Биполярный транзисторный ключ

Транзисторная импульсная и цифровая техника базируются на работе транзистора в качестве ключа. Замыкание и размыкание цепи нагрузки – главное назначение транзистора, работающего в ключевом режиме.

По аналогии с механическим ключом, качество транзисторного ключа определяется остаточным напряжением на транзисторе в замкнутом (открытом) состоянии, а также остаточным током через транзистор в выключенном (закрытом) состоянии. Кроме того, транзисторный ключ должен обеспечивать усиление сигнала по напряжению и мощности, т. к. при передаче информации от элемента к элементу теряется энергия информационного сообщения, а также должен обеспечивать инверсию сигнала, т. к. функционально полный набор логических функций включает инверсию. Поэтому схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ), обеспечивающая инверсию входного сигнала, является наиболее предпочтительной.

Построение ключевой схемы подобно усилительному каскаду. На рис. 1.1, а приведена схема ключа на биполярном транзисторе с ОЭ. Различие схем усилителя и ключа заключается в основном в используемых режимах работы транзистора. В зависимости от полярности напряжений, приложенных к электродам транзистора, различают следующие режимы: линейный (усилительный), насыщения и отсечки. На рис. 1.1, б приведены выходные характеристики транзистора с ОЭ.

В схемах линейных усилителей усиление сигнала осуществляется в окрестности установленной рабочей точки на линейном участке характеристик. Эмиттерный p-n- переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Обычно входной сигнал мал, а выходное напряжение не выходит за пределы линейного участка характеристик и линейно зависит от входного сигнала. Режим называется линейным потому, что в этом режиме выходной ток – ток коллектора , пропорционален входному току – току базы . Зависимость напряжения на коллекторе Uк от тока коллектора в соответствии с вторым законом Кирхгофа описывается следующим выражением:

(1.1)

Рис. 1.1. Транзисторный ключ:

а – схема; б – выходные характеристики транзистора

Это выражение представляет собой уравнение прямой линии и называется нагрузочной прямой по постоянному току. Как известно, любая прямая строится по двум точкам: вначале полагают, что Uк = 0 и находят Iк: Iк = E/Rк. Затем полагают, что Iк = 0, и находят Uк = E. На выходных характеристиках транзистора (рис. 1.1, б) нагрузочная прямая обозначена точками а – б. При работе в линейном режиме рабочая точка выбирается обычно в середине нагрузочной прямой.

При работе в устройствах импульсной и цифровой техники транзистор VT находится в двух крайних режимах: насыщения и отсечки и выполняет роль ключа в последовательной цепи с резистором R к и источником питания Е.

При рассмотрении процессов в схеме ключа в режимах открытого и закрытого состояний транзистора также, как и в линейных схемах, используется нагрузочная прямая по постоянному току.

Для перехода из линейного режима в режим насыщения необходимо увеличивать ток базы до тех пор, пока обратное напряжение на коллекторе не понизится до такого значения, при котором произойдет отпирание коллекторного перехода. Это происходит потому, что увеличение тока базы i_б приводит к увеличению тока коллектора i_к. В результате увеличивается падение напряжения на резисторе Rк и уменьшится напряжение на участке коллектор – эмиттер транзистора Uкэ. Условием насыщения транзистора является равенство нулю напряжения:

При этом Uкэ = Uбэ, коллектор, как и эмиттер, инжектирует носители тока в базу. База «наводнена» носителями, отсюда и название режима – режим насыщения. При глубоком насыщении выполняется условие Uкб > 0. В базе протекает избыточный ток, т. е. ток базы превышает значение, необходимое для получения данного тока коллектора при работе транзистора в линейном режиме. Выполнение условия Uкб = 0 называют граничным режимом, так как он характеризует переход транзистора из линейного режима в режим насыщения.

Глубину насыщения транзистора характеризуют коэффициентом насыщения, который определяют как отношение тока базы транзистора в насыщенном режиме к току в граничном режиме:

(1.3)

При глубоком насыщении транзистора в базе накапливается большое количество неосновных носителей, которые задерживают выключение транзистора по окончанию импульса, т. е. влияют на его быстродействие.

Параметром для характеристики режима насыщения транзистора в справочнике приводится сопротивление насыщения , которое определяется наклоном выходной вольт-амперной характеристики транзистора в режиме насыщения:

. (1.4)

У маломощных транзисторов величина При токах ма величина Uкэ.н не превышает 0, 4 В. Поскольку в режиме насыщения напряжение Uкэ.н достаточно малое, то в этом режиме транзистор выполняет роль замкнутого ключа, как показано на рис. 1.2, а

Рис. 1.2. Представление логической переменной в виде ключа: а – ключ замкнут; б – ключ разомкнут

Режим отсечки является другим ключевым режимом транзистора. Перевести транзистор в режим отсечки можно приложением между базой и эмиттером обратного напряжения. Граничным режимом в этом случае является выполнение условия Uбэ = 0. На вольт-амперных характеристиках транзистора (рис. 1.1, б) режиму отсечки соответствует область характеристик ниже почти горизонтальной линии при I_б = 0. При этом в цепи коллектор – эмиттер транзистора (и через R_К) протекает «сквозной» ток Iко.э:

Iко.э = Iко(β +1). (1.5)

Для характеристики транзистора в режиме отсечки в справочниках приводится значение обратного неуправляемого тока коллектора Iко. У современных маломощных кремниевых транзисторов величина этого тока мала, порядка 0, 1 1 мкА. Даже при использовании транзисторов с высоким коэффициентом β, остаточный ток через транзистор Iко.э не превышает десятых и даже сотых долей миллиампера. Поэтому в режиме отсечки транзистор можно заменить разомкнутым ключом, как показано на рис. 1.2, б.

Таким образом, два ключевых режима транзистора – режимы насыщения и отсечки – позволяют использовать транзистор как замкнутый и разомкнутый ключ (см. рис. 1.2).