В качестве основного примера рассмотрим транзисторный
ключ на кремниевом транзисторе типа n-р-n. Такие ключи являются одним из основных элементов интегральных микросхем, они также могут быть реализованы и на дискретных элементах. Переход к
транзисторам типа р-п-р сводится лишь к изменению полярности источников питания (в тех случаях, когда такой переход связан со схемными изменениями, они оговариваются дополнительно). Наибольшее распространение получил транзисторный ключ по схеме с общим эмиттером. Его принципиальная схема приведена на рис.1.1. Транзисторный ключ может находиться в одном из двух состояний: ВЫКЛЮЧЕНО, когда транзистор закрыт и ключ разомкнут, и ВКЛЮЧЕНО, в этом случае
транзистор открыт и ключ замкнут.
Рис. 1.1. Принципиальная схема транзисторного ключа с общим эмиттером.
Ключом управляют, подавая на его вход управляющее напряжение Uвых. Включенному состоянию соответствует низкий положительный уровень входного сигнала Uвых=U0. Включенное состояние обеспечивается высоким положительным уровнем входного сигнала Uвых=U1. Ключ удерживается в одном из состояний, пока на входе сохраняется соответствующий уровень сигнала. Резистор R ограничивает ток базы, Rк- коллекторная нагрузка, Eк- источник коллекторного напряжения. Транзистор ключа описывается с помощью семейства входных и выходных характеристик, изображенных на рис.1.2.
Особенностью входных характеристик кремниевого транзистора является наличие достаточно большого порога отпирания Uп. При напряжении на базе, меньшем порога отпирания, транзистор всегда закрыт.
Для анализа работы ключа на семейство выходных характеристик наносят нагрузочную прямую, соответствующую определенному сопротивлению резистора Rк и пересекающую координатные оси в точках Ек
и Ек/Rк. При изменении базового тока iб рабочая точка перемещается вдоль этой прямой, определяя в каждый момент времени коллекторный ток, напряжение между коллектором и эмиттером и режим работы транзистора.
Рис. 1.2. Семейство входных и выходных характеристик транзисторного ключа.
Динамический режим ключа.
При анализе работы транзисторного ключа предполагалось, что переход его из состояния ВЫКЛЮЧЕНО в состояние ВКЛЮЧЕНО происходит мгновенно. В действительности, даже если подавать на вход ключа идеальный прямоугольный импульс или перепад, соответствующие изменения выходного напряжения будут происходить не мгновенно, а в конечные промежутки времени, определяемые длительностью переходных процессов.
Инерционные факторы, влияющие на работу ключа. Возникновение переходных процессов объясняется инерционными свойствами, которыми обладают как сам транзистор, так и внешние цепи, подключенные к нему. Инерционность таких цепей связана с наличием паразитных емкостей (монтажа, нагрузки и т. д.), которые при переключении ключа заряжаются и разряжаются за конечное время. Учтем эту емкость введением в схему ключа некоторой нагружающей емкости Сн (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Схема ключа с нагружающей емкостью и его диаграмма.
Инерционность транзистора, обусловленная процессами накопления и рекомбинации заряда в базе при коммутации ключа, называется внутренней, а инерционность транзистора, вызванная наличием барьерных емкостей переходов, называется внешней.
Схемы ключей с повышенным быстродействием.
Как следует из рассмотренного выше, быстродействие ключа можно увеличить, переключив его током базы, временная диаграмма которого представляет на рис. 5,а. В момент t1 для ускорения процесса ключ включается большим током IБ1, затем в момент времени t2 ток уменьшается до значения I'Б1, т. е. транзистор выводится на границу режима насыщения для уменьшения длительности рассасывания. В момент t3 транзистор запирается большим базовым током IБ2.
Ключ с форсирующей (ускоряющей) емкостью. Форму тока, близкую к оптимальной, можно получить, шунтировав резистор R конденсатором (рис. 1.4,6). При появлении входного напряжения в момент t1 транзистор начинает открываться. Базовый ток транзистора в первый момент замыкается через конденсатор, так как последний представляет собой малое сопротивление, близкое к короткому замыканию для скачка тока. Вследствие этого в момент t1 базовый ток имеет большое значение: IБ1 =( Uвх - Uбэ ) / Ru, где Ru - внутреннее сопротивление источника сигнала (например, выходное сопротивление предыдущего ключа); обычно Ru >> R.
б)
а) в)
Рис. 1.4. Схема и характеристики ключа с форсирующей (ускоряющей) емкостью.
Этот ток быстро заряжает барьерные емкости и накапливает заряд в базе транзистора. Благодаря большому току уменьшаются длительности задержки и фронта. По мере заряда конденсатора ток базы уменьшается до значения I'Б1
= Uвх / R, определяемого сопротивлением R, которое выбирается из условия насыщения. Благодаря этому к моменту окончания входного импульса в базе накапливается сравнительно небольшой избыточный заряд.
В момент t3 окончания входного сигнала конденсатор С разряжается через базу транзистора, создавая большой запирающий ток базы IБ2 = Uc / Ru.
Этот ток ускоряет процессы рассасывания и выключения транзистора.
Емкость С не должна быть слишком малой, иначе длительность всплесков токов будет меньше, чем длительность процессов переключения, которую они уменьшают. При этом процесс переключения будет протекать в основном при сравнительно малых токах базы, т. е. не будет ускоряться.
Нельзя выбирать ускоряющий конденсатор и слишком большой емкости, поскольку в этом случае: во-первых, ток базы не успеет уменьшиться до уровня IБ2 к концу входного импульса и в базе накопится весьма большой избыточный заряд; во-вторых, конденсатор не будет успевать заряжаться до уровня входного импульса к моменту его окончания, процессы рассасывания и включения будут протекать медленнее.
Ключ с нелинейной обратной связью. Обеспечить большой базовый ток включения и одновременно уменьшить время рассасывания можно, используя схему ключа с отрицательной обратной связью, в которой не допускается насыщенный режим работы транзистора. Особенно важно это при использовании высокочастотных дрейфовых транзисторов, отличающихся тем, что у них время жизни неосновных носителей в режиме насыщения значительно больше, чем в активном режиме. Схема ненасыщенного ключа приведена на рис. 1.5.
а)
б)
Рис. 1.5. Схема ключа с нелинейной обратной связью.
Нелинейная отрицательная обратная связь осуществляется через диод VD. Состояние диода определяется полярностью и величиной напряжения, действующим между анодом и катодом диода. В исходном состоянии диод закрыт за счет высокого положительного потенциала на катоде. Отрицательная обратная связь не действует. При подаче большого входного сигнала Uвх = U1, входной ток вначале течет через R1 и R2 в базу транзистора, обеспечивая большой ток включения IБ1. В процессе отпирания транзистора напряжение на коллекторе уменьшается от Ек, стремясь к 0, и в тот момент, когда напряжение между базой и коллектором, уменьшаясь, достигнет значения, равного падению напряжения от входного тока на R2, диод VD открывается и часть входного тока будет протекать через диод и коллектор на землю в обход базы. В результате ток базы уменьшается до значения I'Б1<I'Бнас, и транзистор не входит в насыщение. Сопротивление R2 выбирают таким, чтобы падение напряжения на нем за счет тока базы было больше падения напряжения на открытом диоде. В этом случае напряжение между коллектором и базой остается положительным, хотя и небольшой величины, и вхождение транзистора в насыщение предотвращается.
При изготовлении ключа методами микроэлектроники в цепи обратной связи иногда используются диоды Шотки, выполненные в едином технологическом процессе с интегральным транзистором также с барьером Шотки. Диод Шотки представляет собой переход металл - полупроводник.
Для работы ключа с нелинейной обратной связью необходимо, чтобы диод, включенный параллельно коллекторному переходу транзистора, открывался при сравнительно малом напряжении, когда коллекторный переход еще закрыт. Это и обеспечивает диод с барьером Шотки.
В подобных ключах можно получить очень малые времена выключения, поскольку транзисторы с барьером Шотки имеют, как правило, более высокие значения коэффициента усиления и более низкие значения неуправляемых токов.
Работа транзистора в усилительном режиме.
Для того, чтобы транзистор работал в режиме усиления входного сигнала, эмиттерный переход смещают в прямом направлении, коллекторный в обратном, соответствующие диаграммы показаны на рис. 1.6. Приложенное к эмиттерному переходу смещение уменьшает потенциальный барьер, и из эмиттера в базу инжектируются дырки (в p-n-p – транзисторе) или электроны (в n-p-n – транзисторе), инжектированные носители проходят и достигают коллектора. Между базой и коллектором барьера нет, поэтому все дошедшие до коллектора носители заряда переходят через коллекторный переход и создают коллекторный ток. Поскольку коллекторный переход расположен близко от эмиттерного, основная часть инжектированных эмиттером носителей достигает коллектора, таким образом инжекционный ток эмиттера примерно равен току коллектора. В то же время мощность, затраченная во входной эмиттерной цепи на создание тока, меньше мощности, которая выделяется в выходной коллекторной цепи, т.е. имеет место мощности. Таким образом, входной сигнал, изменяя высоту потенциального барьера, модулирует поток неосновных носителей, создающий коллекторный ток и, соответственно, усиленный за счет энергии коллекторной батареи выходной сигнал.
Рис. 1.6. Диаграммы транзисторов p-n-p (а) и n-p-n (б) в режиме усиления.
На рис. 1.7 показаны энергетические диаграммы для p-n-p и n-p-n транзисторов, соответствующие диаграммам, приведенным на рис. 1.6 б.
Рис. 1.7. Энергетические диаграммы p-n-p (а) и n-p-n (б) транзисторов в активном режиме: эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный в обратном.
На рис. 1.7 показаны потоки носителей, дающие основной вклад в токи через электроды транзистора. Как видно из рисунка, при прямом смещении эмиттерного перехода, помимо потока 1 носителей, инжектированных из эмиттера, возможна также инжекция из базы в эмиттер носителей другого знака, поток 2. Этот инжекционный ток не проходит через коллекторную цепь и, соответственно, не способствует усилению сигнала, поэтому его стремятся сделать как можно меньше. Это достигается тем, что степень легирования эмиттера задается значительно выше, чем степень легирования базы, тогда, соответственно, и инжекционный ток эмиттера выше инжекционного тока базы.
Поскольку коллектор смещен в обратном направлении, высота энергетического барьера для основных носителей в базе и коллекторе велика, и их инжекция через коллекторный переход отсутствует. Через коллекторный переход могут проходить только потоки неосновных носителей заряда, перемещению которых не препятствует поле ОПЗ: это, прежде всего, обеспечивающий усиление сигнала поток прошедших через базу носителей, инжектированных эмиттером, и поток неосновных носителей, генерируемых в базе, создающих дырочную составляющую тока утечки коллекторного перехода.
Перенос зарядов через транзистор можно охарактеризовать следующими уравнениями.
Для p-n-p транзистора:
, где 
(1.1)
Коэффициент инжекции эмиттерного перехода γ показывает, какая часть эмиттерного тока состоит из заряда, инжектированного в базу. Поскольку только инжектированные носители создают эффект усиления, желательно, чтобы коэффициент инжекции был как можно выше (обычно α > 0,99).
Не все инжектированные эмиттером носители доходят до коллектора, некоторая их часть рекомбинирует:
(1.2)
Коэффициент переноса показывает, какая часть инжектированных носителей дошла до коллектора, не прорекомбинировав. Коэффициент переноса зависит от времени жизни неосновных носителей в базе и ее длины. Именно необходимость обеспечить перенос инжектированных носителей через базу транзистора выдвигает требование, чтобы диффузионная длина была больше толщины базы транзистора Lp>>W. Выполнение этого условия позволяет обеспечить высокие значения коэффициента переноса (обычно α > 0,98).
Коллекторный ток состоит из тока носителей заряда, инжектированных эмиттером, и тока утечки коллекторного перехода Iкоб (индекс б означает, что рассматриваемая схема является схемой с общей базой - ОБ), поэтому, учитывая (1.1) и (1.2), запишем:
, где 
(1.3)
Чем выше коэффициент передачи эмиттерного тока в коллекторную цепь, тем выше усиление транзистора по мощности, поэтому иногда этот коэффициент называют коэффициентом усиления транзистора в схеме с общей базой (рис. 51б, 52), однако этот коэффициент всегда несколько меньше единицы, если не происходит лавинного умножения носителей в коллекторном переходе. Последний эффект может иметь место при сравнительно высоких напряжениях и иногда используется в специально сконструированных транзисторах, в этом случае:
α = γκM, (1.4)
где M = Iк/Ipк - коэффициент, характеризующий умножение неосновных носителей, дошедших до коллектора.
Коэффициенты γ и κ характеризуют вклад инжекционных и рекомбинационных процессов в коллекторный ток, т.е. в работу транзистора и его характеристики.
Для n-p-n транзистора можно написать соотношения, аналогичные (1.1) - (1.4), при этом изменяются только индексы, обозначающие тип носителей заряда.
Запишем основные уравнения, характеризующие соотношения между токами транзистора:
Iэ = Iк + Iб, (1.5)
Iк = Iэ + Iкб (1.6)
Для тока Iб можно написать:
Iб = Iэ - Iк = Iэ - αIэ = Iэ(1 - α) – Iкб (1.7)
Постоянное смещение на эмиттерном и коллекторном переходах задает некоторые значения токов и напряжений на эмиттерном и коллекторном переходах: Iэ0, Uэ0, Iк0, Uк0, которые характеризуют некоторую статическую рабочую точку на входных и выходных характеристиках. Обычно для характеристики рабочей точки используют значения тока в выходной цепи, например, для схемы рис. 52, 53 это будут: Iк0, Uк0.
В усилительном каскаде для задания смещения на эмиттерный и коллекторный переходы не обязательно использовать две батареи. Для задания смещения на эмиттерный переход, как правило, используется резистивный делитель, как это показано на рис. 54, который иллюстрирует три возможных способа задания входного сигнала относительно выходного и соответствующие эквивалентные схемы каскадов по переменному сигналу: схема с общим для входной и выходной цепей базовым электродом - ОБ, эмиттерным электродом - ОЭ и коллекторным - ОК (при составлении эквивалентных схем по переменному току сопротивление батарей принимается равным нулю).
Рис. 1.8. Три схемы включения источника сигнала и нагрузки в усилительном каскаде и соответствующие схемы замещения каскадов по переменному току.
Сигнал от внешнего источника может сопровождаться изменением токов через электроды транзистора и напряжений на его электродах:
Iэ(t) = Iэ0 + ΔIэ(t), Uэ(t) = Uэ0 + ΔUэ(t); (1.8)
Iб(t) = Iб0 + ΔIб(t), Uб(t) = Uб0 + ΔUб(t); (1.9)
Iк(t) = Iк0 + ΔIк(t), Uк(t) = Uк0 + ΔUк(t). (1.10)
Будем использовать для обозначения сигналов вместо приращений прописные буквы, тогда для коэффициентов передачи по току из (1.8), (1.9), (1.10) для схем ОБ, ОЭ, ОК получим:
Kiб= iк/iэ= α, (1.11)
Kiэ= iк/iб= α./(1- α.), (1.12)
Kiк= iэ/iк= 1/(1-α) (1.13)
Часто для коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером используют значок β = Kiэ= α/(1- α.). Тогда Kiк= 1/(1-α)= β+1.
Коэффициент α <1 и, как правило, составляет 0,98 - 0,99, при этом, соответственно, коэффициент β >> 1 и составляет 49 - 99. Таким образом, для схем ОЭ и ОК имеет место усиление тока.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему