фоэ,1ч

“включено” (ключ замкнут). Состояние “включено” должно характеризоваться минимальным падением напряжения на ключе, а состояние “выключено” – минимальным током утечки. Роль ключа может выполнять биполярный или полевой транзистор. Переключение электронного ключа из одного состояния в другое осуществляется подачей на вход устройства управляющих импульсов или уровней напряжения.

5.1.1. Состояние “выключено”

На рис. 5.1а изображена схема нормально разомкнутого ключа на n-p-n транзисторе. При отсутствии на входе управляющего импульса транзистор

VT закрыт, т.к. напряжение Uбэ=0, а пороговое напряжение отпирания кремниевого n-p-n транзистора равно приблизительно 0,6 В. В базовой и коллекторной цепях протекает ток обратно смещенного коллекторного перехода Iко

(iк = Iко, iб = − Iко), который весьма мал и составляет доли микроампера. Напряжение на коллекторе закрытого транзистора равно

Uкз=Ек − Iко Rк ≈ Ек.

Поскольку ток Iко очень мал, то Uкэ незначительно (на десятые доли вольта) отличается от напряжения источника питания Ек.

Идеально разомкнутая цепь (рис. 5.1, в) характеризуется равенствами: i = 0, Uкл = E. Эти равенства приблизительно, но с достаточной для практики степенью точности, выполняются для коллекторной цепи транзистора, на-

ходящегося в режиме отсечки: iк ≈ 0, Uкз ≈ Eк. Поэтому можно утверждать, что транзистор, находящийся в режиме отсечки, выполняет роль разомкнутого ключа для коллекторной цепи. Рабочая точка режима “выключено” находится на пересечении линии нагрузки со статической характеристикой, со-

ответствующей току базы Iб =−Iко, и находится в точке 1, (рис. 5.1б).

5.1.2. Состояние “включено”

При подаче на вход положительного импульса управления с амплитудой Uвхm транзистор открывается, появляются базовый и коллекторный токи, которые в усилительном режиме связаны следующим приблизительным равенством:

Iк ≈ β Iб,

где β − коэффициент усиления по току для схемы ОЭ.

40

Рис. 5.1

Увеличение входного базового тока вызывает увеличение коллекторного тока. При некотором токе базы Iбн, ток коллектора достигает значения

	I кн ≈	Eк	и перестает изменяться Iкн = β Iбн. (*).
		Rк

Транзистор входит в режим насыщения (точка 2, рис. 5.1б). В режиме насыщения оба перехода транзистора смещены в прямом направлении, сопротивление транзистора резко падает, ток в коллекторной цепи Iкн достигает значения, близкого к максимально возможному, а напряжение на коллекторе транзистора в режиме насыщения Uкн минимально (см. проекции точки 2 на оси тока и напряжения). Дальнейшее увеличение базового тока не приводит к увеличению тока коллектора и равенство (*) уже не выполняется. Следует заметить, для того чтобы транзистор наилучшим образом выполнял роль замкнутого ключа, недостаточно его просто открыть, а необходимо ввести его в режим насыщения. Замкнутое состояние идеального ключа (рис. 5.1, б) характеризуется равенствами:

I = ER и Uкл = 0.

Эти равенства выполняются с большой степенью точности только в режиме насыщения транзистора

I кн ≈ Eк , Uкн ≈ 0 (составляет доли вольта).

Rк

41

Когда транзистор открыт и ненасыщен, эти равенства не выполняются (см., например, проекции точки 3, рис. 5.1, б).

Режим насыщения обеспечивается подбором параметров схемы ключа и амплитудой входного сигнала. Условие насыщения

				Iб > Iбн,
	где Iбн	=	Iкн	− минимальное значение базового тока, при котором наступа-
			β

ет насыщение транзистора. В частном случае, на рис. 5.1, б, ток Iбн соответст-

вует току Iб5,

Iб − реальный ток, протекающий в базовой цепи открытого транзистора. Для рис. 5.1 а) он равен

I б =URвхm .

При этом условие насыщения для схемы рис. 5.1 а) запишется так

	Uвхm	>	Eк	.	(5.1)
	R
			Rкβ

Степень насыщения транзистора оценивается коэффициентом

S =	I	б	=	I β β
					(5.2)
	I бн
				I кн

Рассмотренный ключ называют нормально разомкнутым, т.к. при отсутствии управляющего входного сигнала коллекторная цепь разомкнута, а при подаче входного положительного импульса цепь замыкается на время действия входного импульса. Работа такой цепи иллюстрируется рисунком 5.2.

	uвх
		Uвхm	t
	uк

Uкн	Uкз Ек
	t

Рис. 5.2

42

5.2. Нормально замкнутый электронный ключ

Схема нормально замкнутого электронного ключа изображена на рис. 5.3.

Рис. 5.3

При отсутствии управляющего входного импульса транзистор открыт, т.к. на переход база-эмиттер подано прямое смещение от источника Eк через гасящий резистор R. Чтобы открытый транзистор был насыщен, нужно, чтобы параметры схемы удовлетворяли неравенству (5.3).

	Iб > Iбн,	E к	>	E к	, R < βR к .	(5.3)
		R		R к β

При выполнении неравенства (5.3) транзистор в схеме на рис. 5.3 открыт и насыщен и выполняет роль замкнутого ключа для коллекторной цепи.

При подаче отрицательного управляющего импульса транзистор входит в режим отсечки и на время действия этого импульса выполняет роль разомкнутого ключа для коллекторной цепи. Работа нормально замкнутого ключа на n-p-n транзисторе иллюстрируется рисунком 5.3, б.

5.3. Быстродействие транзисторного ключа

5.3.1. Время включения

Вследствие того, что физические процессы в транзисторе носят диффузионный характер, транзистор является инерционным прибором, и переклю-

43

чение его из одного состояния в другое происходит не мгновенно. Время перехода транзистора из режима отсечки в режим насыщения, а ключа - из ра-

зомкнутого состояния в замкнутое, называется временем включения tвкл (оно

равно длительности переднего фронта импульса тока коллектора tф1), как показано на рис. 5.4. При подаче управляющего положительного отпирающего

импульса в базовой цепи потечет ток Iб1 = URвхm . Ток коллектора вследствие

инерционности транзистора стремится к значению β Iб1 не скачком, а по закону переходной характеристики транзистора

		1	Iк = βIб1 (1−e−t /τβ ),
	где τβ =		- постоянная времени транзистора,
		2πfβ

где fβ - граничная частота транзистора.

Время включения можно найти из закона переходной характеристики транзистора как время, за которое ток коллектора достигает значения Iкн и перестает изменяться (рис. 5.4)

						−	tвкл
Iкн = β Iб1 (1−e τβ ) ,
	−		tвкл
			τβ = β Iб1 − Iкн,
β Iб1 e
−	tвкл			β I		− I
	τβ		=		б1			кн .
e
				β Iб1

Прологарифмировав это выражение, получим:

tвкл	= ln	β Iб1	= ln				1	,
							Iкн
τβ		β Iб1 − Iкн		1		−
							β Iб1

откуда

tвкл =τβ ln		1		.
	1−	Iкн
		β Iб1

44

Применив известные формулы приближенного вычисления для малых α,

1−1α ≈1+α и ln (1+α) ≈ α,

получим, что при больших отпирающих токах базы Iб1, когда значение

Iкн		мало,
β I
	б1

I

tвкл ≈τβ β кн . (5.4)

Iб1

Рис. 5.4

45

5.4.2. Время выключения

Когда транзистор находится в режиме насыщения, в области базы скапливается большое число неосновных носителей (избыточный заряд). В результате этого после окончания входного отпирающего импульса неосновные носители продолжают поступать в коллектор, поддерживая ток в коллекторной цепи, пока не произойдет рассасывания избыточного заряда в базе.

Это время называется задержкой на выключение tз, рис. 5.4. Время перехода транзистора из режима насыщения в режим отсечки, а ключа из замкнутого состояния в разомкнутое называется временем выключения. Оно состоит из двух слагаемых – времени задержки на выключение и длительности заднего фронта импульса

tвыкл = tз + tф2 .

Времязадержкиможно найти как время, за которое теоретический коллекторный ток уменьшается от значения β Iб1 до значения Iкн по закону переходной характеристики транзистора, рис. 5.4:

−	t	з
IКн = β Iδ1 − β Iδ (1−e τβ ) ,

−	t	з
β Iδ e τβ = β Iδ − β Iδ1 + IКн,

Iδ = I δ 2 + I δ1 ,

β Iδ e−	tз							β Iδ1
	τβ		= β			Iδ − IКн(			−1),
								IКн
				−	tз
β Iδ e					τβ = β Iδ −IКн(S −1) ,
e−		tз		=	β Iδ − IКн(S −1) ,
		τβ
							β Iδ

46

t		=τ		ln			1	≈τ		IКн(S −1)	(5.5)
	з						IКн(S −1)
			β	1		+			β β Iδ
							β Iδ

Длительность tф2 также находится из закона переходной характеристики транзистора как время, за которое коллекторный ток убывает от значения Iкн до нуля:

−

tз

IКн − β Iδ′(1−e τβ ) = 0 ,

Iδ′ =

I δ 2

+

I δн

,

tф2 ≈τβ

IКн

.

(5.6 )

β

Iδ′

5.5. Методы повышения быстродействия транзисторных ключей

При работе на низких частотах время нахождения ключа в статическом состоянии гораздо больше времени включения и выключения. Например, на частоте 1кГц период равен 1000 мкс, что гораздо больше времени переключения, которое может составлять десятки микросекунд. Поэтому вопрос о быстродействии ключа на низких частотах можно не ставить.

При работе электронного ключа на частотах сотни килогерц и выше, когда время нахождения ключа в статическом состоянии становится соизмеримым с временем переключения и даже меньше его (таблица 5.1), условия работы ключа нарушаются. Поэтому на указанных частотах принимают меры для повышения быстродействия ключа, т.е. для сокращения времени включения и выключения.

		Таблица 5.1
Частота	Период	Примерное время
		переключения ключа
1 кГц	1000 мкс	20 мкс
100 кГц	10 мкс	20 мкс
1000 кГц ( 1 мГц )	1 мкс	20 мкс

5.5.1. Из анализа формул (5.4), (5.5) и (5.6) видно, что для уменьшения всех этих составляющих, т.е. для повышения быстродействия, в схемах ключей следует применять высокочастотные типы транзисторов, которые имеют

высокую граничную частоту fβ и, следовательно, малое τβ.

5.5.2. Другим методом повышения быстродействия является создание в базовой цепи оптимальной формы тока. Из формулы (5.4) видно, что чем

47

большим током Iб1 открывается транзистор, тем меньше время его открыва-

ния tвкл. С другой стороны, из формулы (5.5) следует, чем больше ток Iб1, тем больше степень насыщения транзистора в состоянии “включено” и тем боль-

ше времени потребуется для вывода его из насыщения tз. Уменьшив время включения, мы увеличиваем время выключения.

Для разрешения этого противоречия желательно, чтобы после вхождения транзистора в режим насыщения, базовый ток уменьшился. Из формул (5.5) и (5.6) видно, что чем большим обратным базовым током Iб2 закрывается транзистор, тем быстрее он закрывается (тем меньше tз и tф2). Из проведенного анализа формул (5.4), (5.5) и (5.6) видно, что форма тока в цепи управления ключом, с целью повышения его быстродействия, должна иметь вид, представленный на рис. 5.5. Для повышения быстродействия ключа нужно создавать броски базового тока в моменты отпирания и запирания транзистора (а не в статическом режиме). Форму тока базы, близкую к желаемой, можно получить, если зашунтировать резистор R в схеме ключа конденсатором, как показано на рис. 5.6.

uвх			t
	Uвхm
iб
	Iб1		Iб
			t
	Iбн
	Iб2	Iб′
		Рис. 5.5

При подаче положительного управляющего импульса потечет ток заряда конденсатора (в начале переходного процесса конденсатор шунтирует

	резистор R)	Iб′1 =		Uвхm	,	который гораздо больше тока базы в статиче-
			rбэ +rгвх
	ском режиме	Iб1 =		Uвхm			. По мере заряда конденсатора ток заряда
				rбэ +rгвх		+ R

убывает по экспоненте и достигает стационарного значения Iб1, которое определяется величиной амплитуды входного сигнала и сопротивлением резистора R. После окончания управляющего входного импульса разряд конденсатора создает бросок обратного тока в базовой цепи, способствуя более бы-

48

строму рассасыванию носителей и более быстрому запиранию транзистора (уменьшается время выключения).

Таким образом, конденсатор, включенный параллельно резистору R, не влияет на статические состояния ключа, но создает необходимые для повышения быстродействия скачки токов в базе в моменты открывания и закрывания транзистора. Поэтому он называется ускоряющим конденсатором. Схема критична к выбору этого конденсатора. Заметный эффект повышения быстродействия проявляется, когда емкость Cуск имеет значения сотни пикофарад.

Рис. 5.6

5.5.3. Еще одним способом повышения быстродействия транзисторного ключа является устранение насыщения транзистора. С одной стороны, насыщенный режим транзистора в ключевой схеме необходим для выполнения требований к ключу (получения минимального остаточного напряжения на ключе и максимального тока в коллекторной цепи). С другой стороны, для повышения быстродействия насыщенный режим транзистора не желателен. Для удовлетворения этих двух требований необходимо остановить рабочую точку на характеристиках в активном режиме, но близком к насыщению (точка 4 на рис. 5.1, б). Однако практически реализовать такой режим не представляется возможным из-за большого разброса параметров транзисторов. Ненасыщенный, но близкий к насыщению режим работы транзистора получают используя нелинейную отрицательную обратную связь – НООС. Схема ключа с НООС изображена на рис. 5.7. Когда транзистор закрыт, закрыт и диод и обратная связь не действует. При подаче управляющего импульса транзистор открывается и входит в активный режим, при этом базо-

49