Импульсные свойства биполярного транзистора

При работе транзистора в импульсных схемах необходимо различить режимы малого и большого сигналов. При воздействии импульсов малой амплитуды транзистор работает в активном режиме и его работа практически не отличается от работы в частотном режиме: происходит усиление импульсных сигналов и соблюдается линейная зависимость между выходным и входным сигналами.

В этом разделе рассмотрим режим работы биполярного транзистора при его работе с импульсным изменением токов и напряжений в больших пределах, т.е. в режиме большого импульсного сигнала. Такой режим работы характерен для цифровых схем, импульсных генераторных устройств, преобразователей импульсов и др. Импульсный режим работы в режиме большого сигнала часто называют ключевым режимом, так как транзистор может находиться в одной из двух крайних статических состояниях: в режиме отсечки (транзистор закрыт) и в режиме насыщения (транзистор открыт). Обычно работа транзисторных ключей рассматриваются в схеме включения транзистора с ОЭ.

На рисунке 7.5,а изображена простейшая схема электронного ключа,

Рис.7.5. Схема электронного ключа а) и семейство выходных характеристик транзистора для пояснения ключевого режима работы б).

содержащий п-р-п -транзистор, резисторы R_K и R_Б в коллекторной и базовой цепях. Штриховыми линиями показаны барьерная емкость эмиттерного и коллекторного переходов С_Э, С_К и нагрузочная емкость С_Н, которая складывается из выходной емкости транзистора и входной емкости последующей схемы или емкости нагрузки.

На рисунке 7.5, б показаны семейство выходных характеристик транзистора в схеме с ОЭ и нагрузочная прямая ВС, проходящая через точку В, соответствующая режиму отсечки, и точку С, в которой транзистор находится в режиме насыщения.

Рассмотрим переходные процессы в транзисторном ключе при подаче на вход управляющего импульсного напряжения U_ВХ, вид которого приведен нарисунке 7.6, а. В промежутке времени от 0 до t₁ U_ВХ = 0, ток I_Б также равен 0 (рис.7.6,в). В цепи коллектора течет только небольшой обратный тепловой ток I_КЭ0, т.е. транзистор находится в запертом состоянии. Поэтому можно считать, что транзисторный ключ разомкнут, напряжение на коллекторе при этом равно напряжению источника питания Е_К (рис.7.6, д) и режим работы определяется точкой В. В момент времени t₁ U_ВХ скачком изменяется от 0 до Е_Б0, в цепи базы появится ток базы (рис.7.6, в), который при выполнении условия определится величиной . Напряжение U_БЭ не может мгновенно возрасти из-за наличия барьерных емкостей С_Э и С_К. Эти емкости заряжаются током базы и в момент времени t = t₂ напряжение U_БЭ возрастет до U_{БЭ пор} (рис. 7.6, б), транзистор начинает открываться и в цепи коллектора появится ток. За U_{БЭ пор} условно принимается напряжение U_БЭ, при котором коллекторный ток (рис.7.6, г). Интервал времени называется временем задержки коллекторного тока и оно определяется временем заряда конденсаторов С_Э и С_К:

. (7.22)

После отпирания транзистор переходит в активный режим, начинается интенсивная инжекция электронов в базу, что вызывает резкий рост тока коллектора. В момент времени t = t₃ коллекторный ток возрастает до (рис. 7.6, г), транзистор практически переходит в насыщенное состояние. Напряжение на коллекторе при этом уменьшается до U_КЭнас (рис. 7.6, д). Интервал времени называется временем нарастания коллекторного тока. Это время можно определит из следующих соображений. Процесс нарастания коллекторного тока происходит практически при постоянном токе базы , поэтому рост тока коллектора вызывает рост тока эмиттера, т.е дополнительный приток электронов из эмиттера в базу для поддержания квазиэлектронейтральности базы. При наступлении режима насыщения в базе накопится такой избыточный заряд электронов , что скорость его рекомбинации уравновесит ток базы. Отсюда можно сделать вывод, что время нарастания коллекторного тока определится временем жизни электронов в базе . Это справедливо только при не учете барьерной емкости коллекторного перехода. С учетом емкости С_К на процесс нарастания коллекторного тока сказывается постоянная времени коллекторной цепи , где R_K сопротивление в цепи коллектора. Таким образом, общее время нарастания определится соотношением:

. (7.23)

Рис.7.6. Диаграммы токов и напряжений на электродах транзистора при его работе в ключевом режиме

Сумма времени задержки и времени нарастания называется временем включения транзистора:

(7.24)

Время включения, в общем случае, является паразитным, так как ухудшает ключевой режим работы транзистора и искажает форму переднего фронта выходного импульса. Из анализа (7.22) и (7.23) вытекает, что для уменьшения времени включения необходимо уменьшать паразитные емкости эмиттерного и коллекторного переходов, увеличить ток базы, а также уменьшать время жизни электронов в области базы, создавая в ней рекомбинационные центры.

В момент времени t₃ при транзистор оказывается в режиме насыщения, начинается двухсторонняя инжекция электронов в базу и в базе начинает накапливаться избыточный заряд электронов. Коллекторный ток достигает максимального значения и остается практически постоянным (рис. 7.6, г). Аналогично, напряжение на коллекторе уменьшается до (рис. 7.6, д).

В момент времени t₄, когда напряжение на базе скачком уменьшается до нуля, накопление избыточных зарядов заканчивается и начинается процесс их рассасывания. Рассасывание зарядов происходит аналогично импульсному режиму работы диода за счет двух факторов: за счет рекомбинации с дырками – основными носителями тока в базе и за счет экстракции избыточных электронов из базы в эмиттерную и коллекторную области транзистора. Процесс рассасывания вызывает отрицательный выброс тока базы практический равный току базы насыщения (рис. 7.6, в). Во время рассасывания напряжения на базе и коллекторе и ток коллектора практически остаются постоянными. Время называется временем рассасывания и это время практически определяется временем жизни электронов, т.е.

. (7.25)

По окончании рассасывания в момент времени t₅ транзистор переходит в активный режим. Ток коллектора начинает спадать практически по экспоненте с постоянной времени , обусловленный разрядом барьерных емкостей переходов. При работе транзистора на емкостную нагрузку длительность спада тока коллектора возрастает из-за влияния емкости нагрузки С_Н. Время называется временем спада коллекторного тока, которое определяется примерным равенством

. (7.26)

Суммарное время называется временем выключения транзистора.

Подводя итог можно сказать, что выходной импульс напряжения (рис. 7.6, д) оказывается инвертированным, растянутым и смещенным во времени по отношению ко входному импульсу (рис. 7.6, а). Рассмотренные выше процессы определяют скорость переключения транзисторного ключа, быстродействие которого зависит от величины накапливаемого заряда в базе транзистора, от скорости его накопления и рассасывания.

Дата добавления: 2015-05-06