в ПП-структуре до тех пор, пока он не будет ограничен резистором в цепи источника питания. Произойдет включение
тиристора. [Вот и вторая причина появления тока в четырехслойной структуре].

На рис. 5.4, а и 5.5 показан так называемый тиристор, управля­емый по катоду, т.к. отпирающее напряжение подается между УЭ и К. Его УГО – на рис. 5.4 б. Это наиболее распространенный вариант. Возможен также вариант тиристора, управляемого по аноду, у него УЭ соединяется с областью n₁, и отпирающее напряжение подается между А и У. Соответствующее УГО – на рис. 5.4, в.

После того, как тиристор включился, он сам себя поддерживает в открытом состоянии за счет внутренней обратной связи, и источник управления уже оказывается ненужным. Таким образом, для включения тиристора достаточен очень короткий импульс управления.

Для того, чтобы выключить тиристор, необходимо прервать ток, протекающий в его силовой цепи (или уменьшить ток до величины, меньшей тока удержания), на короткий промежуток времени, достаточный для рассасывания неосновных носителей в зонах полупроводника и восстановления закрытого состояния. Чтобы снова включить тиристор, необходимо снова подать в цепь управления ток.

Таким образом, тиристор представляет собой бесконтактный ключ, который может быть только в двух устойчивых состояниях: выключен, либо включен. Перевести тиристор в проводящее состояние можно при наличии одновременно двух факторов: положительный потенциал анода относительно катода и подача управляющего сигнала в виде тока в цепи управляющего электрода. Если хотя бы один из этих факторов отсутствует, то тиристор будет оставаться в закрытом состоянии. Выключить тиристор по цепи управления нельзя, поэтому его называют частично управляемым вентилем.

Вольт-амперная характеристика тиристора представлена на рис. 5.6. Сравнить с ВАХ динистора. Чем больше ток управления, тем меньше напряжение включения. Ток управления, при котором тиристор переходит на спрямленный участок вольт-амперной характеристики (показано на рис. пунктиром) называют током включения.

При изменении полярности приложенного к тиристору напряжения, эмиттерные p-n-переходы будут смещены в обратном направлении, тиристор будет закрыт, а вольт-амперная характеристика будет представлять собой обратную ветвь ВАХ обыкновенного диода.

Из-за частичной управляемости обычный тиристор иногда называют однооперационным тиристором. Позже мы увидим, что существуют и двухоперационные (запираемые) тиристоры

Показать в качестве простейшего примера применение тиристоров в управляемом выпрямителе.