Транзисторный ключ является основным элементом устройств информационной электроники и многих устройств силовой электроники.

На рис. 9.11 а представлена схема простейшего ключа на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, на рис 9.11 б – диаграмма входного напряжения, а на рис. 9.11 в – выходного напряжения.

В начале рассмотрим работу транзисторного ключа в установившемся режиме. До момента времени t 1 эммитерный переход транзистора заперт отрицательным входным напряжением, транзистор находится в режиме отсечки.

Рис.9.11. Схема простейшего ключа на биполярном транзисторе и диаграммы его работы

В этом режиме I К =-I б =I K 0 (I K 0 – обратный ток коллектора), I Э 0. Пренебрегая малым обратным током коллектора I К0 , получаем i к = i б  0 . При этом U R б  U R к  0; U бэ  U 2 ; U кэ  Е К. (рис. 9.11 в).

В промежутке t 1  t 2 величину сопротивления R б и входного напряжения U 1 выбирают так, чтобы транзистор находился в области насыщения, либо близкой к ней.

В этом режиме транзистор открыт и выполняются соотношения:

Таким образом, низкому входному (управляющему) потенциалу соответствует высокий потенциал на выходе ключа и наоборот. Такой режим работы называется инверсным. Часто ключевые схемы работают друг на друга и тогда входное (управляющее) напряжение будет иметь форму выходного сигнала, а это значит, что с учетом возможных входных помех, параметры схемы должны быть рассчитаны таким образом, чтобы входное напряжение не превышало некоторую пороговую величину. Например, для кремниевых транзисторов надежное запирание обеспечивается уровнем в 0,4 В. Надежное отпирание транзистора обеспечивается при условии выполнения соотношения

. Кроме этого необходимо учитывать, что R К должно быть выбрано так, чтобы при открытом транзисторе коллекторный ток не превысил максимально допустимого для выбранного типа транзистора. То есть

.

Надежное открывание транзистора сопровождается его переходом в область насыщения, при этом в цепи коллектора протекает ток I Кнас. , определяемый соотношением

. Напряжение U КЭ в режиме насыщения различно у различных типов транзисторов и обычно лежит в пределах 0,08 ÷ 1 В. Минимальный ток базы необходимый для обеспечения режима насыщения определяется выражением:

.

Глубину насыщения оценивают через коэффициент насыщения q нас показывающий во сколько раз реальный ток базы больше того минимального значения тока базы, которое необходимо для обеспечения режима насыщения. То есть:

.

При выбранном q нас можно производить расчет элементов ключа в статическом режиме. При этом следует руководствоваться следующими соображениями. Режим насыщения должен обеспечиваться для различных экземпляров транзисторов выбранного типа при заданном диапазоне температур. Увеличение тока базы в режиме насыщения уменьшает величину U КЭ, уменьшая мощность выделяющуюся в выходной цепи транзистора, но при этом увеличивается мощность выделяемая во входной его цепи. Кроме этого увеличение тока базы уменьшает время перехода из закрытого состояния в открытое (в режим насыщения), но затягивает время выхода транзистора из режима насыщения. Исходя из этих соображений, в расчетах принимают q нас =1,5 ÷ 2.

Динамический режим работы ключа изображенного на рис 9.11 рассмотрим на временных диаграммах его работы. На рис 9.12 приведены временные диаграммы, поясняющие процесс включения транзисторного ключа.

Рис.9.11. Временные диаграммы включения транзисторного ключа

При подаче входного переключающего напряжения начинается перезарядка барьерных емкостей эммитерного С Э и коллекторного С К переходов, поэтому, когда во время t 1 входное напряжение изменяется скачком, транзистор остается запертым, поскольку напряжение на его входной емкости не может изменятся скачком. Через сопротивление базы начнет протекать ток, изменяя U бэ хотя сам транзистор продолжает оставаться запертым. Время задержки приблизительно можно определить по формуле:

t 3 =  вх ,

где  вх = R б (С Э +С К), U бо – начальное смещение U бэ – вызванное выпирающим входным напряжением - U 2 .

Значение t 3 обычно не велико. Поэтому этим временем в расчетах часто пренебрегают.

Когда напряжение U бэ достигает некоторого порогового значения U бэ порог транзистор начнет отпираться формируя фронт выходного сигнала t ф. При этом коллекторный ток экспоненциально нарастает до перехода транзистора в режим насыщения. В это время экспоненциально падает U эк =U вых до достижения величины U кэ нас. .

Длительность отрицательного фронта может быть определена в соответствии с формулой:

,

где  а – постоянная времени цепи базы,

- ток базы при переходе в режим насыщения.

Оценить порядок величины отрицательного фронта можно рассмотрев типовой пример. Так, если  а =2 мкс;  ст =50;

=1 mА;

=5 mА, то=0,2 мкс.

Общее время включения транзистора определяется суммой t 3 + t ф.

Начиная с момента t 3 токи коллектора, эмиттера и базы практически не изменяются, однако заряд в базе продолжает нарастать с постоянной времени  H и заканчивается через время t H = (2÷3) H .

Процесс выключения транзисторного ключа иллюстрируется рис. 9.12. и начинается с момента подачи входного отрицательного управляющего потенциала (-U 2) (время t 1) процесс запирания транзистора происходит в два этапа: рассасывание избыточного заряда (до времени t 2) и формирование положительного фронта (до времени t 3).

Заряд, накопившийся в базе открытого транзистора мгновенно рассосаться не может и в течение некоторого промежутка времени ток коллектора не изменяется. При достаточно большом запирающем напряжении время рассасывания можно определить по формуле

t p =  H q нас I к.нас. /( ст I б),

где  H – постоянная времени насыщения; I б – скачёк базового тока в момент начала выключения ключа. В интервале рассасывания ток базы (без учета U бэ) определяется соотношением:

.

Рис.9.12. Временные диаграммы выключения транзисторного ключа

На интервале формирования положительного фронта продолжается уменьшение концентрации неравновесных носителей, ток I к значительно уменьшается, а напряжение U кэ возрастает. По окончании время выключения (после времени t 3) ток коллектора становится равным току базы, эммитерный переход смещается в обратном направлении, ток базы быстро уменьшается по модулю и становится практически равным нулю.

В рассматриваемой схеме время рассасывания t расс существенно больше всех остальных времен, поэтому временем спада и установления можно пренебречь. При этом следует иметь ввиду, что чем больше по модулю переключающий ток базы, тем меньше время рассасывания, и чем больше коэффициент насыщения, тем больше время рассасывания.

Количественный анализ переходных процессов удобнее всего осуществлять с помощью пакетов программ для машинного анализа электронных схем (например Micro – Cap V и др.)

Одним из способов повышения быстродействия является предотвращение насыщения транзистора с целью уменьшения времени рассасывания путем специальных схемотехнических решений. На рис. 9.13 приведен вариант реализации ненасыщенного транзисторного ключа с нелинейной отрицательной обратной связью по напряжению на высокочастотном диоде.

Рис.9.13. Вариант реализации ненасыщенного ключа

Напряжение смещения U см в такой схеме выбирается в диапазоне 0,4÷ 0,6В. Работает схема следующим образом. Пока транзистор достаточно далек от области насыщения, диод VD закрыт напряжением Е К. На границе активного режима и режима насыщения напряжения U КБ оказывается близким к нулю и диод открывается за счет U СМ. После этого часть тока источника входного сигнала ответвляется в цепь диода, ток базы уменьшается и транзистор не входит в режим насыщения.

На рис. 9.14 показан вариант схемы ненасыщенного ключа в котором нелинейная отрицательная обратная связь реализуется через диод Шотки у которого напряжение отпирания около 0,25 В. При использовании диода Шотки дополнительного источника смещения не требуется.

Рис.9.14. Ненасыщенный ключ на диоде Шотки

Для описания преобразовательной схемы и составления ее математической модели ветвь с ключом заменяется активным сопротивлением R (t), характер изменения во времени которого задается произведением сопротивления ключа в разомкнутом состоянии (большого по величине, но конечного) на КФ, изменяющуюся от нуля до единицы в моменты коммутации ключа. Поясним это на примере двухключевого РО переменного тока.  

Для уменьшения вносимых погрешностей устройства выборки и хранения должны иметь малое прямое прохождение сигнала в режиме хранения, малый уровень коммутационных помех, аналоговые управляемые ключи не должны иметь остаточного напряжения, значительных токов утечки в разомкнутом состоянии, сопротивление ключа в замкнутом состоянии должно быть минимально, полярность коммутируемого сигнала - любая.  

Число знаков коэффициента деления определяется возможным диапазоном сопротивлений резисторов, поскольку, как видно из рис. 5 - 4, в, для того чтобы не сказывались остаточные параметры ключей, меньшее сопротивление должно быть на 1 - 2 порядка больше сопротивления гк замкнутого ключа, а большее сопротивление - на 2 - 3 порядка меньше сопротивления RK разомкнутого ключа.  

Входное напряжение U подключают к нагрузке при помощи управляющих импульсов, переводящих транзисторы Т1 и Т % в режим глубокого насыщения. Сопротивление ключа при этом резко падает, и напряжение U поступает на выход схемы. При тщательном подборе транзисторов переключатель может коммутировать очень малые сигналы с погрешностью около 20 мкв в некотором интервале температур.  

Обратный ток разомкнутого симметричного ключа равен половине разности обратных токов транзисторов. Сопротивление замкнутого ключа на германиевых транзисторах составляет значение порядка 10 ом, на кремниевых - 30 ом. При использовании кремниевых транзисторов обратный ток ключа не превышает 0 1 мка, германиевых - 5 мка.  

Когда ключ К замкнут, его сопротивление определяется переходным контактным сопротивлением; при разомкнутом ключе К его сопротивление определяется сопротивлением изоляции цепи. Практически сопротивление замкнутого ключа равно нулю, а разомкнутого - бесконечности.  

В действительности сопротивление ключа не может меняться скачком от нуля до бесконечности, так как большие напряжения между контактами ключа вызовут между ними электрическую искру или электрическую дугу. Кроме того, всякая катушка обладает распределенной емкостью между ее витками, так же как имеется емкость между расходящимися контактами ключа; поэтому процесс коммутации совершается в конечный промежуток времени At, в течение которого завершается быстро протекающий переходный процесс от момента начала до момента конца коммутации. Этот переходный процесс в зависимости от соотношений параметров может быть апериодическим или колебательным с очень высокой частотой, и разность энергий WM (- 0) - WM (0) расходуется в сопротивлениях цепи, в частности в сопротивлениях между контактами ключа, или на излучение при очень высокой частоте. Этот процесс, проходящий за время At, при отмеченной выше идеализации не рассматриваем. Но если его рассмотреть, то будут справедливы сформулированные в § 9.4 физические условия коммутации - неизменность токов в катушках и напряжений на конденсаторах, а также неизменность энергий, запасенных в катушках и конденсаторах.  

В действительности сопротивление ключа не может меняться скачком от нуля до бесконечности, так как большие напряжения между контактами ключа вызовут между ними электрическую искру или электрическую дугу. Кроме того, всякая катушка обладает распределенной емкостью между ее витками, так же как имеется емкость между расходящимися контактами ключа; поэтому процесс коммутации совершается в конечный промежуток времени At, в течение которого завершается быстро протекающий переходный процесс от момента начала до момента конца коммутации. Этот переходный процесс в зависимости от соотношений параметров может быть апериодическим или колебательным с очень высокой частотой, и разность энергий WM (- 0) - 1 м (0) расходуется в сопротивлениях цепи, в частности в сопротивлениях между контактами ключа, или на излучение при весьма высокой частоте. Этот процесс, проходящий за время Л, при вышеуказанной идеализации не рассматриваем. Но если его рассмотреть, то будут справедливы сформулированные в § 9 - 3 физические условия коммутации - неизменность токов в катушках и напряжений на конденсаторах, а также неизменность энергий, запасенных в катушках и конденсаторах.  

В действительности сопротивление ключа не может меняться скачком от нуля до бесконечности, так как большие напряжения между контактами ключа вызовут между ними электрическую искру или электрическую дугу. Этот переходный процесс в зависимости от соотношений параметров может быть апериодическим или колебательным с очень высокой частотой, и разность энергий Ww (- 0) - W № (0) расходуется в сопротивлениях цепи, в частности в сопротивлениях между контактами ключа, или на излучение при весьма высокой частоте. Но если его рассмотреть, то будут справедливы сформулированные в § 9 - 3 физические условия коммутации - неизменность токов в катушках и напряжений на конденсаторах, а также неизменность энергий, запасенных в катушках и конденсаторах.  

В схеме ЦАП с использованием транзисторных генераторов тока переключение тока может осуществляться в коллекторной цепи. При этом сопротивление ключа не вносит заметной погрешности благодаря высокому сопротивлению цепи. Однако утечки запертого ключа могут привести к существенной погрешности. Суммарная утечка всех запертых ключей не должна превышать половины тока младшего разряда.  

Например, нелинейность сопротивления ключа при открытом состоянии и зависимость его от температуры можно ослабить подключением последовательно с ключом резистора, сопротивление которого значительно больше сопротивления ключа. Сопротивление полевых транзисторов в открытом состоянии обычно колеблется от 50 до 200 Ом. Включение резистора сопротивлением 2 - 5 кОм последовательно с транзистором практически исключает погрешность, вызванную нелинейностью и зависимостью сопротивления ключа от температуры.  

Замыкание ключа / С приводит к быстрой разрядке конденсатора. Скорость разрядки зависит от сопротивления ключа в замкнутом состоянии. Прямой ход пилообразного напряжения в этой схеме формируется при разомкнутом ключе, а обратный - при замкнутом. Таким образом, для реализации этого принципа генератор должен содержать зарядное или разрядное устройство, интегрирующий конденсатор и ключ.  

В дельта-сигма-преобразователях для формирования импульсов тока также можно использовать резистор и стабилизированный источник опорного напряжения, поскольку суммирующая точка фактически находится под потенциалом земли. В этом случае необходимо убедиться, что сопротивление замкнутого ключа меньше сопротивления резистора и изменения сопротивления ключа не вызовут дрейфа.  

Транзистор переходит из режима отсечки в режим насыщения и обратно не мгновенно, а в течение определенного времени. Эта инерционность биполярного транзистора обусловлена двумя ос­новными факторами: накоплением заряда неосновных носителей в базе и емкостями коллекторного С к и эмиттерного Сэ перехо­дов. Кроме того, на длительность переходных процессов тран­зисторного ключа оказывает влияние емкость нагрузки С н .

Расчет длительности переходных процессов в транзисторном ключе проводится методом заряда, базирующимся на том факте, что в базе объемный заряд неосновных носителей скомпенсиро­ван, т. е. база электрически нейтральна.

Метод заряда. Так как в базе (p-область) неосновными но­сителями являются электроны, то при u бэ > U отп ток базы i б (t) определяет скорость накопления электронов dq/dt в ней (q - заряд неосновных носителей) и компенсирует их убывание q/t в результате рекомбинации (t - время жизни неосновных носителей в базе). Кроме того, ток базы идет на перезарядку ем­костей" Ск и Сэ при изменении напряжения на переходах. Следо­вательно,

Если емкостные токи коллекторного иэмиттерного переходов невелики,то уравнение (7.2) упрощается:

dq/dt + q/t = i б (t) (7.3)

В стационарном состоянии, когда dq/dt = 0,

q = tI б, (7.4)

т. е. избыточный заряд неосновных носителей в базе пропорцио­нален базовому току. Это соотношение справедливо не только в активном режиме, но и в режиме насыщения транзистора.

С помощью уравнений (7.2) или (7.3) можно определить объем­ный заряд неосновных носителей в базе в функции времени. Од­нако при расчете импульсных схем на транзисторах основной ин­терес представляет определение закона изменения коллекторно­го тока.

В активном режиме работы транзистора при условии, что рас­пределение концентрации неосновных носителей заряда в базе является линейным, имеет место соотношение, которое с извест­ным приближением дает связь между зарядом неосновных носителей в базе и коллекторным током транзистора:

(7.5)

Это соотношение в стационарном режиме справедливо с высокой точностью. Однако в переходном режиме, длительность которо­го соизмерима с временем распространения носителей вдоль базы, линейный характер распределения неосновных носителей в базе нарушается.

Решая уравнения (7.2) или (7.3) и используя соотношение (7.5), можно определить закон изменения коллекторного тока при заданном базовом токе. Преобразуем по Лапласу уравнение (7.3), поскольку это упрощает процедуру решения при различных начальных условиях:

(7.6)

где q(0) - начальное значение заряда неосновных носителей в базе; р - оператор Лапласа.

Задержка включения. Рассмотрим процесс включения тран­зисторного ключа при условии, что в момент времени /о на его входе напряжение скачком изменяется от U б - до U б + (рис. 7.5). В базовой цепи устанавливается ток

Хотя управляющее напряжение изменяется скачком, разность потенциалов между базой и эмиттером из-за наличия прежде все­го емкостей С э и С к нарастает до значения U отп при котором транзистор открывается, но не сразу, а в течение определенного времени. Таким образом, импульс коллекторного тока начина­ется в момент времени, т. е. с некоторой задержкой относи­тельно момента подачи отпирающего напряжения Интервал времени t зд = t 1 – t 0 определяет длительность стадии задерж­ки - время, в течение которого происходит перезарядка ем­костей С э и С к . Так как в это время через транзистор протекают емкостные токи, то эквивалентная схема транзисторного ключа

Рис. 7.6. Эквивалент­ная схема ключа

Рис. 7 5. Переходные процессы в ключе ОЭ

н

а этапе задержки включает внешние резисторы и емкости пере­ходов (рис. 7.6).

В транзисторном ключе обычно R б > R к поэтому, пренебре­гая R к получим цепь первого порядка, переходной процесс в которой определяется соотношением

Когда ем­кость нагрузки транзисторного ключа С н соизмерима или боль­ше суммарной емкости переходов,

После подстановки получим

Стадия задержки заканчивается, когда

поэтому

Формирование фронта. Когда в момент времени t 1 эмиттерный переход открывается, начинается процесс нарастания коллек­торного тока, сопровождающийся снижением коллекторного на­пряжения. Коллекторный ток увеличивается до момента време­ни t 2 , когда транзистор входит в режим насыщения. В интервале времени t 1 …t 2 . происходит формирование фронта импульса тока. Длительность фронта t ф = t 1 + t 2 можно определить из уравне­ния (7.6). Так как начальный объемный заряд q(0) = 0, а

Подставив выражение (7.9) в (7.5), получим:

Таким образом, и объемный заряд неосновных носителей в базе, и коллекторный ток во время формирования фронта из­меняются по экспоненциальному закону. Когда i к (t 2) = I к и заряд неосновных носителей в базе достигает значения q(t 2) = tI к нас /h 21э, формирование фронта заканчивается. Восполь­зовавшись соотношением (7.9), получим формулу для расчета длительности фронта

(7.11)

Из полученного соотношения следует, что увеличение базового тока включения приводит к уменьшению длительности фронта импульса коллекторного тока. Если при формировании фронта емкостный ток соизмерим с коллекторным током транзистора, то для расчетаt ф в формуле (7.11) необходимо заменить t на t экв из (7.8).

После того как транзистор войдет в режим насыщения, токi к и напряжение u кэ перестают изменяться, но процесс накопле­ния заряда продолжается по экспоненциальному закону в соот­ветствии с выражением (7.9), однако постоянная времени здесь другая: t нас = (0,8. . .0,9)t.

Поскольку процесс накопления носит экспоненциальный ха­рактер, то время, в течение которого заряд неосновных носителей достигает стационарного значения, можно вычислить по форму­ле t нас = (0,8. . .0,9)t нас.

На этом процесс включения транзисторного ключа заканчи­вается.

Транзисторный ключ принцип работы

Устройства, выполняющие обработку импульсных сигналов, называются импульсными устройствами. Среди различных импульсных устройств видное место занимают электронные ключи. Через идеальный разомкнутый ключ ток не протекает. Напряжение на идеальном замкнутом ключе равно нулю. Смена состояния ключа происходит под действием сигналов, подаваемых на один или нескольких входов.
Наиболее широкое применение в качестве электронных ключей нашел транзисторный каскад по схеме с ОЭ в классе усиления D (т.е. в ключевом режиме). Схема такого каскада приведена на рис. 15.2. В ключевом режиме транзистор может находиться в одном из двух состояний - в состоянии отсечки или в состоянии насыщения.
В состоянии отсечки ключ разомкнут. Через транзистор протекает только малый обратный ток I кэ о. Напряжение на участке коллектор-эмиттер . Мощность теряемая в транзисторе Ротс = I кэ о× U к мала, так как мал ток.
Чтобы транзисторный ключ находился в разомкнутом состоянии необходимо подать на базу отрицательное напряжение смещения, т.е. . Для этого часто применяют дополнительный источник смещения - Есм и резистор R 2 (пунктир на рис.15.2) При таком включении напряжение смещения создается двумя источниками Есм и источником тока I кэ о, т.е.
. (15.1)
Полагая U б < 0, получим
,



откуда
. (15.2)
Когда транзистор находится в состоянии насыщения, электронный ключ замкнут. Через транзистор протекает ток насыщения, значение которого ограничивается резистором R к . Пренебрегая малым напряжением насыщения, можем записать
. (15.3)
Режим насыщения достигается при токе базы
. (15.4)
Как и в режиме отсечки, мощность, теряемая в транзисторе в режиме насыщения, мала, потому что мало U н .
Ток базы в режиме насыщения создают источники напряжения U ВХ и ЕСМ . При этом участок база эмиттер транзистора можно считать закороченным. Поэтому
.
Условие насыщения (15.4) принимает вид
. (15.5)
Выражение (15.5) позволяет определить необходимое значение R 1.
В настоящее время электронные ключи выпускаются в микросхемном исполнении. Например, микросхема К564 КТ3 содержит четыре двунаправленных ключа, предназначена для коммутации аналоговых и цифровых сигналов с током до 10 мА.

1.Ключи на биполярных транзисторах............................................................................ 2

1.1.Общие сведения....................................................................................................... 2

а)Идеальный ключ....................................................................................................... 2

б)Реальный ключ........................................................................................................ 2

в)Схемы транзисторных ключей............................................................................... 3

1.2.Модель биполярного транзистора............................................................................. 3

1.3.Режим работы биполярного n-p-n транзистора.......................................................... 4

1.Активный режим:................................................................................................. 4

2.В режиме отсечки:............................................................................................... 4

2.а)В режиме глубокой отсечки:......................................................................... 4

2.б)Граница отсечки с активным режимом:....................................................... 5

3.В режиме насыщения:.......................................................................................... 5

3.а)Граница насыщения с активным режимом:.................................................. 5

4.Инверсным режимом............................................................................................ 5

1.4.Транзисторный ключ с ОЭ......................................................................................... 6

2.Остаточные параметры ключа на БТ........................................................................... 9

2.1.Остаточные параметры закрытого транзистора......................................................... 9

2.2.Остаточные параметры насыщенного транзистора................................................. 12

3.Составной транзисторный ключ................................................................................. 15

3.1.???........................................................................................................................... 15

а)Если транзистор VT1 заперт, то......................................................................... 17

б)Если транзистор насыщен, то........................................................................... 17

3.2.Многоэмиттерный транзистор в ключевом режиме................................................. 19

а)Подаем низкое напряжение на любой вход............................................................ 20

2. Ключи на биполярных транзисторах

2.1. Общие сведения

Транзисторные ключи - это устройства, которые коммутируют (замыкают или размыкают) электрическую цепь с помощью управляющего входного сигнала.

Применение ключей - являются основой микросхем.

Ключи имеют два состояния в статике: замкнутое и разомкнутое.

1) Идеальный ключ

Рис. 1.1.а: Схема ключа

Замкнутое состояние(х. х.) сопротивление ключа Разомкнутое состояние(х. х.)

Переход идеального ключа из одного состояния в другое происходит мгновенно, т. е. Длительность переходных процессов равна «0».

2) Реальный ключ

имеет конечное сопротивление http://pandia.ru/text/78/356/images/image009_52.gif" width="72 height=25" height="25">.

В разомкнутом состоянии в реальном ключе протекает небольшой ток..jpg" width="230" height="267">

Рис. 1.1.б: Ключ ОЭ

Рис. 1.1.в: Ключ ОБ

Рис. 1.1.г: Ключ ОК

усиление по току и напряжению

зависит от

От свойств ключей зависит возможность их последовательного включения.

Транзисторы в электронных ключах могут работать в режимах:

· отсечки;

· насыщения;

· активном;

· инверсном.

- коэффициент инжекции;

http://pandia.ru/text/78/356/images/image020_35.gif" width="90" height="25">- коэффициент диффузии ;

Колл" href="/text/category/koll/" rel="bookmark">коллектора пренебрежимо малы;

http://pandia.ru/text/78/356/images/image023_32.gif" width="137" height="50">- коэффициент переноса.

2) не учитывается эффект модуляции ширины базы при изменении напряжения на переходе база-коллектор(эффективность эмиттера не зависит от тока);

3) плотность токов инжекции мала (степень легирования базы остается постоянной и малой).

2.3. Режим работы биполярного n-p-n транзистора

В любой схеме, независимо от того, работает она в статическом или динамическом режиме, транзистор в каждый конкретный момент времени работает в одном из следующих режимов: активном, отсечки, насыщения, инверсном.

1. Активный режим:

эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный - в обратном. Потенциальный критерий активного режима n-p-n БТ:

Рис. 1.3.а: ???

2. В режиме отсечки:

эмиттерный и коллекторный переходы смещены в обратном направлении..gif" width="64" height="25 src=">.

2.1) В режиме глубокой отсечки:

если напряжение, запирающее эмиттерный и коллекторный переходы, значительно превышает величину температурного потенциала .

Потенциальный критерий:

http://pandia.ru/text/78/356/images/image028_24.gif" width="92" height="25">;

http://pandia.ru/text/78/356/images/image029_24.gif" width="92" height="25">;

2.2) Граница отсечки с активным режимом:

если коллекторный переход заперт, а напряжение на эмиттерном переходе равно «0».

http://pandia.ru/text/78/356/images/image026_27.gif" width="64" height="25">;

3. В режиме насыщения:

оба перехода смещены в прямом направлении.(режим двойной инжекции).

http://pandia.ru/text/78/356/images/image026_27.gif" width="64" height="25">;

3.1) Граница насыщения с активным режимом:

если эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а напряжение на коллекторном переходе равно нулю:

http://pandia.ru/text/78/356/images/image031_21.gif" width="64" height="25">;

4. Инверсным режимом

называют режим, когда эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный - в прямом. В этом случае коллектор работает как эмиттер, т. е. инжектирует носители в базу, а эмиттер выполняет функции коллектора.

http://pandia.ru/text/78/356/images/image026_27.gif" width="64" height="25">.

В транзисторных ключах транзистор может работать во всех указанных режимах. Если БТ работает в режиме отсечки или в активном режиме при очень малых токах коллектора, то он является разомкнутым ключом. Если он работает в режиме насыщения или в активном режиме при больших токах коллектора, он выполняет функции замкнутого ключа. Во время перехода из одного состояния в другое БТ работает в активном режиме.

2.4. Транзисторный ключ с ОЭ

В усилительном каскаде БТ работает с малыми сигналами () в активном режиме. В ключе - с большими.

Точка А - пересечение нагрузочной прямой с характеристической при соответствует активному режиму.

В этой точкеhttp://pandia.ru/text/78/356/images/image037_21.gif" width="197" height="25 src=">,

где http://pandia.ru/text/78/356/images/image039_22.gif" width="28" height="25 src=">.gif" width="79" height="25 src=">. Знак «-» означает, что изменила направление на обратное, показанному на схеме. Изменение направления возможно, если полярность входного сигнала (). Это означает, что эмиттерный переход смещен в обратном направлении. Направление смещения коллекторного перехода не изменилось и осталось обратным.

Таким образом, в точке «O» оба перехода смещены в обратном направлении и эта точка соответствует режиму отсечки транзистора.

Если увеличить входной сигнал, рабочая точка пройдет через точку «А», ток базы будет увеличиваться и рабочая точка будет двигаться по нагрузочной прямой по направлению к точке «H».

По мере роста тока базы и увеличения тока коллектора напряжение на коллекторе уменьшается:

.

До тех пор пока, транзистор работает в активном режиме, ток коллектора связан с током базы соотношением:

где http://pandia.ru/text/78/356/images/image045_18.gif" width="31" height="25">, а ток коллектора:

http://pandia.ru/text/78/356/images/image045_18.gif" width="31" height="25">-??? ток базы.

Напряжение на коллекторе:

Отсюда http://pandia.ru/text/78/356/images/image049_15.gif" width="42" height="25 src=">составляет доли вольта, и

то есть достигает максимального значения.

В режиме насыщения http://pandia.ru/text/78/356/images/image053_16.gif" width="28" height="25"> и не зависит от параметров транзистора.

Линейная связь http://pandia.ru/text/78/356/images/image040_21.gif" width="25" height="25 src=">нарушается. Как только режим транзистора перешел в точку «H», ток коллектора перестает зависеть от тока базы. Увеличение тока базы не приводит к заметному изменению тока коллектора, т. е. положение рабочей точки «H» практически изменяться не будет.

Транзистор перешел в режим насыщения.

Транзистор находится на границе насыщения, когда ..gif" width="64" height="25 src=">), называется граничным током базы.

Токовый критерий насыщения:

Таким образом, режим насыщения определяется не абсолютными величинами токов, а соотношением тока базы и граничного тока базы.

Если транзистор работает в режиме насыщения (), то увеличение приводит к возрастанию глубины насыщения.

Степень насыщения http://pandia.ru/text/78/356/images/image058_16.gif" width="162 height=56" height="56">

3. Остаточные параметры ключа на БТ

3.1. Остаточные параметры закрытого транзистора

а) При изменении величины запирающего напряжения на эмиттерном переходе, то есть при изменении глубины отсечки () ток базы не изменяется и остается равным . Это равенство называется токовым критерием отсечки.

б) Как в режиме глубокой отсечки, так и на границе отсечки , ток эмиттера .

Эквивалентную схему ключа в режиме отсечки можно представить в виде:

Выходное напряжение ключа

http://pandia.ru/text/78/356/images/image066_12.gif" width="104" height="25">;

http://pandia.ru/text/78/356/images/image068_11.gif" width="120" height="50 src=">.

Для сохранения режима отсечки при изменениях от и сопротивлений инеобходимо выполнить условие:

clear:left; margin-left:20px;">

Порог запирания транзистора - величина условная..gif" width="45" height="25">. Обычно принимают.

3.2. Остаточные параметры насыщенного транзистора.

Рис. 2.2.а Обозначение напряжений на выводах транзистора

а) Наименьшим из остаточных напряжений является . Поэтому желательно, использовать такой ключ, чтобы остаточным напряжением было , то есть предпочтительной схемой является ключ с ОЭ.

б) Зависимость остаточных напряжений от степени насыщения

Рис. 2.2.б: Зависимость остаточных напряжений от степени насыщения

иявляются напряжениями на открытых переходах, они увеличиваются с увеличением.

уменьшается с увеличением.

в) В реальных транзисторах остаточные напряжения зависят от падений напряжений на объемных сопротивлениях слоев. При больших токах падения напряжений увеличиваются.

Поскольку «К» слой имеет большое сопротивление и длина??? тока по нему велика, в конструкцию эпитаксиально-планарного транзистора вводят скрытый «n+» - подслой.

г) Слабая зависимость межэлектродных напряжений от «N» позволяет представить эквивалентную схему транзистора в режиме насыщения в следующем виде:

http://pandia.ru/text/78/356/images/image086_7.gif" width="240" height="47 src=">.

Поскольку остаточные напряжения малы в сравнении с напряжением источника питания 0 " style="border-collapse:collapse">

Рис. 2.2.д: Транзистор-эквипотенциальная точка

4. Составной транзисторный ключ

4.1. ???

Если нагрузкой ключа ОЭ являются достаточно большая емкость , то ключ имеет невысокое быстродействие.

Предположим, что транзистор в схеме ключа запирается мгновенно.

Рис. 3.1.а: Схема ключа после переключения(ранее был насыщен)