Транзисторный ключ на биполярном транзисторе

Цифровые схемы конструируются таким образом, чтобы воздействие некоторого сигнала определялось не конкретным значением его напряжения, а тем к какому из двух разновидностей сигнала (ВЫСО-КОГО или НИЗКОГО уровня) этот сигнал относится.

Транзисторный ключ является основным элементом уст-ройств цифровой электроники. Знание основных особенностей транзисторного ключа является обязательным условием понимания принципов работы цифровых устройств.Рассмотрим транзисторные ключи на биполярных и полевых транзисторах. Изобразим схему простейшего ключа на биполярном транзисторе (рис.7.8) n-p-n типа, включенном по схеме с ОЭ, и статические состояния транзисторного ключа (рис.7.9).

Рисунок 7.8. Транзисторный ключ. Схема с ОЭ

Мы рассматривали активное состояние транзистора, когда последний находился в усилительном режиме. На рисунке 7.9. показано положение рабочей точки транзистора на нагрузочной прямой. Усилительному режиму соответствует отрезок . В этом режиме у транзистора эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный – в обратном. Статические режимы транзисторного ключа являются аномальными режимами и соответствуют положению рабочей точки на участке (режим насыщения) и на участке (режим отсечки). В режиме насыщения оба n-p-перехода смещены в прямом направлении. Говорят, что транзисторный ключ находится в открытом состоянии.

Рисунок 7.9. Статические состояния транзисторного ключа

Этому режиму соответствуют большие коллекторные токи порядка . Напряжение в режиме насыщения у транзисторов различного типа различно. Обычно оно лежит в диапазоне 0,01-0,1 В.

В режиме отсечки оба перехода смещены в обратном направлении. Говорят, что транзисторный ключ закрыт. В этом режиме через коллекторный переход протекают дрейфовый ток не основных носителей .Малым током можно пренебречь и считать, что коллекторный ток равен 0. Напряжение транзисторном ключе максимально и близко к напряжению источника питания .

Анализ работы ключа в динамике:

Рассмотрим процессы в транзисторном ключе, когда на вход приходит прямоугольный импульс напряжения (рис.7.10).

При анализе динамики ключа делают определенные допущения. Включение транзистора происходит от импульса напряжения, который приходит на базу транзистора. Процесс включения или открывания ключа считают начавшимся при достижении напряжения на эмиттерном переходе величины . При выходе из насыщения и при формировании обратного фронта считается, что напряжение на эмиттерном переходе сохраняется равным .

Включение или открывание ключа.

Начальным состоянием ключа считаем закрытое состояние от 0 до . Эмиттерный переход транзистора заперт, и транзистор находится в режиме отсечки. Через коллекторный переход протекают дрейфовый ток не основных носителей .

При включении выделяют три этапа:

· этап задержки сигнала. При подаче на вход нараста-ющего фронта наблюдается заряд паразитных емкостей базо-вой цепи током резистора . Пока напряжение на базе меньше , считается, что транзисторный ключ закрыт и на выходе никаких изменений не наблюдается.

Рисунок 7.10. Временная диаграмма процесса включения транзисторного ключа

· этап формирования фронта . Напряжение на базе скачком возрастает до . При этом ток базы также нарастает. Под действием тока базы транзистор из состояния отсечки переходит в состояние насыщения. Напряжение на коллекторе падает до напряжения, соответствующему состоянию насыщения. На коллекторе достигается ток насыщения .

· этап накопления неосновных носителей заряда в базе. . На этом этапе на выходе напряжение коллектора практически не меняется. Ток коллектора постоянен и равен . Ток базы превышает ток , что приводит к накоплению неосновных носителей на базе.

Наличие этапа накопления неосновных носителей заряда существенно снижает быстродействие транзисторного ключа. Для оценки величины накопленного заряда (глубины насыщения) вводят

параметр, который называется степенью насыщения :

, (7.4)

где - базовый ток насыщения.

Рисунок 7.11. Временная диаграмма процессов выключения транзисторного ключа

Выключение или закрывание транзисторного ключа (рис.7.11):

· этап рассасывания неосновных носителей заряда в базе транзистора . На этом этапе, несмотря на то, что входное напряжение упало до логического нуля, на выходе ключа некоторое время сохраняется неизменными и ток коллектора и напряжение . Это происходит потому, что ток в коллекторе поддерживается неосновными носителями, накопленными в базе транзистора при включенном состоянии ;

· этап формирования заднего фронта импульса (спада) . Этот этап наблюдается после выхода транзистора из состояния насыщения. Продолжительность этого этапа , как и предыдущего, зависит от величины тока выключения транзистора.

Быстродействие ключа при формировании фронтов во многом зависит от быстродействия самого транзистора, то есть от гранич-ной частоты усиления по току и емкости коллекторного перехода. Существенного повышения быстродействия можно достичь или применением форсирующей емкости, включаемой параллельно резистору в базовой цепи (рис.7.11), или применением диода Шоттки, включаемого в качестве компонента нелинейной отрицательной обратной связи, анодом к базе (рис.7.12).

Рисунок 7.11. Увеличение быстродействия транзисторного ключа, путем включения форсирующей емкости

Для уменьшения времени формирования фронтов требуется увеличить ток базы. Это происходит за счет тока заряда и разряда форсирующего конденсатора.

Рисунок 7.12. Увеличение быстродействия транзисторного ключа за счет введения отрицательной обратной связи с диодом Шоттки

Транзисторные ключи с ОС получили название ненасыщенных ключей, так как они работают на границе перехода в насыщенное состояние. При этом токи базы порядка токов . Чтобы поддерживать базовые токи около этого значения и вводят ООС, через которую часть базового тока проходит непосредственно на коллектор, а через транзистор пройдет ток порядка . Комбинация транзистора с диодом Шоттки образует транзистор Шоттки.

Рисунок 7.13. Схемотехническое обозначение транзистора Шоттки

Если логические элементы используют такие транзисторы в своем составе для повышения быстродействия, то в их названии появляется дополнительное слово «Шоттки» или его сокращение в виде буквы «Ш». При одинаковом быстродействии с обычными биполярными транзисторами они потребляют мощность примерно в 4 раза меньше.

Дата добавления: 2015-05-06