Импульсный режим работы транзистора

В статическом режиме работы транзистор является почти иде­альным переключающим элементом. Однако при увеличении час­тоты или скорости переключения свойства транзистора ухудша­ются. Начинает сказываться конечное время, равное приблизи­тельно 20 нс, диффузии носителей тока в транзисторе. В реальных переключающих элементах необходимо учитывать конечное вре­мя перехода из выключенного состояния во включенное и наобо­рот. Транзистор, схема которого приведена на рис. 45, а, может работать как переключающий элемент, управляемый током. По­ложим, что управлявший импульс имеет идеальную прямоуголь­ную форму (рис. 45, б). Через коллектор начнет протекать ток лишь через определенное время t₀после начала управляющего импульса. Время t₀ это так называемая начальная задержка, от­считываемая от момента приложения входного импульса и до момента, когда выходной сигнал достигает 90 % максимальной амплитуды. Время t_H — время нарастания, отсчитывается до мо­мента, когда выходной сигнал достигнет 90 % от максимального значения. По окончании управляющего импульса через коллектор в течение некоторого времени t_p продолжает протекать ток. Это есть так называемое время рассасывания, которое увеличивает длительность выходного сигнала по сравнению с входным,

Время спада t_c отсчитывается до момента, когда выходной сиг­нал упадет до 10% от максимального значения. При определении времени нарастания следует учитыватьвыражения для тока коллек­тора I_K = βI_б[l – exp(-t/τ_t)], τ_t = τ_s(1 + β ), τ _s = l/w_S, где I_б — макси­мальный ток базы; w_S— предельная частота работы транзистора.

Ток коллектора по экспоненте должен достигать своего макси­мального значения, которое определяется величиной тока базы I_k =βI_б.

Однако величина этого тока не будет достигнута, поскольку сопротивление коллектора ограничивает ток до величины I_k =E_k/R_k.

Отношение I_к/I_к0 =S называется коэффициентом насыщения тран­зистора. Из рис. 45, в видно, что при S= 1 время нарастания равно t_3И, а для S= 2 имеем t _2н и при S= 3 получим t_1H причем t_3H > t_2lH > t_1H.. Исходя из этого, время нарастанияопределяется выражением

Время выключения транзистора t_с определяется аналогичными процессами и описывается выражением

t_c = 2,2β/w₅.

Рис. 45. Работа транзистора в режиме ключа:

а — электрическая схема; б — входной и выходной сигналы; в — изменение тока коллектора от коэффициента насыщения

Для определения времени рассасывания необходимо учитывать, что количество зарядов, определяемое током I_к, рассасывается за время выключения t_c. Если в коллекторе скапливаются избыточ­ные носители с коэффициентом насыщения 5= 2, то для их рас­сасывания потребуется удвоенное время. Следовательно, можно написать выражение для этой зависимости

Таким образом, подводя итог ранее изложенному, можно опре­делить три наиболее важных параметра работы транзистора в импульсном режиме: максимальнаяскорость переключения транзисто­ра ограничена временем нарастания t_H, временем спада t_c и време­нем рассасывания t _р. Исходя из этого, можно нарисовать форму вход­ного управляющего сигнала базы для получения коротких времен переключения (рис. 46, а), Так I_б обеспечивает быстрое нарастание коллекторного тока при включении транзистора. Током I_б достигает­ся большое значение коэффициента насыщения. Это приводит к быстрому открыванию транзистора. Время действия этого тока дол­жно быть меньше времени действия входного импульса. В течение времени t¹_И, действия входного сигнала базовый ток должен создавать коэффициент насыщения, равный S=1. Это обеспечивает мини­мальное накопление носителей тока в коллекторе. Для получения минимальных времен t_р и t_c необходимо в базовой цепи создать цепь дополнительного рассасывания носителей тока. В этом случае в ба­зовой цепи должен действовать сигнал противоположной полярнос­ти — отрицательный.

В результате носители из коллекторной цепи утекают через базу транзистора. Наиболее распространенной схемой переключения тран­зистора является схема, показанная на рис. 46, б. Форма управляв­шего сигнала показана на рис. 46, в. Этот сигнал формируется с помощью цепи R₁ R₂, С. Конденсатор обеспечивает выбросы на фронтах входного импульса.

Рис. 46. Импульсное управление транзистором:

a — идеальная форма управляющего базового тока; б — практическая базовая цепь для импульсных входных сигналов (электрическая схема); в — входной сигнал; г- диодная схема ограничения насыщения транзистора; д — ограничение насыщения с помощью базового и коллекторного диодов; е — ограничение насыщения с помощью коллекторного диода

На рис. 46, г приведена схема, где применяется фиксация вклю­ченного состояния транзистора в активной области. В этой схеме отсутствует режим насыщения. Когда транзистор открывается, на­пряжение в коллекторе уменьшается до величины 2...0,6 В. При ба­зовом токе I_б = E/R₁ в коллекторе будет протекать ток 1_К = βI_б. По­скольку I_к> E/R_K, то открывается диод и через транзистор протекает максимальный ток. Транзистор в этой схеме не находится в насыще­нии. Здесь время включения и выключения сведено к минимуму.

Аналогичный режим работы транзистора используется в схеме с нелинейной отрицательной обратной связью. С помощью этой связи практически полностью устраняется время рассасывания. Принцип действия схемы определяется особенностью характери­стики кремниевого диода VD1, у которого существует порог от­крывания 0,6 В (для германиевого диода VD2 порог открывания равен 0,3 В).

Положим, что входное напряжение меняется скачком. Транзи­стор начинает открываться. Напряжение на коллекторе падает. Диод VD4 остается закрытым. Как только напряжение коллектора упа­дет до U_K < U_6э + U_VD1, диод открывается в прямом направлении и через него будет протекать часть входного тока, который вводит транзистор в насыщение. Режим работы автоматически устанав­ливается так, что в базу протекает только минимально необходи­мый ток. Если β= 40, а I_к = 10 мА, то I_б =I_k/β= 0,25 мА.

В рассмотренной схеме вместо диода VD2 можно включить ре­зистор R₂ (рис. 46, е). Сопротивление резистора R ₂ должно быть таким, чтобы базовый ток создавал падение напряжения, необ­ходимое для открывания диода VD1.