Короткова Електротехника и електроника Основы микроелектроники 2010

вертикальные ( rКЭ

0 ) участки, биполярный транзистор можно

использовать как ключ, замыкающий и размыкающий промежуток между коллектором и эмиттером в зависимости от значения управляющего тока базы.

Замкнутое состояние ключа соответствует области насыщения БТ, а разомкнутое состояние – области отсечки. Выходные ВАХ БТ имеют параметром ток базы, поэтому для управления ключом с

помощью источника напряжения (U у пр ) необходима схема управ-

ления, преобразующая потенциальный входной сигнал в токовый. Схема ключа на биполярном транзисторе с резистивной схемой

управления приведена на рис. 3.4.

ЕК

RК

Uвых

R1 База

Uупр T

RН

R2

Есм

Рис. 3.4. Схема ключа на БТ с резистивной схемой управления

Состояния разомкнутого и замкнутого ключа обеспечиваются схемой управления, состоящей из источника напряжения смещения

Есм и резисторов R1 и R2 .

Исходным состоянием ключа может быть как замкнутое, так и разомкнутое. Энергетически более выгодно состояние разомкнутого ключа, так как в отсечке транзистор не потребляет энергии ни от управляющего источника, ни от коллекторного источника питания.

31

При нулевом управляющем напряжении (U у пр1 0 ) потенциал базы БТ меньше или равен потенциалу эмиттера (U Э 0 ) благодаря источнику смещения Есм 0 . В этом случае как эмиттерный,

так и коллекторный переходы смещены в обратном направлении, так что транзистор находится в отсечке, а ключ разомкнут. Токи через обратносмещѐнные переходы пренебрежимо малы (нулевые),

напряжение на коллекторе равно коллекторному питанию ЕК . На

выходе устанавливается уровень логической единицы – самый высокий потенциал в данной схеме.

Высокий уровень входного (управляющего) сигнала (Uвх2 U 1 )

должен обеспечить насыщение транзистора в нагрузочном ключевом элементе (нагрузкой ключа обычно является аналогичный ключевой каскад). Ток коллектора в насыщении ограничивается

внешними элементами схемы ЕК и RК :	I КН	ЕК	U КЭН ЕК						,
			R	K			R	K
где U КЭН U БЭпр U БКпр – напряжение	между		коллектором						и
эмиттером транзистора в насыщении, причѐм U КЭН					EK . Высо-

кий положительный потенциал на входе позволяет обеспечить ток

базы

транзистора

на уровне,

достаточном для

насыщения:

I

I

I КН

. Так как I

U вх1 U БЭпр

,

то для

насыщения

Б

Б.гр

β

Б

R1

транзистора должно выполняться условие R1

βRK .

Основной характеристикой ключа является его переключатель-

ная характеристика – зависимость коммутируемого напряжения от управляющего напряжения . При нулевом входном напряжении благодаря источнику смещения потенциал на базе оказывается отрицательным, поэтому U Б U Э , U Б U К и переходы

база-эмиттер и база-коллектор смещены в обратном направлении. Ток базы равен нулю, ток коллектора равен нулю, а транзистор находится в области отсечки. Коллекторное напряжение определяется источником коллекторного питания и коллекторным сопротив-

32

БЭпр

БЭпр

лением: U КЭ U вых ЕК I K RK EK . Это состояние сохраняется, пока транзистор находится в отсечке, т.е. переход базаэмиттер закрыт. В этой области работы напряжение на коллекторе (выходе) не зависит от величины U у пр .

Для отпирания эмиттерного перехода необходимо, чтобы напряжение на базе достигло уровня, достаточного для прямого сме-

щения эмиттерного перехода (U ) (U – параметр БТ). Потенциал базы относительно эмиттера складывается под влиянием

двух	источников							напряжения	U у пр	и	Есм :
U Б	U у пр	R2			Eсм		R1	. Напряжение на входе, при котором
	R1	R2			R1		R2

произойдѐт отпирание эмиттерного перехода, называется входным

напряжением отпирания ключа: U у пр U вх.от .	Итак, пока
0 U у пр U вх.от , транзистор находится в отсечке и выходной по-
тенциал равен уровню логической единицы.
После отпирания эмиттерного перехода (U у пр	U вх.от ) транзи-

стор попадает в нормальный активный режим работы (эмиттерный переход смещѐн прямо, а коллекторный – обратно). Появляется ток базы, возрастающий с ростом входного напряжения. Поскольку в активной области ток коллектора пропорционален току базы

I K β I Б , то при увеличении тока базы ток коллектора увеличивается, а коллекторное напряжение уменьшается. Когда напряжение на коллекторе уменьшится настолько, что U Б станет больше U K на величину, достаточную для отпирания перехода, откроется

коллекторный переход транзистора, и БТ попадает в область насыщения. Ток коллектора перестаѐт увеличиваться, ограниченный

значениями ЕК	и RК , а потенциал коллектора фиксируется на
уровне U КЭН	U БЭпр U БКпр . Это напряжение является парамет-

ром БТ и практически не зависит от тока базы, а определяется материалом и технологией производства БТ. Обычно U КЭН 0,1 В . Напряжение на входе, при котором коллекторный переход смеща-

33

ется в прямом направлении, называется граничным (U вх.гр ) и соот-

ветствует границе между активной областью работы БТ и областью насыщения. В этой точке выполняются одновременно условия на-

сыщения и активной области, т.е. I K I КН и I K β I Б.гр . При дальнейшем увеличении входного напряжения ток базы БТ будет возрастать, но ток коллектора и напряжение на коллекторе более не изменяются. Изменяется только глубина насыщения, которая ха-

	рактеризуется коэффициентом насыщения КН		I Б	, показы-
		I	Б.гр

вающим во сколько раз текущий ток базы превосходит граничный ток базы.

Общий вид переключательной характеристики ключа показан на рис. 3.5.

Uвых	Отсечка	Нормальная
		активная
U1		область

Насыщение

U0

Uвх.от Uвх.гр

Uупр

Рис. 3.5. Переключательная характеристика ключа на БТ с резистивной схемой управления

Для прикидочных расчѐтов обычно переключательную характеристику аппроксимируют линейными отрезками для каждой из областей работы БТ, получая кусочно-линейную аппроксимацию, приведѐнную на рис. 3.6.

34

Uвых
U1	L	Uвых=Uупр	45о	L
	U0пом
Uпор.лог	U1пом			L1
U0	M
	U0 Uвх.от Uвх.гр	U1 Uупр
	а			б

Рис. 3.6. Кусочно-линейная аппроксимация переключательной характеристики ключа (а) и методика определения координаты точки перелома L (б)

По переключательной характеристике можно определить основ-

ные статические параметры ключа:

1)	уровень логического нуля	U 0	U	КЭН	; уровень логической
единицы U 1 ЕК ;
2)	логический перепад U лог	U 1	U 0 ;
3)	ширину активной зоны U акт		U вх.гр		U вх.от ;

4) пороговое напряжение (напряжение переключения, напряжение срабатывания). U пор.лог – напряжение, соответствующее точке

пересечения переключательной характеристики ключа и линии U вых U у пр . Напряжение U пор.лог находится примерно в середине

активной зоны переключательной характеристики. Если переключательная характеристика резко спадает, то еѐ удобно аппроксими-

ровать ступенчатой функцией с перепадом от уровня U 1 до уровня

U 0 при значении управляющего напряжения U у пр U пор.лог .

5) помехоустойчивость (запас по помехоустойчивости) – амплитуду помехи, вызывающей ложное переключение ключа из одного

35

состояния в другое. Если ключ находится в состоянии логической единицы по выходу (на входе – логический нуль), то чтобы перевести ключ в другое состояние, необходимо подать на вход напря-

жение, большее U пом0

U вх.от U 0 . Если ключ находится в со-

стоянии логического нуля (на входе – логическая единица), то, чтобы переключить ключ в состояние логической 1, необходимо подать на вход запирающее напряжение не меньше, чем

Uпом1 U1 Uвх.гр .

Процессы переключения ключа. Длительность процесса пере-

ключения ключа зависит от динамических параметров транзистора и реактивных элементов в цепях управления и нагрузки.

При переключении из одного состояния в другое транзистор проходит три области ВАХ, поэтому длительность переключения представляет собой сумму времѐн нахождения транзистора в каждой из областей. Так, при отпирании ключа, т.е. при переходе из области отсечки в область насыщения через нормальную активную область, переходный процесс начинается в отсечке с заряда вход-

ной ѐмкости транзистора Свх до напряжения, при котором отпира-

ется переход база-эмиттер (задержка отпирания), далее формируется фронт выходного сигнала в активной области, где динамические

параметры транзистора характеризуются постоянной времени τ экв , и заканчивается в области насыщения, где поведение БТ описывается постоянной времени накопления заряда τ н .

При запирании ключа процесс – обратный, транзистор последовательно проходит через три области работы, т.е. из насыщения через активную область в отсечку.

Для рассмотрения переходных процессов в ключе упростим схему ключа, объединив в одном эквивалентном генераторе U вх.экв

источник управляющего сигнала U у пр и источник напряжения

смещения Есм . Пусть	напряжение	эквивалентного генератора
скачком изменяется от уровня – Есм		до максимального значения
управляющего сигнала,	соответствующего логической единице,
ЕК . (Значение U вх.экв	ЕК заведомо обеспечивает насыщение
	36

транзистора.) Временные диаграммы переходного процесса переключения ключа приведены на рис. 3.7.

А. Процесс отпирания ключа. В исходном состоянии на входе действует напряжение U вх.экв Есм . Оба перехода БТ смещены в

обратном направлении. Сопротивления обратносмещѐнных переходов бесконечно велики. Тогда эквивалентная схема входной цепи ключа состоит только из входной ѐмкости, равной сумме барьер-

ных ѐмкостей обратносмещѐнных переходов: Свх СЭ СК . При

скачке входного напряжения потенциал на базе БТ будет изменяться по экспоненте благодаря заряду входной ѐмкости

через сопротивление RБ :

,

где Uвх.m EК Есм , а постоянная времени заряда входной ѐмко-

сти τБ Свх RБ . Пока напряжение на базе не достигнет значения U БЭпр , транзистор остаѐтся в отсечке, напряжение на выходе не изменяется, токи равны нулю.

Время заряда входной ѐмкости от уровня Есм до уровня U БЭпр определяет время задержки начала изменения выходного сигнала

относительно входного скачка.						В момент t1				напряжение на базе
становится равным U БЭпр , т.е.						U Б (t1 )			U БЭпр . Тогда задержка от-
пирания составит t10		t		t		τ		ln	Uвх.m		.
			1		0		Б
	зд								EК U БЭпр
Так как	Свх транзистора обычно невелика (единицы пикофа-
рад), а ЕК	U БЭпр , то время задержки отпирания тоже невелико

(единицы наносекунд).

37

Uвх UБ		τБ
ЕК
UБЭпр
	t0			t
		t1
–Есм
βIБm		τэкв
IКН		IK
IБm
		IБ
UK		t2	t4	t
ЕK
UKЭH
				t
q	10
	t зд	τн		t 01
				зд
qуст

	3τн	t3	t
			t5

Рис. 3.7. Временные диаграммы переходного процесса переключения ключа на БТ с резистивной схемой управления

38

После отпирания эмиттерного перехода напряжение на базе фиксируется на уровне U БЭпр , а БТ оказывается в нормальной ак-

тивной области. Ток базы скачком изменится от 0 до уровня I Б.m ,

который определяется				амплитудой		управляющего сигнала
U вх.экв	EК , I		EК	U БЭпр	. Значение сопротивления		RБ
		Бm		RБ
выбирается так,		чтобы		выполнялось		условие насыщения	БТ
I Б.m	I Б.гр .

В активной области ток коллектора изменяется по экспоненте с эквивалентной постоянной времени τ экв τβ β СК RK , учиты-

вающей как зависимость коэффициента передачи тока базы β от частоты, так и изменение объѐмного заряда у коллекторного перехода (перезаряд ѐмкости коллекторного перехода CK ):

					.
Ток	коллектора стремится установиться					на	уровне
I K.m	β I Б.m , однако он не может быть больше тока коллектора
насыщения I KH . Поэтому достигая в момент времени t2							значения
I KH , ток коллектора ограничивается на этом уровне						IK (t2 ) IKH .

Далее транзистор попадает в область насыщения, и выходной сигнал перестаѐт изменяться. Сформировался фронт выходного напряжения, длительность которого равна времени нахождения БТ в

активной области ( t10 t2 t1 ). В соответствии с экспоненциальной аппроксимацией переходного процесса длительность сформи-

	рованного фронта при отпирании равна t10 τ экв	ln		β I Б.m	.
			β	I Б.m I KH

Чем больше амплитуда управляющего (входного) сигнала, тем короче фронт отпирания, так как занимает меньшую часть экспоненты.

После t t2 напряжение на выходе и ток коллектора больше не изменяются. Однако переходный процесс ещѐ не закончен. В базе

39

происходит установление заряда носителей, соответствующего

глубине насыщения транзистора К Н	β I Б.m	.
	I KH

В режиме насыщения через переходы протекают значительные токи. Токам соответствуют объѐмные заряды в базе у переходов. Изменение заряда – инерционный процесс, причѐм скорость изменения заряда пропорциональна току, вызывающему данное изме-

	нение заряда,	dq	b I (t) , где b – коэффициент пропорциональ-
		dt

ности. Решением данного дифференциального уравнения является экспонента с постоянной времени накопления τ н , определяемой

средним временем жизни носителей заряда в базе БТ в случае прямо смещѐнных переходов:

,

где q у ст – установившееся значение заряда, пропорциональное току

базы I Б.m .

Поскольку в процессе накопления заряда транзистор остаѐтся в одной и той же области работы, т.е. процесс можно считать линейным, то время установления заряда в базе с точностью 5 % равно

3τн . Таким образом, переходный процесс при отпирании ключа заканчивается в момент t t3 , а t3 t2 3τн .

Б. Процесс запирания ключа. В исходном состоянии ключ замкнут, транзистор находится в режиме насыщения. Состояние насыщения БТ обеспечивается величиной входного управляющего на-

пряжения

U вх.экв

EК ,

которое

задаѐт

ток

базы,

равный

I

EК

U БЭпр

.

Ток

коллектора постоянен и

равен

Б.m

RБ

I

EK

U КЭН

,

а выходное напряжение

U

U

. В базе

KH

вых

КЭН

RK

накоплен заряд носителей qу ст τн

I Б.m .

40