Переходные процессы в ключевых схемах

В реальных ключевых схемах изменение состояния транзисторов под действием ступенчатого входного напряжения происходит в течение некоторого времени, зависящего от целого ряда факторов: типа транзистора ключа, режимов его работы, характера нагрузки и т.д. При этом изменения выходных токов ключа при отпирании и запирании транзистора отличаются от линейного закона, а форма выходного напряжения значительно отличается от формы входного.

Переходные процессы биполярного ключа

Процесс переключения биполярного транзистора определяется двумя факторами: процессами накопления и рассасывания неосновных носителей в базе, формирующих ток коллектора i_k , и наличием емкостей эмиттерного и коллекторного переходов C_э и C_к , которые перезаряжаются при переключениях. Если входное напряжение U_вх равно нулю, то транзистор закрыт и ток коллектора i_k равен неуправляемому току I_к0 (рис. 14).

Рис.14. Переходные процессы в ключе на биполярном транзисторе

При подаче входного напряжения ступенчатой формы появляется базовый ток I_б такой же формы. Если величина I_б достаточна для ввода транзистора в насыщение, то возрастающий ток коллектора будет стремиться к уровню bI_б , где b – коэффициент усиления тока транзистора. Нелинейный характер нарастания i_k определяется наличием емкостей переходов база-эмиттер (C_э ) и база-коллектор (C_к). Максимальное значение i_k ограничено сопротивлением R_k и не может превысить величины

.

Значение коллекторного тока, в тоже время, определяется количеством неосновных носителей в базе, поэтому, когда ток i_k достигнет величины I_kнас, его рост прекратится, но рост числа носителей заряда в базе будет расти до величины соответствующей току I_б. Таким образом, в базе транзистора накапливается избыточный заряд неосновных носителей, не участвующих в создании коллекторного тока.

Как видно из диаграммы, процесс открывания транзистора занимает некоторый интервал времени t_вкл. Уменьшение этого времени на практике достигают повышением в 1,5¼3 раза базового тока, по отношению к току, достаточному для введения транзистор в насыщение.

Однако увеличение базового тока в этом случае приводит к увеличению избыточного заряда неосновных носителей в базе, которые после снятия входного сигнала (отключения тока I_б) продолжают поддерживать некоторое время t_р коллекторный ток неизменным. Отрезок времени t_р называют временем рассасывания неосновных носителей из базы. Только после удаления избыточного заряда из базы начинается процесс уменьшения коллекторного тока до уровня I_к0.

В быстродействующих ключевых схемах принимают меры для уменьшения t_р, и соответственно, t_выкл, в целом.

Ключевая схема на транзисторе Шоттки

Процесс рассасывания можно устранить, если транзистору сразу же после отирания создать режим, когда бы он находился на границе между состоянием насыщения и активным режимом работы. Этого можно достичь шунтированием перехода коллектор-база транзистора диодом Шоттки (рис. 15).

Рис. 15. Ключевая схема на транзисторе Шоттки

Когда транзистор закрыт или работает в активном режиме, потенциал коллектора выше потен-циала базы и, следовательно, диод закрыт и не влияет на работу клю-ча. В режиме насыщения, когда транзистор полностью открыт, потенциал его коллектора оказывается ниже потенциала базы, что приводит к открыванию диода, на котором устанавливается напряжение менее 0,5 В, т. е. меньше напряжения, открывающего переход база–коллектор. Транзистор тем самым окажется на грани насыщения, так как диод зашунтирует через себя ту часть тока базы, которая создала бы избыточный заряд.

В интегральном исполнении диод Шоттки представляет собой контакт металла с коллекторной областью транзистора и составляет единую структуру, называемую транзистором Шоттки. Особенностью диода Шоттки является низкое прямое падение на нем напряжения порядка 0,4 В.

Переходные процессы в ключевой схеме на МДП-транзисторе

Основное влияние на характер протекания переходных процессов в ключевых схемах на полевых транзисторах оказывают емкости, образованные между их выводами (рис. 16).

а б

Рис. 16. Переходные процессы в ключевой схеме на МДП-транзисторах: а – эквивалентная схема, б – временные диаграммы

При закрытом транзисторе выходная емкость C_си заряжена до напряжения, практически равного E. Когда входное напряжение превышает пороговое напряжение U_пор (напряжение открывания транзистора) в течение времени задержки

формируется проводящее состояние канала. Однако, при достаточно низком сопротивлении R_вн источника входного сигнала U_вх время задержки пренебрежимо мало.

Как только канал сформирован, емкость C_си начинает разряжаться постоянным током I_р, определяемым небольшим сопротивлением проводящего канала транзистора, в течение времени t_вкл. За это время выходное напряжение ключа падает до величины близкой к нулю.

При запирании транзистора (уменьшение U_вх до нуля) происходит зарядка емкости C_си через резистор R от напряжения источника питания E в течение времени t_выкл. Это время, как правило, больше времени включения, так как сопротивление нагрузочного резистора R значительно больше сопротивления канала транзистора в проводящем состоянии.

В комплементарном ключе заряд и разряд нагрузочной емкости происходит в одинаковых условиях через открытый проводящий канал. Это объясняется симметрией схемы относительно входного напряжения и нагрузки. Соответственно, интервалы времени t_вкл и t_выкл примерно одинаковы и почти на порядок меньше, чем у обычного ключа на МДП-транзисторах. Это преимущество сохраняется и при уменьшении напряжения питания.