Ключи на полевых транзисторах. Особенности работы и отличие ключей на биполярных транзисторах. Способы повышения быстродействия

Ключевые схемы на биполярных транзисторах.

Особенности работы биполярного транзистора в ключевом режиме. Факторы влияющие на быстродействие и способы повышения быстродействия .

Статический режим:

Ключевая cxема в статическом режиме описывается статической передаточной

характеристикой Uвых = f(Uвх)

Область отсечки

При входном напряжении Uвх отрицательной полярности (Uвх < 0) эмиттерный переход

смещен в обратном направлении, транзистор работает в области отсечки (разомкнутое

состояние ключа), ток в коллекторной цепи очень мал (Iкбо порядка 10 мкА), а

напряжение

Uвых = Eк - Iкбо Rк ~ Eк (1)

близко к напряжению питания Ек.

Активная область

Когда напряжение на базе станет положительным и равным напряжению отпирания

транзистора Uотп, эмиттерный переход открывается и транзистор переходит в активную

область. Выходное напряжение определяется соотношением

UВЫХ=Ек–Iк*Rк=Ек–B*Iботп*Rк, (2)

где В - коэффициент усиления базового тока, а

Iботп = (Uвх – Uотп) / Rб (3)

отпирающий базовый ток.

Область насыщения

При достаточно большом положительном напряжении Uвх, когда выполняется условие

насыщения транзистора

В*Iботп ≥ Iкн, (4)

транзистор входит в режим насыщения (режим двойной инжекции), что соответствует

замкнутому состоянию ключа. В режиме насыщения напряжение на коллекторе

транзистора мало (Uост = 0,05..0,1 В), а ток насыщения коллектора определяется

формулой

Iкн = (Eк – Uост) / Rк ≈ Eк / Rк (5)

Чтобы транзистор не выходил из режима насыщения при изменении его параметров,

неравенство (4) должно быть достаточно сильным. Для количественной оценки силы

неравенства (4) вводят параметр S - степень насыщения

S = (B*Iботп) / Iкн . (6)

Значение S = 1 соответствует границе между режимами насыщения и активным. Базовый

ток, соответствующий границе насыщения

Iбгр = Iкн / B . (7)

На границе насыщения напряжение на коллекторном переходе транзистора Uбк = 0; при S

> 1 коллекторный переход смещается в прямом направлении (Uбк > 0).

Переходный режим:

При ступенчатом изменении входного напряжения в схеме ключа происходят переходные

процессы, которые характеризуются следующими временными интервалами:

tз - задержка фронта;

tфp - время фронта,

tн - время накопления избыточного заряда;

tp - время рассасывания избыточного заряда;

tcp - время среза.

Временные диаграммы токов и напряжений в ключе при ступенчатом изменении

входного сигнала показаны ниже

Задержка фронта. Задержка фронта обусловлена зарядом входной емкости запертого

транзистора Свх до напряжения отпирания Uотп. Время задержки фронта определяется

следующим выражением

tз = Свх*Rб*ln( (E1 + E2)/(E2 – Uотп) ) , (8)

где входная емкость Свх равна сумме барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного

переходов транзистора:

Свх = Сэ + Ск(э) . (9)

Формирование фронта. На этапе формирования фронта транзистор работает в активном

режиме. В базовой цепи протекает отпирающий ток Iботп, а ток коллектора

экспоненциально нарастает

Iк(t)=B*Iботп*( 1 – exp(-t/ôв) ) , (10)

где ôв - эквивалентная постоянная времени, характеризующая скорость нарастания

коллекторного тока.

ôв = ôâ + ôк

ôâ - время жизни неосновных носителей в базе;

ôк = Ск(э)*Rк - постоянная времени коллекторной цепи транзистора, включенного по

схеме с ОЭ.

Формирование фронта заканчивается, когда ток коллектора достигает значения Iкн.

Длительность фронта выражается следующим образом:

tфр = ôв*ln( B*Iботп / (B* Iботп – Iкн) ) . (11)

Накопление избыточного заряда. В конце этапа формирования фронта транзистор

оказывается на границе области насыщения. После этого начинается процесс накопления

избыточного заряда в базовом и коллекторном слоях транзистора. Поскольку внешние то-

ки транзистора на данном этапе практически не изменяются, заряд накапливается

благодаря термогенерации носителей, следовательно, скорость накопления определяется

средним временем жизни носителей в базовом и коллекторном слоях ôср. Процесс

накопления заряда заканчивается через время tн= 3*ôср, которое называют временем

накопления, при достижении величины заряда Q = Iботп*ôср.

Рассасывание избыточного заряда. При переключении входного напряжения от значения

Е2 до значения - Е1, заряд, накопленный в базовом и коллекторном слоях, не может

измениться скачком, следовательно, не изменятся мгновенно и напряжения на

эмиттерном и коллекторном переходах. В момент переключения входного сигнала на

обоих переходах сохраняются прямые смещения, близкие к напряжению отпирания

Uотп. Ток базы изменит направление и примет значение

Iбобр = ( - E1 – Uотп) / Rб . (12)

Скачок базового тока от значения Iботп до Iбобр (обратный базовый ток) вызывает

рассасывание заряда со скоростью, определяемой постоянной времени ôср. На этапе

рассасывания заряда ток коллектора и напряжение на коллекторе не меняются. Оконча-

ние этапа рассасывания характеризуется тем, что концентрация избыточных носителей

на границе базы с коллектором падает до нуля и на коллекторном переходе

восстанавливается обратное напряжение (Uбк < 0). После этого начинают уменьшаться

коллекторные ток и напряжение. Длительность стадии рассасывания определяется

выражением:

tр = ôср*ln( (Iботп – Iбобр) / (Iбгр – Iбобр) ) . (13)

Формирование среза. По окончании этапа рассасывания начинается стадия

формирования среза (tcp), которая заканчивается запиранием транзистора. При малых

запирающих токах длительность стадии среза определяется формулой:

tcp=ôв*ln(l + Iбгр / Iбобр) .

Iбобр

При большом значении запирающего тока (Iбобр ≈ Iкн) транзистор оказывается в режиме

динамической отсечки, при котором оба перехода смещены в обратном направлении, а в

базе в течение некоторого времени сохраняется остаточный заряд. В этом случае

формирование среза выходного напряжения происходит с постоянной времени отсечки:

ôотс ≈ 0,25*tпр + Ск*Rк ,

где tпр - время пролета носителей заряда через базу. Время среза выражается

соотношением

tcp = 2,З*ôотс .

Уменьшить время переходных процессов удается путем введения в цепь управления

форсирующего конденсатора Суск (рис.4), который позволяет увеличить токи базы Iботп

и Iбобр на короткий промежуток времени, в то время как стационарные токи базы

практически не меняются.

Ключи на полевых транзисторах. Особенности работы и отличие ключей на биполярных транзисторах. Способы повышения быстродействия .