Вопрос 17. Ключи

Роль электронных аналогов механических замыкателей (размыкателей) могут выполнять диоды и транзистры.

При этом диоды управляются самим сигналом, а в транзисторах цепь управления разделена с коммутируемой цепью.

Основные св-ва (характеристики) электронных ключей

1)Сопротивление закрытого ключа.

2)Сопротивление открытого ключа ( альтернативно - напряжение на ключе).

3)Быстродействие.

4)Управляющее напряжение (пороговое напряжение) – напряжение при котором резко изменяется сопротивление ключа.

При быстрых процессах необходимо учитывать динамические эффекты в диодах. Рассмотрим работу диодного ключа от источника с большим внутренним сопротивлением.

Диодные ключи

Рис.1. Простейший ключ на диоде

Пусть R_у>>r_д =r_б+r_э. Сопротивлением ключа в первом приближении определяется дифференциальным сопротивлением диода r_дr_б. Сопротивление r_б определяется концентрацией носителей в базе. Проводимость базы σ_бо=q(μ_nn_бо+μ_pp_бо),

где q – заряд электрона, μ_n, μ_p –подвижность электронов и дырок, n_бо, p_бо – концентрации электронов и дырок в базе. Т.к. n_бо>>p_{бо ,} то σ_бо=qµ_nn_бо , здесь индекс _о соответствует равновесному состоянию.

Начальная проводимость: y_бо=σ_боS_б/W, где S_б-сечение, W-толщина базы.

Ключи на БТ

Транзисторный ключ один из наиболее распространенных узлов импульсных устройств. На его базе создаются коммутаторы, триггеры, мультивибраторы, цифровые логические схемы и т.п.

Основные состояния ключа:

• разомкнутое - транзистор заперт (режим отсечки);

• замкнутое - режим насыщения или близкий к нему (двойная инжекция);

• линейный режим - это режим переключения транзистора.

Р ассмотрим простейшую схему ключа с ОЭ.

Рис.5. Схема ключа а) и ВАХ транзистора б).

В точке А ключ заперт , а в В - открыт.

Вопрос 18. Ключи на биполярных транзисторах. Схемы включения. Ключ с оэ.

О пираясь на уравнения Эберса-Молла определим токи I_к , I_э , I_б.

I_э=I_эо(еxp(U_эб/φ_т)-1)+α_II_k

I_k=-I_ko(exp(U_кб/φ_т)-1)+α_NI_э

I_б=[(1-α_N)/(1-α_Nα_I)]I_эо(exp(U_эб/φ_т)-1) +[(1-α_I)/(1-α_Nα_I)]I_ко(exp(U_кб/φ_т)-1)

Полезно также вспомнить соотношения α_NI_эо=α_II_ко.

Рассмотрим так называемый режим глубокой отсечки, т.е. │U_бэ │>>φ_т и │U_кэ │>>φ_т, напряжение на базе отрицательное. В этих условиях:

I_э=-I_эо+α_II_k

I_k=I_k+α_NI_э

I_б=-I_эо (1-α_N)/(1-α_Nα_I )- [(1-α_I)/(1-α_Nα_I)]I_ко

Подставляя I_k в первое уравнение системы (вместо I_эо введём (α_I/α_N) I_ко), получим:

I_э=- (α_I/α_N) [(1-α_N)/(1-α_I)] I_ко=-(β_I/β_N)[(1+β_N)/(1+β_N+β_I)] I_ко≈- (β_I/β_N) I_ко , т. к. β_N>> β_I.

I_k=[(1-α_N)/(1-α_Nα_I)] I_ко=[(1+β_N)/(1+β_N+β_I)] I_ко≈ I_ко I_б=- I_ко[(α_N+α_I-2 α_Nα_I)/(α_N(1-α_Nα_I))]=- I_ко[(1+β_N)/(1+β_Nβ_I)](1+ β_I/β_N) ≈- I_ко

Таким образом ток эмиттера меньше всех токов т.к. β_N>>β_I и окончательно

I_э=-(β_I/β_N) I_ко≈0

I_k =I_ко

I_б≈- I_ко

На резисторе R_б возникает падение напряжения и поэтому запирающий потенциал уменьшается. Для надежного запирания необходимо выполнить условие:

E_б>>I_коR_б.

При уменьшении Е_б токи будут изменяться и на границе режима отсечки и активного режима - U_эб≈0.

В этом случае все токи будут равны:

I_э= α_II_к

I_k = I_ко+ α_N I_э

I_б=-[(1-α_I)/(1-α_Nα_I)] I_ко

I_э= [(1+β_N)/(1+β_N+β_I)] β_I≈ β_I I_ко

I_к=[(1+β_N)(1+β_I)/(1+β_N+β_I)] I_ко≈(1+β_I) I_ко

I_б=-=[(1+β_N)(1+β_I)]/[(1+β_I)(1+β_N+β_I)]I_ко≈-I_ко

Т.е. при неизменном токе базы на границе существенно возрастают ток эмиттера и коллектора, причем ток эмиттера меняет знак.

Зависимость токов от напряжения U_эб приведена на рисунке 6:

Видно, что увеличение резистора в цепи базы может привести к выводу транзистора в линейный режим. Следует иметь в виду , что у кремниевых транзисторов тепловые токи столь малы, что проведенный анализ во многом бессмысленен с практической точки зрения. Для дрейфовых транзисторов большие E_б могут привести к (обратимому) пробою эмиттерного перехода.