Сравнительный анализ и применение схем включения транзисторов

Сопоставим параметры трех основных схем включения транзисторов, присваивая им соответствующие индексы. Итак,

1)К_{U ОЭ}>К_{U Об}>К_{U ОК}, причем К_{U ОЭ}, К_{U Об}>1; К_{U ОК}<1;

2)К_{I ОК}>К_{I ОЭ}>К_{I Об}, причем К_{I ОК,} К_{I ОЭ}>1; К_{I Об}<1;

3)Кр у всех трех схем больше 1;

4)Δφ _ОЭ=180º, Δφ _Об= Δφ _ОК=0;

5)Rвх ок>Rвх оэ>Rвх _Об;

6)Rвых _Об >Rвых оэ>Rвых ок;

7)f_НГР ок< f_НГР оэ< f_{НГР Об};

8)f_ВГР ок> f_ВГР оэ> f_{ВГР Об};

отсюда для полосы пропускания Δf=f_ВГР-f_НГР:

9)Δf ок> Δf оэ> Δf _Об.

Сравнительный анализ параметров приводит к выводу о том, что схема с ОБ во многих отношениях уступает схеме с ОЭ. Этим обусловлен тот факт, что для усиления сигналов обычно применяют транзисторные схемы с общим эмиттером.

Схема с общей базой предпочтительнее лишь в случае, когда надо при небольшом усилении иметь нулевой сдвиг фаз при прохождении сигнала. Разумеется, этот результат можно обеспечить и при последовательном соединении двух схем с общим эмиттером

(Δφ=Δφ₁+Δφ₂=180º+180º=360º=0º), но такое схемотехническое решение неэкономично. Схема с ОК в силу своей специфики (Кu<1) используется только как усилитель тока (при этом в эмиттерную цепь включают обмотку трансформатора, катушку электромагнита или другой "токовый" элемент и схема отличается от изображенной на рис. 2.4). Чаще схему используют в качестве "буферного" каскада, включаемого между усилителем или генератором, с одной стороны, и низкоомной нагрузкой - с другой (например, выходной каскад измерительного прибора). При этом реализуются сразу несколько свойств схемы: сигнал при прохождении через схему с ОК мало меняется по амплитуде (Кu<1, причем подбором величин S и Rэ удается обеспечить Кu=0,8...0,9 и выше) и не меняется по фазе (Δφ=0), иначе говоря, выходной сигнал "повторяет" входной, высокоомное Rвх исключает щунтирование предыдущего каскада, а низкоомное Rвых позволяет подключить любую нагрузку. По этому своему основному применению схему с ОК обычно называют эмиттерным повторителем ("эмиттерным" - потому что выходной сигнал снимается с эмиттера). Раньше часто использовался также другой удачный термин - "трансформатор сопротивлений", употребляемый в настоящее время очень редко.

В завершение отметим, что наряду с рассмотренными выше тремя схемами в транзисторной схемотехнике используется несколько десятков их модификаций, отличающихся составом элементов, способами питания транзисторов, подачи входного и съема выходного сигналов, параметрами и характеристиками.

Электронные ключи.

Рассмотренные схемы включения транзисторов применяются в основном для усиления сигналов. При этом одним из требований является отсутствие нелинейных искажений при передаче сигнала. Это достигается в случае, если транзистор остается в линейном режиме во всем диапазоне значений сигнала. Кроме линейного режима у активных элементов имеются также два предельных режима - когда элемент полностью закрыт (режим отсечки) и когда элемент полностью открыт (у транзисторов этот режим называется режимом насыщения).

В ряде задач необходимо скачком переводить транзистор из одного предельного режима в другой, быстро проходя через линейный режим. Схемы, построенные на таком использовании транзисторов, называются, электронными ключами (ЭК).

Электронные ключи используют в импульсной технике для коммутации сигналов в различных электрических цепях. В частности, они входят в состав многих схем импульсного типа, а именно схем, работающих в режимах переключения токов или напряжений. Наиболее часто ключевые схемы выполняют на транзисторах и диодах. В ряде случаев, в основном в исполнительных устройствах, применяют тиристоры.

Ключевую цепь можно рассматривать как нелинейный четырехполюсник, управляемый или от внешнего источника энергии, или самим входным сигналом (рис. 2.5,а), Характеризуя свойства ЭК, вводят понятие околопороговой области, под которой понимают те значения входного сигнала, при которых сопротивление ключа резко изменяется (рис. 2,5,6).

При анализе работы ключей и их практическом использовании необходимо знать следующие параметры:

1. Быстродействие ключа, которое характеризуется длительностью его переключения.

2. Пороговое напряжение ЭК - напряжение, в окрестностях которого сопротивление ключа резко меняется.

3. Чувствительность электронного ключа, под которой обычно понимают минимальный перепад сигнала, в результате действия которого происходит, бесперебойное переключение ключа.

4. Помехоустойчивость ЭК, которая является характеристикой чувствительности электронного ключа к воздействиям импульсов помехи.

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 I_б=f(U_бЭ) (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=I_КбО=-I_б. Показано, что I_КбО=I_ЭбО.

Выражения для коллекторного и эмиттерного тока транзистора имеют вид:

где h_{21б -} коэффициент передачи тока коллектора при включении транзистора по схеме с общей базой, h_21б1 - коэффициент передачи тока коллектора при инверсном включении транзистора, m=2...4, φ - потенциальный барьер перехода, Т -абсолютная температура.

А=1- h_21бh_21б1.

В режиме глубокой отсечки выполняются условия │U_Эб│>mφ и │U_Кб│>mφ, поэтому соответствующие напряжения имеют знак минус (переходы смещены в обратном направлении). Это позволяет пренебречь экспоненциальными членами и упростить выражения

Iк=1/А[-h_21б1I_ЭбО+I_КбО] (2.1)

Iэ=1/А[-I_ЭбО+ h_21б1I_КбО] (2.2)

Так как для транзисторов, работающих в любом режиме, справедливо соотношение

h_21бI_ЭбО= h_21бI_КбО

то

I_ЭбО≈I_КбО (2.3)

Подставив (2.3) в выражения (2.1 )и {2.2), получим:

Iк=1/А[-h_21б1I_КбО+I_КбО] (2.4)

Iэ=1/А[h_21б1/ h₂₁I_КбО+ h_21б1I_КбО] (2.5)

Преобразуем выражения (2.4), и (2.5) учитывая, что обычно выполняются условия h_21б1<< h_21б и h_21б→1:

Iк=I_КбО(1- h_21б1)/1- h_21б h_21б1≈ I_КбО(1- h_21б1)/1- h_21б1=I_КбО

Iэ= -I_КбО h_21б1(1- h_21б1)/(1- h_21б h_21б1) h_21б≈ -I_КбО h_21б1(1- h_21б1)/(1- h_21б1) h_21б= - I_КбОh_21б1/ h_21б

Таким образом, в режиме глубокой отсечки в цепи коллектора протекает ток I_КбО, а в цепи эмиттера - ток - - I_КбОh_21б1/ h_21б.

Так как инверсный коэффициент передачи базового тока h_21б1<< h_21б, 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:

I_б=Iэ-Iк≈ -I_КбО

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=Uк_НАС и тока Iк = Iк_НАС. Ток Iк_НАС называется коллекторным током насыщения. Как видно из характеристик, эти величины связаны между собой линейной зависимостью

Rнас=Rт= Uк_НАС /Iк_НАС,

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

I_б=I_{б 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-I_КбОRк

5. Коэффициент использования напряжения источника питания К_Е=(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+h_21Э 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.