Электронный ключ на биполярном транзисторе

    Принципиальная схема электронного ключа на БТ с ОЭ показана на рис. 13.2, а.                

В исходном состоянии при  или  БТ закрыт, т.е. работает в режиме отсечки.   При использовании в качестве активного элемента кремниевых транзисторов, имеющих малое значение тока , и непосредственной связи ключа с источником сигнала дополнительный источник напряжения  можно исключить.

                    а                                   б

Рис. 13.2

    Передаточная характеристика ключа может быть рассчитана графоаналитическим методом с использованием известных семейств входных  при  и выходных  при  характеристик  транзистора. Для этого принципиальную схему ключа приводят к эквивалентной, показанной на рис. 13.3, б, где

,                          (13.22 )

.                               (13.23 )

 На семействе выходных ВАХ БТ, как показано на рис. 13.3, а, строится нагрузочная прямая, описываемая уравнением .                                        

                а                             б                          в

Рис. 13.3

1) В точках пересечения нагрузочной прямой с выходными

характеристиками, соответствующими токам базы , определяются значения напряжения коллектор — эмиттер, которое является выходным

2) По входной характеристике БТ  при  для тех же

значений тока базы находятся соответствующие напряжения база-эмиттер , как показано на рис. 13.3 б.

3)  Входное напряжение рассчитывается согласно выражению

.               ( 13.24)

4) По известным парам значений напряжения  строится

передаточная характеристика, показанная на рис. 13.2, в.

На передаточной характеристике можно выделить три характерных участка, которые разграничены точками, соответствующими входному пороговому напряжению нуля  и единицы .

1) При  ключ закрыт (транзистор находится в режиме

отсечки), на выходе высокий (единичный) уровень напряжения:

.                  ( 13.25 )

    Пороговое напряжение нуля — значение входного напряжения, при котором БТ переходит из режима отсечки в активный режим работы, и рассчитывается по формуле

     ,                                  ( 13.26)

       где  — пороговое напряжение база-эмиттер БТ. Для кремниевых транзисторов можно принять .

2) При  транзистор находится в активном режиме. При этом выходное напряжение линейно зависит от входного:

.                                               (13.27)

Коэффициент передачи K определяется усилительными свойствами БТ:

,                                            (13.28)

где  — статический коэффициент передачи по току БТ с ОЭ;  — входное сопротивление БТ с ОЭ.

3) При  на выходе низкий (нулевой) уровень напряжения, который определяется напряжением коллектор-эмиттер насыщения:

.                          ( 13.29 )

Пороговое напряжение единицы  соответствует входному напряжению, при котором БТ из активного режима работы входит в режим насыщения

.           ( 13.30 )

    При дальнейшем росте  ток базы растет, однако коллекторный ток практически не изменяется. Степень насыщения БТ определяется коэффициентом насыщения, который рассчитывается по формуле

,                                       ( 13.31 )

где  — ток базы при максимальном значении входного напряжения. Если , то ключ насыщенный.

     Для надежного насыщения БТ в ключе без подбора транзисторов необходимо при расчете ключа принимать значение коэффициента насыщения . Следует помнить, что чрезмерное увеличение S снижает быстродействие ключа.

Быстродействие транзисторного ключа (параметры быстродействия) зависят от параметров используемого транзистора, номинальных значений элементов схемы, сопротивления нагрузки и ее характера. Диаграммы напряжений и токов, действующих в транзисторном ключе, при подаче на вход прямоугольного импульса показаны на рис.13.4. На них указаны временные интервалы, определяющие количественно параметры быстродействия ключа.

  1. На интервале времени  происходит нарастание коллекторного тока и уменьшение выходного напряжения ключа. Коллекторный ток не может измениться мгновенно, что обусловлено тремя причинами: задержкой фронта импульса за счет перезаряда входной емкости транзистора, конечным временем пролета носителей через базу БТ и перезарядом барьерной емкости коллекторного перехода.

Задержка фронта обусловлена зарядом входной ёмкости закрытого транзистора (рис. 3.б), который начинается после того, как управляющее напряжение изменит свою величину от Е₁ до Е₂.

Процесс заряда описывается уравнением

U_б(t) = E₂ (1 - e ^{– t / tc}) - E₁ e ^{– t / tc}

где t _с = С_вх R _б - постоянная времени заряда.

Обычно считают, что С_вх =С_э + С_к = 1…2пФ.

      Когда напряжение U_б, нарастая, становится равным напряжению U_отп, отпирается эмиттерный переход транзистора, этап заряда заканчивается, и время задержки

t _{з ф} = t_с ln [(E₂ + E₁) / (E₂ - U_отп)]

        Например, если E₁ = 0 и E₂ = 3 В, то t _{з ф} ≈ 0,25 t_с. При С_вх = 2 пФ и R_б = 2 кОм получается, что t_с = 4 нс, a t _{з ф} ≈ 1 нс.

            Поскольку время пролета носителей заряда в базе сказывается только на предельных частотах, практически можно оценить влияние времени перезаряда барьерной емкости коллекторного перехода, которое называется длительностью фронта импульса и приближенно рассчитывается по формуле

,                  (13.32 ) 

где  — постоянная времени включения, определяется выражением

,                                 (13.33 )   

; . (13.34 )

      Время включения ключа определяется суммой времени задержки фронта и длительности фронта импульса.

2. На промежутке времени  при действии максимального

входного напряжения коллекторный ток транзистора и выходное напряжение ключа не изменяются, в базе происходит накопление неосновных носителей заряда.

3. В течение промежутка  под действием отрицательного

входного напряжения происходит рассасывание накопленных в базе носителей. При этом транзистор все еще находится в режиме насыщения, коллекторный ток и выходное напряжение соответствуют этому режиму и не изменяются. Наблюдается обратный бросок тока базы . Данный промежуток называется временем задержки выключения и определяется следующим выражением:

,                          (13.35)

где  — запирающий ток базы.

Если , то . При  время задержки выключения определяется как

.                                  (13.36)

После рассасывания неосновных носителей в базовой области ток коллектора уменьшается — транзистор закрывается. Интервал времени , в течение которого происходит уменьшение коллекторного тока, называется временем спада:

.                             (13.37)

        Суммарное время  называется временем выключения. В случае, если , время нарастания коллекторного напряжения  может превысить время спада: