Ключи на биполярных транзисторах

Стационарные состояния

1.Режим насыщения: возникает при положительном управляющем напряжении ( ), если создаваемый им базовый ток удовлетворяет условию:

где - коэффициент усиления базового тока; - ток насыщения коллектора.

При насыщении транзистора:

2.Режим отсечки (транзистор заперт): возникает при отрицательном управляющем напряжении ( ), которое обеспечивает запирание эмиттерного перехода ( ). В этом случае в цепи базы проходит вытекающий из нее обратный ток коллектора , то условие:

При отсечке:

Переходные процессы в ключе

Процесс перехода ключа из выключенного во включённое состояние имеет 2 стадии: задержку и фронт включения. Задержка включения обусловлена наличием входной ёмкости транзистора, заряжающейся через резистор , благодаря чему напряжение на эмиттерном переходе запаздывает относительно входного напряжения. Длительность фронта включения зависит от времени распространения носителей от эмиттера через базу к коллектору, значения коллекторной ёмкости уменьшаются с увеличением базового тока.

Процесс перехода из включённого состояния в выключенное содержит 2 стадии: задержка выключения и фронт выключения. Задержка выключения связана с рассасыванием заряда, накопившегося в базе при насыщении транзистора. Длительность рассасывания увеличивается с повышением степени насыщения транзистора и уменьшается с увеличением базового тока. Длительность фронта выключения зависит от тех же факторов, что длительность фронта включения, и уменьшается с увеличением базового тока.

Раздел 3.2.3 Разновидности ключей на биполярных транзисторах (Лекция 32, 2часа)

Учебные вопросы:

1. Ключ с ускоряющим конденсатором

2. Ненасыщенный ключ с ООС

Разновидности ключей на биполярных транзисторах

Повышение быстродействия получают за счёт:

· Использования ВЧ транзисторов

· Увеличения

· Уменьшения в режиме насыщения

Ключ с ускоряющим конденсатором

Рисунок 3.14

В таком каскаде удается уменьшить ток базы после того, как транзистор вошел в режим насыщения. При этом уменьшается степень насыщения и, как следствие, время рассасывания заряда (задержка выключения) после окончания положительного входного импульса.

При включении транзистора VT составляющая базового тока, обусловленная положительным управляющим импульсом, проходит через резистор и разряженный ускоряющий конденсатор С т.е. ток базы ограничивается только . Поэтому в базу транзистора втекает значительный ток ; в результате длительность фронта включения уменьшается.

Конденсатор С начинает заряжаться, когда транзистор уже находится в насыщении. После зарядки конденсатора ток управляющего импульса ограничивается двумя резисторами R'_Б1и R'_Б2. Поэтому .

С окончанием управляющего импульса базовый ток из-за источника меняет свое направление, затем экспоненциально уменьшается, а после запирания транзистора устанавливается на уровне . При этом напряжение на зарядившемся конденсаторе ускоряет выключение транзистора. Таким образом, в каскаде крутой фронт включения транзистора сочетается с уменьшением длительности фронта выключения и задержки выключения.

Ненасыщенный ключ с нелинейной отрицательной обратной связь

( ООС)

Задержку выключения можно устранить полностью, если избежать насыщения транзистора. Для этого коллектор транзистора типа n-p-n должен всегда иметь положительный потенциал относительно базы ( ). Однако при включении транзистора база получает положительный потенциал со стороны входа ключа, а положительный потенциал коллектора убывает по мере увеличения коллекторного тока, так что напряжение может стать меньше нуля.

Рисунок 3.15 Схема ненасыщенного ключа с нелинейной ООС

Условие выполняется в каскаде, в котором за счет диода VD реализуется ООС.

В отсутствие положительных управляющих импульсов транзистор VT и диод VD заперты - ООС отсутствует. С поступлением положительного управляющего импульса транзистор отпирается, коллекторный ток I_к нарастает, а потенциал коллектора U_к уменьшается. При этом через резисторы проходит одинаковый ток базы. Когда в процессе включения потенциал коллектора опустится ниже величины анодного напряжения, диод откроется и т. е. положительным относительно на .

В рассмотренном каскаде на этапе включения можно допустить большой базовый ток . После отпирания диода VD значительная часть управляющего тока ответвляется через диод VD, благодаря чему базовый ток уменьшается. Так как ток через резистор не меняется ( ), то ответвившийся через диод VD ток замыкается на через транзистор VT.

В настоящее время нелинейную ООС реализуют с помощью диода Шотки. Он представляет собой алюминий-кремниевый диод с малым падением напряжения в отпертом состоянии (менее 0, 5 В), в котором практически отсутствует накопление заряда, благодаря чему время его переключения составляет единицы наносекунды.

Рисунок 3.16 Транзистор Шоттки

Единую интегральную структуру транзистор - диод Шоттки называют транзистором Шоттки, его условное обозначение показано на рис 3.16.

Ключи на МДП-транзисторах

От биполярных МДП-транзисторы выгодно отличаются весьма большим входным сопротивлением по постоянному току и меньшей площадью, особенно в ИМС.

Рис 3.17 Схемы ключей на МДП-транзисторах

Если напряжение между затвором (3) и истоком (И) менее отрицательно, чем пороговое, транзистор заперт и стоковое напряжение близко к . Когда отрицательным управляющим импульсом транзистор отпирается, рабочая точка оказывается в крутой области стоковых характеристик, где остаточное напряжение на транзисторе мало.

В ИМС ключей роль резисторов выполняют МДП-транзисторы. Это позволяет уменьшить площадь, занимаемую ключом, обеспечивает большую технологичность микросхемы и улучшает ее параметры. Транзистор VT1 является управляющим, а VT2 – нагрузочным, он постоянно открыт. Ключ нормально функционирует, если сопротивление открытого транзистора VT1 много меньше сопротивления отпертого транзистора VT2, что обеспечивается при изготовлении ключа.

Схема ключа на МДП-транзисторах с индуцированными каналами разных типов проводимости на (комплементарных) КМДП-транзисторах.

Рис 3.18 Схема ключа на МДП-транзисторах с

⇐ Предыдущая 17 18 19 20 212223 24 25 26 Следующая ⇒