Электронный ключ на транзисторе

В силу ряда неоспоримых преимуществ (отсутствие накала, ма­лые габариты, малая потребляемая мощность, высокая надеж­ность) транзисторы полностью заменили электронные лампы в ма­ломощных импульсных схемах. Более того, использование тран­зисторов позволило создать такие схемы, реализация которых с помощью ламп принципиально невозможна. В импульсных схемах используются германиевые и кремниевые, биполярные и полевые транзисторы. В дальнейшем будем рассматривать схемы на кремниевых транзисторах n-p-n-типа, поскольку они наиболее широко применяются.

В большинстве случаев используют транзисторный ключ с общим эмиттером (ОЭ), в котором нагрузочный резистор включен в коллекторную цепь (рис. 7.3). (Если в схеме используется не п-р-п-, а p-n-p-транзистор, то на коллектор подается отрица­тельное напряжение.) Напряжения и токи, соответствующие за­крытому и открытому состояниям транзистора, могут быть опре­делены с помощью входных и вы­ходных статических характеристик транзистора, включенного по схе­ме ОЭ (рис. 7.4).

Режим отсечки. Закрытому состоянию транзистора соответ­ствует режим отсечки, при кото­ром на коллекторном и эмиттер-ном переходах действуют обратные напряжения. Через переходы проходят токи, обусловленные процессами тепловой генерации носителей заряда в объеме по­лупроводника. При включении

транзистора по схеме ОЭ в режиме отсечки в коллекторной цепи протекает ток, близкий обратному току коллекторного перехода. Этот ток закрытого кремниевого транзистора ничтожно мал (менее 1 нА), поэтому его обычно в расчетах не учитывают и

uбэ а)

uкэ в)

Рис. 7.4. Входная (а) и выходная (в) характеристики транзисторного ключа ОЭ

входное и выходное сопротивления закрытого кремниевого транзистора, определяемые сопротивлениями обратносмещенных коллекторного и эмиттерного переходов, при расчетах прини­мают бесконечно большими.

Ток коллекторного перехода закрытого германиевого тран­зистора на несколько порядков больше, чем ток кремниевого. Поэтому при анализе импульсных схем с германиевыми транзис­торами его учитывают и транзистор в режиме отсечки представ­ляют источником тока, действующим в цепи коллектор — база.

Прямые ветви входных статических характеристик в первом приближении представляются экспоненциальной зависимостью тока базы от напряжения база — эмиттер. Следовательно, сколь угодно малое увеличение напряжения u_бэ приводит к рос­ту I_б. Однако ток базы становится заметным лишь при опреде­ленном значении и u_бэ = U_отп. Поэтому при расчетах импульсных схем удобно пользоваться напряжением отпирания (открывания) U_отп.

Режиму отсечки соответствует точка А на статических ха­рактеристиках транзистора.

Режим насыщения. Транзистор открывается, когда на вход подается положительное напряжение, и при условии u_бэ > U_отп. коллекторный и базовый токи увеличиваются. По мере на­растания тока базы растет коллекторный ток и уменьшается кол­лекторное напряжение u_кэ за счет падения напряжения на ре­зисторе а также уменьшается обратное напряжение, приложенное к коллекторному переходу.

Пока при увеличении тока на коллекторном переходе имеется обратное напряже­ние, транзистор находится в активном режиме и имеет место сле­дующее соотношение между токами:

При некотором значении базового тока напряжение на кол­лекторном переходе становится равным нулю и дальнейшее увеличение тока I_б, а следовательно, и тока I_к приводит к появ­лению прямого напряжения на коллекторном переходе, т. е. потенциал базы относительно коллектора становится положи­тельным. В прямом направлении оказывает­ся включенным не только эмиттерный, но и коллекторный пере­ход. Это приводит к тому, что не все носители, инжектированные эмиттером и дошедшие до коллекторного перехода, перехваты­ваются им. Навстречу потоку неосновных носителей, идущих из базы в коллектор, движется поток таких же носителей из коллек­тора в базу, и суммарный их ток определяется разностью этих потоков. В результате коллекторный ток при дальнейшем уве­личении тока базы перестает расти. Транзистор переходит в режим насыщения, который характеризуется постоянством тока коллектора В связи с тем что в режиме насыщения кол­лекторный переход не осуществляет полной экстракции носите­лей из базы, там происходит их накопление и интенсивная ре­комбинация и пропорциональная зависимость между токами I_б и I_к не выполняется.

Напряжения на коллекторе и базе насыщен­ного транзистора остаются практически постоянными.

Токи, протекающие во внешней цепи транзистора в насыще­нии, определяются следующими соотношениями:

где U_Б⁺, U_П - напряжения источников питания базы и коллек­тора.

Как видно, токи транзисторного ключа в режиме насыщения определяются внешними параметрами схемы и практически не зависят от характеристик-транзистора. Режиму насыщения соот­ветствует точка В на статических характеристиках.

Режим насыщения кремниевого транзистора определяется условием u_кб = -U_отп При заданных коллекторном и базовом токах удобным для расчетов является критерий насыщен­ного состояния по току. Его можно установить, рассуждая так. Пропорциональная зависимость между токами I_б и I_к, справедливая для активного режима, сохраняется вплоть до отпирания коллекторного перехода. Следовательно, на границе активного режима и режима насыщения также имеет место соотношение где I_{б гр} - базо­вый ток, при котором транзистор входит в режим насыщения. Как было отмечено, дальнейшее увеличение базового тока не приводит к росту коллекторного тока. Таким образом, критерий насыщенного состояния транзистора можно записать в виде

(7.1)

Если в соотношение (7.1) подставить выражения для токов получим:

В реальных условиях работы транзисторного ключа напря­жения источников питания могут изменяться, имеет место также разброс сопротивлений резисторов и коэффициента передачи тока h_21э. Это может привести к невыполнению неравенства (7.1), выходу транзистора из режима насыщения и соответственно к изменению коллекторного тока и выходного напряжения. Для обеспечения устойчивого режима работы транзисторного ключа параметры его рассчитывают таким образом, чтобы неравенство (7.1) выполнялось при изменениях в некоторых пределах вхо­дящих в него величин.

Помехоустойчивость транзисторного ключа тем больше, чем выше коэффициент насыщения:

Хотя для повышения помехоустойчивости желательно увеличивать коэффициент насыщения, однако сле­дует помнить, что при этом растет время переключения транзис­торного ключа.