 |
Насыщенный транзисторный ключ на биполярном транзисторе.
|
|
|
|
Рассмотрим режимы работы транзисторного ключа.
Выбираем транзистор VT n-p-n типа, схема включения с общим эмиттером показана на рис. 4.2.
Рис. 4.2
Для ключа на транзисторе p-n-p типа меняются полярности напряжений.
Транзистор в нашей схеме может находиться в одном из трёх состояний:
1) Закрыт (выключен), находится в режиме отсечки (область 1);
2) Открыт, находится в линейной области в активном режиме (область 2);
3) Открыт (включён), находится в режиме насыщения (область 3).
1) Режим отсечки:
Режим отсечки создаётся путём подачи на базу VT запирающего отрицательного напряжения 
, VT закрыт, оба p-n перехода смещены в обратном направлении.
2) Активный режим:
Активный режим создаётся путём подачи на базу VT положительного напряжения 
. При этом эмиттерный p-n переход будет смещён в прямом направлении, а коллекторный – в обратном направлении, т.к. 
.
В активной области между входными и выходными токами существует жесткая связь:
, т.к. 
; 
,
–коэффициент усиления тока базы.
3) Режим насыщения. Такой режим наступает при 
, при этом VT открыт. Оба p-n перехода смещены в прямом направлении.
В режиме насыщения транзистор перестаёт управляться по цепи базы, поэтому ток коллектора насыщения 
остаётся неизменным и определяется сопротивлением нагрузочного резистора 
:
.
Дальнейшее увеличение входного сигнала при 
приводит к увеличению потока электронов из эмиттера в базу и электроны (неосновные носители) в виде объёмного заряда скапливаются в области базы.
Наступает так называемое насыщение транзистора.
Условие насыщения VT может быть представлено в виде:
; 
.
Количественно глубина насыщения VT характеризуется коэффициентом насыщения
|
|
|
, (
),
а также степенью насыщения
.
С физической точки зрения степень насыщения характеризует собой величину избыточного заряда 
неосновных носителей (электронов) в базе транзистора.
С ростом тока базы растёт по экспоненциальному закону объёмный заряд неосновных носителей в базе VT и на границе насыщения при 
он достигает значения
,
где 
- постоянная времени жизни неосновных носителей в области базы, отражающая частотную зависимость коэффициента передачи 
.
, где 
- верхняя граничная частота VT.
Чем больше избыточный заряд 
, тем сильнее насыщен транзистор, а рассеивание заряда обуславливает инерционность VT при его выключении, что в итоге существенно влияет на быстродействие ключевой схемы.
Статические характеристики ключа
Перепады амплитуд напряжения и тока:
от 0 до 
; 
от 0 до 
; 
от 0 до 
; 
от UКН до ЕК.
Амплитуда выходного напряжения: 
Передаточная характеристика:
Чем уже переходная область, тем лучше передаточная характеристика транзисторного ключа.
–идеальная характеристика
Динамические характеристики электронного ключа
Рассмотрим эпюры токов и напряжений для схемы электронного ключа, изображенной на рисунке ниже.
–объёмный заряд, 
–время задержки, 
–время фронта, 
.
До момента коммутации входной ток 
отсутствовал. Объёмный заряд в области базы после момента коммутации появится с некоторой задержкой из-за наличия ёмкости 
перехода, паразитной ёмкости монтажа.
–средняя продолжительность жизни неосновных носителей в области базы.
Объёмный заряд 
соответствует некоторому току коллектора насыщения 
. Для уменьшения времени включения транзистора необходимо увеличить входной ток
–напряжение закрытого транзистора;
–ток базы логической единицы.
, где 
– граничная частота усиления транзистора (
).
При выключении транзистора
|
|
|
.
|
|
|
