Ключи на биполярных транзисторах реферат

Обновлено: 08.07.2024

Актуальность темы. С развитием электронной импульсной техники транзисторный ключ в том или ином виде применяются практически в любом электронном устройстве. Более того, преимущественно количество микросхем состоят из десятков, сотен и миллионов транзисторных ключей. А в цифровой технике вообще не обходятся без них. В обще современный мир электроники не мыслим без рассмотренного в данной статье устройства.

При работе в импульсных схемах электронные приборы (лампы, транзисторы, тиристоры и др ) имеют два рабочих состояния. В одном из них электронный прибор закрыт, ток через него практически не проходит и его внутреннее сопротивление Ri велико; в другом состоянии прибор открыт, ток в выходной цепи имеет заданное значение, а внутреннее сопротивление мало. Переход из одного состояния в другое сопровождается переходным процессом, время которого определяет длительность фронта и среза импульса. Такой режим работы электронного прибора называется ключевым.

1 Теоретическая часть

1.1 Характеристика транзисторного ключа

Есть несколько основных режимов работы транзисторного ключа: нормальный активный режим, режим насыщения, режим отсечки и активный инверсный режим. Хотя схема транзисторного ключа – это в принципе схема транзисторного усилителя с общим эмиттером, по функциям и режимам эта схема отличается от типичного усилительного каскада.

В ключевом применении транзистор служит быстродействующим ключом, и главными статическими состояниями являются два: транзистор закрыт и транзистор открыт. Запертое состояние – состояние разомкнутое, когда транзистор пребывает в режиме отсечки. Замкнутое состояние – состояние насыщения транзистора, или близкое к насыщению состояние, в этом состоянии транзистор открыт. Когда транзистор переключается из одного состояния в другое, это активный режим, при котором процессы в каскаде протекают нелинейно.

Поведение ТК в статическом режиме полностью определяется статическими характеристиками транзистора. При их анализе обычно используют семейство выходных коллекторных характеристик и семейство входных характеристик.

В режиме отсечки оба перехода биполярного транзистора смещены в обратном направлении. Различают режимы глубокой и неглубокой отсечек. Полярность их такова, что коллекторный и эмиттерный переходы смещены в обратном направлении. В этом режиме токи электродов транзистора имеют наименьшие значения, что характеризует разомкнутое состояние ТК. В режиме неглубокой отсечки модуль напряжения на одном из переходов меньше . Оба перехода смещены в обратном направлении. Однако токи электродов несколько больше, чем в режиме глубокой отсечки, и их значения существенно зависят от приложенного напряжения. Область глубокой отсечки практически совпадает с самой нижней кривой семейства коллекторных характеристик, которую иногда называют характеристикой отсечки.

Падение напряжения на транзисторе мало и характеристика идет почти вертикально. Назовем эту линию линией отпирания.

В идеальном аналоговом ключе линии отпирания и запирания совпадают с осями координат. В транзисторном ключе эти линии имеют небольшой наклон, а их точка пересечения не совпадает с началом координат. В итоге при конечном сигнале получается нулевое напряжение на выходе, а при нулевом сигнале соответственно конечное выходное напряжение.

Таким образом, транзисторному прерывателю свойственны два вида погрешностей: сдвига и наклона. Влияние этих погрешностей уменьшается с увеличением входного сигнала. Общая погрешность невелика и, как видно из выходных характеристик, имеет разный знак в зависимости от полярности входного сигнала.

Для количественной оценки погрешностей необходимо знать координаты точки с и дифференциальные сопротивления обеих характеристик.

1.2 Статические режимы работы транзисторного ключа
В силу ряда неоспоримых преимуществ (отсутствие накала, малые габариты, малая потребляемая мощность, высокая надежность) транзисторы полностью заменили электронные лампы в маломощных импульсных схемах. Более того, использование транзисторов позволило создать такие схемы, реализация которых с помощью ламп принципиально невозможна. В импульсных схемах используются германиевые и кремниевые, биполярные и полевые транзисторы. В дальнейшем будем рассматривать схемы на кремниевых транзисторах n-p-n-типа, поскольку они наиболее широко применяются.

Рисунок 1 – Схема транзисторного ключа с общим эмиттером
В большинстве случаев используют транзисторный ключ с общим эмиттером (ОЭ), в котором нагрузочный резистор включен в коллекторную цепь (рис. 7.3). (Если в схеме используется не п-р-п-, а p-n-p-транзистор, то на коллектор подается отрицательное напряжение.) Напряжения и токи, соответствующие закрытому и открытому состояниям транзистора, могут быть определены с помощью входных и выходных статических характеристик транзистора, включенного по схеме ОЭ (рис. 7.4).

Режим отсечки. Закрытому состоянию транзистора соответствует режим отсечки, при котором на коллекторном и эмиттер-ном переходах действуют обратные напряжения. Через переходы проходят токи, обусловленные процессами тепловой генерации носителей заряда в объеме полупроводника. При включении транзистора по схеме ОЭ в режиме отсечки в коллекторной цепи протекает ток, близкий обратному току коллекторного перехода. Этот ток закрытого кремниевого транзистора ничтожно мал (менее 1 нА), поэтому его обычно в расчетах не учитывают и u_кэ

Ток коллекторного перехода закрытого германиевого транзистора на несколько порядков больше, чем ток кремниевого. Поэтому при анализе импульсных схем с германиевыми транзисторами его учитывают и транзистор в режиме отсечки представляют источником тока, действующим в цепи коллектор– база.

Прямые ветви входных статических характеристик в первом приближении представляются экспоненциальной зависимостью тока базы от напряжения база – эмиттер. Следовательно, сколь угодно малое увеличение напряжения u_бэ приводит к росту I_б. Однако ток базы становится заметным лишь при определенном значении и u_бэ = U_отп. Поэтому при расчетах импульсных схем удобно пользоваться напряжением отпирания (открывания) U_отп.

Режиму отсечки соответствует точка А на статических характеристиках транзистора.

Режим насыщения. Транзистор открывается, когда на вход подается положительное напряжение, и при условии u_бэ > U_отп. коллекторный и базовый токи увеличиваются. По мере нарастания тока базы растет коллекторный ток и уменьшается коллекторное напряжение u_кэ за счет падения напряжения на резисторе а также уменьшается обратное напряжение, приложенное к коллекторному переходу.

Пока при увеличении тока на коллекторном переходе имеется обратное напряжение, транзистор находится в активном режиме и имеет место следующее соотношение между токами:

Навстречу потоку неосновных носителей, идущих из базы в коллектор, движется поток таких же носителей из коллектора в базу, и суммарный их ток определяется разностью этих потоков. В результате коллекторный ток при дальнейшем увеличении тока базы перестает расти. Транзистор переходит в режим насыщения, который характеризуется постоянством тока коллектора В связи с тем что в режиме насыщения коллекторный переход не осуществляет полной экстракции носителей из базы, там происходит их накопление и интенсивная рекомбинация и пропорциональная зависимость между токами I_б и I_к не выполняется.

Напряжения на коллекторе и базе насыщенного транзистора остаются практически постоянными.

Токи, протекающие во внешней цепи транзистора в насыщении, определяются следующими соотношениями:

где U_Б + , U_П - напряжения источников питания базы и коллектора.

Как видно, токи транзисторного ключа в режиме насыщения определяются внешними параметрами схемы и практически не зависят от характеристик-транзистора. Режиму насыщения соответствует точка В на статических характеристиках.

Режим насыщения кремниевого транзистора определяется условием u_кб = -U_отп При заданных коллекторном и базовом токах удобным для расчетов является критерий насыщенного состояния по току. Его можно установить, рассуждая так. Пропорциональная зависимость между токами I_б и I_к , справедливая для активного режима, сохраняется вплоть до отпирания коллекторного перехода. Следовательно, на границе активного режима и режима насыщения также имеет место соотношение где I_{б гр} - базовый ток, при котором транзистор входит в режим насыщения. Как было отмечено, дальнейшее увеличение базового тока не приводит к росту коллекторного тока. Таким образом, критерий насыщенного состояния транзистора можно записать в виде

Если в соотношение (7.1) подставить выражения для токов получим:

В реальных условиях работы транзисторного ключа напряжения источников питания могут изменяться, имеет место также разброс сопротивлений резисторов и коэффициента передачи тока h_21э. Это может привести к невыполнению неравенства (1.1), выходу транзистора из режима насыщения и соответственно к изменению коллекторного тока и выходного напряжения. Для обеспечения устойчивого режима работы транзисторного ключа параметры его рассчитывают таким образом, чтобы неравенство (1.1) выполнялось при изменениях в некоторых пределах входящих в него величин.

Помехоустойчивость транзисторного ключа тем больше, чем выше коэффициент насыщения:

Хотя для повышения помехоустойчивости желательно увеличивать коэффициент насыщения, однако следует помнить, что при этом растет время переключения транзисторного ключа.

Транзисторные ключи (ТК) являются одним из наиболее распространенных элементов импульсных устройств. На их основе создаются триггеры, мультивибраторы, коммутаторы, блокинг-генераторы и т. д.

В зависимости от целевого назначения ТК и особенностей его работы схема ТК может несколько видоизменяться. Но несмотря на это, в основе всех модификаций лежит изображенная на рис. 7.13, а транзисторная ключевая схема.

В ТК транзисторы работают в нескольких качественно различных режимах, которые характеризуются полярностями напряжений на переходах транзистора.

Принято различать следующие режимы работы ключа: режим отсечки; нормальный активный; инверсный активный; режим насыщения.

Рис. 7.13. Схема простейшего ключа (а), его выходные (б) и входные характеристики (в)

Транзисторный ключ по своей схеме подобен транзисторному усилителю с ОЭ. Однако по выполняемым функциям и соответственно режимам работы активного элемента он существенно отличается от усилительного каскада.

ТК выполняет функции быстродействующего ключа и имеет два основных состояния: разомкнутое, которому соответствует режим отсечки транзистора (транзистор заперт), и замкнутое, которое характеризуется режимом насыщения транзистора или режимом, близким к нему.

В течение процесса переключения транзистор работает в активном режиме. Процессы в ключевом каскаде носят нелинейный характер.

Статические характеристики ТК.

В режиме отсечки оба перехода биполярного транзистора смещены в обратном направлении. Различают режимы глубокой и неглубокой отсечек. В режиме глубокой отсечки к -переходам приложены напряжения, превышающие (см. § 2.7). Полярность их такова, что коллекторный и эмиттерный переходы смещены в обратном направлении. В этом режиме токи электродов транзистора имеют наименьшие значения, что характеризует разомкнутое состояние ТК. В режиме неглубокой отсечки модуль напряжения на одном из переходов меньше . Оба перехода смещены в обратном направлении. Однако токи электродов несколько больше, чем в режиме глубокой отсечки, и их значения существенно зависят от приложенного напряжения. Область глубокой отсечки практически совпадает с самой нижней кривой семейства коллекторных характеристик, которую иногда называют характеристикой отсечки.

Характеристика отсечки снимается при разорванной цепи эмиттера , когда ток коллектора .

Токи и напряжения электродов биполярного транзистора находят из (2.34). В режиме глубокой отсечки

Ввиду того что обычно , часто считают, что Так как напряжение в закрытом состоянии (точка а на рис. 7.4, б) определяется из выражения то сопротивление транзистора

Оно, как правило, достаточно велико (не менее 100 кОм).

В быстродействующих ключах сопротивление берут небольшим (порядка нескольких кОм) для уменьшения задержки, связанной с перезарядкой барьерной и паразитных емкостей.

Поэтому выходное сопротивление рассматриваемого цифрового ключа определяется сопротивлением .

С уменьшением до нуля напряжения, приложенного к базе транзистор продолжает оставаться запертым, но его токи несколько изменяются. При этом ток базы остается практически неизменным и равным .

Ток эмиттера на границе отсечки существенно увеличивается и изменяет свой знак. Его значение можно получить из (2.39) и (2.40):

Изменение трех токов в области отсечки иллюстрируется кривыми, приведенными на рис. 7.14.

Важно подчеркнуть, что глубина отсечки, а также токи эмиттера и коллектора зависят от значения сопротивления, включенного в цепь базы. Это обусловлено тем, что в базовой цепи протекает ток обратносмещенных переходов транзистора, который создает дополнительное падение напряжения на сопротивлении . В итоге напряжение, приложенное между базой и эмиттером транзистора, отличается от напряжения .

Для нахождения воспользуемся графоаналитическим методом, который применяли ранее при построении линии нагрузки. Для этого из точки, соответствующей (рис. 7.14), проведем прямую, тангенс угла наклона которой равен , причем для уяснения влияния сопротивления проведем прямые, соответствующие двум сопротивлениям в цепи базы:

Точки пересечения этих прямых с определяют действительный режим работы транзистора. При сопротивлении транзистор находится в режиме отсечки, хотя и недостаточно глубокой, как можно было бы ожидать, судя по значению .

Рис. 7.14. Графики токов транзистора в области отсечки и в начале активной области

При сопротивлении транзистор переходит в активный режим, хотя и отрицательно. Это объясняется тем, что ток базы создает на сопротивлении падение напряжения, которое вычитается из и изменяет режим работы транзистора. Поэтому сопротивление базы во избежание подобных нежелательных явлений следует выбирать из условия

т. е. ток короткого замыкания источника с внутренним сопротивлением должен значительно превосходить максимальный обратный ток коллекторного перехода.

Соответственно сопротивление в цепи коллектора должно удовлетворять неравенству

При этом в выражениях (7.26) и (7.27) следует брать максимальное значение тока при наивысшей температуре.

В режиме насыщения оба -перехода транзистора смещены в прямом направлении (см. § 2.7). При этом падение напряжения мало и при малом токе составляет десятки .

На коллекторных характеристиках транзистора область насыщения характеризуется линией насыщения ОН (см. рис. 7.13, б). Каждой точке этой линии соответствует некоторое значение напряжения и тока . Ток называется коллекторным током насыщения. Как видно из характеристик, эти величины связаны между собой линейной зависимостью

где Кнас — сопротивление насыщенного транзистора.

Значения определяются крутизной линии насыщения. Обычно оно достаточно мало (десятки — сотни Ом).

Каждой точке линии ОН соответствует некоторое граничное значение тока базы , при котором транзистор входит в насыщение. Этот режим появляется вследствие того, что максимальный ток коллектора транзистора ограничен напряжением источника питания и параметрами внешних цепей. В рассматриваемом случае

Если ток базы задать таким, что при данном источнике напряжения и параметрах внешней цепи такой ток получить нельзя. Транзистор откроется полностью, но и через него будет протекать ток , который меньше . Это максимальное значение тока коллектора и называют коллекторным током насыщения. Значение его обычно оценивают приближенно с помощью уравнения

Из сказанного следует, что в режиме насыщения нарушаются соотношения между точками электродов транзистора, характерные для активного режима. Поэтому критерием насыщения является неравенство

Для количественной оценки глубины насыщения вводят параметр степень насыщения. Степень насыщения определяется как относительное превышение базовым током того значения тока , которое характерно для границы насыщения:

Иногда оценку глубины насыщения производят с помощью коэффициента насыщения, который показывает, во сколько раз ток, протекающий в цепи базы, больше базового тока, при котором транзистор входит в насыщение:

При насыщении сопротивление транзистора минимально и практически не зависит от значений . Оно и является выходным сопротивлением ТК в стационарном замкнутом состоянии.

С увеличением базового тока напряжение на эмиттерном переходе меняется мало. Напряжение на коллекторном переходе и модуль напряжения уменьшаются. Значение зависит от типа транзисторов и обычно находится в пределах .

При изменении температуры окружающей среды напряжения и изменяются приблизительно так же, как и в диодах. В то же время напряжение , являющееся разностью этих двух напряжений, изменяется мало. Температурный коэффициент напряжения ключа обычно порядка .

Следует подчеркнуть, что начиная от значений степени насыщения и выше межэлектродные напряжения транзистора мало зависят от тока базы. Поэтому более высокую степень насыщения применять нецелесообразно.

Важным преимуществом режима насыщения является практическая независимость тока коллектора от температуры окружающей среды и параметров конкретного транзистора.

4) входное сопротивление транзистора в открытом состоянии (или напряжение, необходимое для обеспечения надежного открытого состояния).

Выходными параметрами ТК являются: 1) выходное сопротивление ключа при закрытом и при открытом транзисторе); 2) максимальный ток открытого ключа (равен току насыщения); 3) минимальное (остаточное) напряжение на коллекторе транзистора в открытом состоянии (десятые — сотые доли В); 4) максимальное напряжение на коллекторе закрытого транзистора ; 5) коэффициент использования напряжения питания .

На эквивалентных схемах насыщенный транзистор представляют в виде точки, общей для электродов эмиттера, коллектора и базы.

Рассмотренный ключ при его коммутации обеспечивает получение двух уровней выходного напряжения и относится к числу цифровых.

На его основе можно создавать ключевую цепь (рис. 7.15, а), которая будет коммутировать аналоговые, в том числе и разнополярные, сигналы. В этом случае роль источника напряжения Е выполняет коммутируемое напряжение . Для того чтобы переходы транзистора оставались запертыми при любых изменениях полярности и значения , необходимо, чтобы при подаче запирающего напряжения управления выполнялось условие

Пусть ключ, изображенный на рис. 7.15, а, заперт по цепи базы управляющим напряжением — . Тогда при всех значениях напряжения, при которых , в выходной цепи протекает ток, близкий к и характеристика идет почти горизонтально (рис. 7.15, б). Назовем линию, по которой перемещается точка а, линией запирания.

При изменении полярности напряжения транзистор откроется. Пусть ток в цепи базы .

Рис. 7.15. Схема ключа, коммутирующего аналоговые сигналы (а), и его выходные характеристики (б) при нормальном включении транзистора

Тогда падение напряжения на транзисторе мало и характеристика идет почти вертикально. Назовем эту линию линией отпирания.

Таким образом, транзисторному прерывателю свойственны два вида погрешностей: сдвига и наклона. Влияние этих погрешностей уменьшается с увеличением входного сигнала. Если , то общая погрешность невелика и, как видно из выходных характеристик, имеет разный знак в зависимости от полярности входного сигнала.

Для количественной оценки погрешностей необходимо знать координаты точки с и дифференциальные сопротивления обеих характеристик. Считая, что наклон линии запирания соответствует некоторому сопротивлению (которое учитывает ток утечки, токи термогенерации в переходе и т. д.), получим ток в точке с:

Напряжения в точке с можно определить из приближенного уравнения

Наклон линии запирания, как правило, весьма мал. Он характеризуется сопротивлением , имеющим значение не менее . Наклон линии отпирания определяется сопротивлением насыщенного транзистора , которое у маломощных транзисторов не превышает нескольких десятков Ом.

При этом необходимо обратить внимание на зависимости от температуры, что может вызвать температурный дрейф выходного сигнала.

Для улучшения характеристик аналогового ключа часто применяют инверсное включение транзистора (рис. 7.16, а), которое по сравнению с нормальным включением обеспечивает меньшие ток и напряжение . При инверсном включении ток — это ток эмиттера транзистора при запертых -переходах, когда на базу подано напряжение (рис. 7.16, б).

В режиме глубокой отсечки ток эмиттера Более точно его значение можно оценить используя выражение

Напряжение в точке с

Рис. 7.16. Схема аналогового ключа (а) и его выходные характеристики (б) при инверсном включении транзистора; схема компенсированного ключа

Так как , то напряжение и ток при инверсном включении транзистора получаются по крайней мере на порядок меньше, чем при нормальном включении.

В (7.36) и (7.37) не учитывались падения напряжения, возникающие при прохождении управляющего тока базы через сопротивления соответствующих слоев: эмиттера (при нормальном включении) и коллектора (при инверсном). При учете их для напряжения имеем

где — соответственно сопротивления областей эмиттера и коллектора.

Так как эмиттер обычно выполняют низкоомным ( Ом), эта поправка для нормального включения несущественна. В то же время при инверсном включении ( Ом) она является основной составляющей остаточного напряжения. В результате при инверсном включении иногда оказывается даже больше, чем при нормальном.

Так как с увеличением тока напряжение растет, а в области малых токов, как уже говорилось выше, тоже возрастает из-за выхода транзистора из области насыщения, существует оптимальное значение управляющего тока базы , (несколько ).

Следует отметить, что температурная стабильность точки с, играющая основную роль при преобразовании малых сигналов, достаточно высока. Так, в инверсном включении при оптимальных токах базы ее несколько . Подбором элементов прерывателя и режима работы можно добиться, чтобы в температурном диапазоне от до — 50 С температурный дрейф не превышал .

Временной дрейф напряжения обычно оценивают экспериментально. Он зависит от индивидуальных характеристик транзисторов и изменяется в процессе их работы. Наибольшие значения наблюдаются в течение первого часа после включения и могут составить несколько . При дальнейшей работе дрейф уменьшается и находится в пределах нескольких десятков — нескольких сотен .

При использовании балансных схем, которые в различных модификациях называют компенсированными ключами, погрешности аналоговых ключей можно существенно уменьшить (в 5—10 раз и больше). Одна из возможных схем компенсированного ключа показана на рис. 7.16, в.

В закрытом состоянии ключа токи эмиттера транзисторов направлены в разные стороны вне зависимости от полярности входного напряжения. Если обоих транзисторов равны, то результирующий ток через источник сигнала и сопротивление равен нулю. Так как остаточное напряжение, как это видно из положения линии отпирания на рис. , не зависит от направления тока, протекающего через транзистор, то при идеальном подборе остаточные напряжения обоих транзисторов взаимно компенсируют друг друга.

При практическом выполнении аналоговых ключей на биполярных транзисторах необходимо: гальванически развязывать между собой источник управляющего сигнала и коммутируемые цепи; включать в цепь базы транзистора ограничительный резистор, значение которого выбирается исходя из требуемого тока базы и напряжения источника использовать компенсированные ключи с инверсно включенными транзисторами.

Выпускаются микросхемы компенсированных аналоговых ключей, например . У них .

Изучение основных характеристик и особенностей работы биполярного транзистора в режиме импульсного ключа. Построение схемы измерительной цепи. Определение предельно допустимых значений токов, напряжений и мощностей в цепях отдельных электродов прибора.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	лабораторная работа
Язык	русский
Дата добавления	21.06.2015
Размер файла	551,4 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТА

Работа биполярного транзистора в схеме ключа

Студент: Скробов Леонид Артемьевич

Преподаватель: Коренюгин Д.Г.

1. Схема измерительной цепи

G1 - генератор импульсов;

G2 - источник питания 1-50В;

ОСЦ - двухканальный осциллограф;

R1, R2, R3 - резисторы;

VT - исследуемый транзистор (МП114);

VD - диод Шоттки (КД419Б).

1. Предельно допустимые значения токов, напряжений и мощностей в цепях отдельных электродов прибора

U_{СИ МАКС} = 10 В; P _МАКС = 0.12 Вт;

I_{С МАКС} = 6.6 мА; I_{ЗИ МАКС} = 10 мА;

биполярный транзистор импульсный ключ

2. Необходимые расчеты

Uг = 3,5 В; Rн=1500 Ом

Uг = 3,5 В; Rн=500 Ом

Uг = 2 В; Rн=1500 Ом

При работе в малосигнальном режиме, транзистор работает на пологом участке входных характеристик и выходной сигнал получается плавный. В режиме же большого сигнала мы выходим на крутую часть ВАХ.

При изменении величины коллекторного сопротивления, которое собственно говоря имеет токоограничивающий характер(или токозадающий - это больше философский вопрос) меняется максимальный ток проходящий через коллектор, соответственно уменьшая это сопротивление можно ускорить процесс разрядки барьерной емкости.

Однако основным фактором влияющим на быстродействие ключа является состояние насыщения транзистора. Именно для этого коллекторный переход шунтируется диодом Шоттки, имеющем низкое напряжение отпирания и маленькое время включения.

Диод служит ограничителем глубокого насыщения базы: когда транзистор открыт и находится в активном режиме, напряжение коллектор-база положительно, и к диоду приложено обратное напряжение. С ростом коллекторного тока напряжение на коллекторном переходе падает, напряжение коллектор-база становится прямым и диод открывается. Последующее увеличение тока базы приводит к увеличению тока через диод. Поскольку напряжение отпирания диода Шоттки меньше напряжения отпирания коллекторного перехода, последний остается закрытым и накопление неосновных носителей в базе транзистора не происходит.

Таким образом, увеличение быстродействия транзисторного ключа с диодом Шоттки происходит в результате уменьшения времени нарастания тока коллектора при включении и времени рассасывания при выключении.

Подобные документы

Понятие и функциональное назначение биполярного транзистора как полупроводникового прибора с двумя близкорасположенными электронно-дырочными переходами. Анализ входных и выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером и базой.

лабораторная работа [1,3 M], добавлен 12.05.2016

Получение входных и выходных характеристик транзистора. Включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером. Проведение измерения тока базы, напряжения база-эмиттер и тока эмиттера для значений напряжения источника. Расчет коллекторного тока.

лабораторная работа [76,2 K], добавлен 12.01.2010

Изучение методов построения зависимости прямого коэффициента усиления по току и анализ зависимости предельной частоты от тока эмиттера для кремниевого биполярного дрейфового транзистора. Этапы расчета частотных свойств биполярного дрейфового транзистора.

лабораторная работа [68,3 K], добавлен 06.02.2010

контрольная работа [642,0 K], добавлен 28.03.2011

Порядок получения входных и выходных характеристик транзистора. Методика и основные этапы сборки электрической схемы, определение измерения тока коллектора. Экспериментальное нахождение сопротивления по входной характеристике при изменении базового тока.

лабораторная работа [39,8 K], добавлен 12.01.2010

Принцип действия биполярного транзистора. Его статические характеристики и эксплуатационные параметры. Температурные и частотные свойства транзистора. Эквивалентные схемы полевых транзисторов. Схематическое изображение ПТ с изолированным затвором.

лекция [460,9 K], добавлен 15.03.2009

Определение мгновенных значений токов в цепи. Построение совмещенной векторно-топографической диаграммы напряжений и токов. Проверка энергетического баланса мощностей и режимы работы источников электроэнергии. Расчёт цепи с взаимными индуктивностями.

Транзисторный ключ является основным элементом устройств цифровой электроники и очень многих устройств силовой электроники. Параметры и характеристики транзисторного ключа в очень большой степени определяют свойства соответствующих схем. Качественное улучшение параметров и характеристик транзисторных ключей приводит к радикальному улучшению электронных устройств и часто сопровождается пересмотром использующихся схемотехнических решений.

Знание основных особенностей транзисторного ключа является обязательным условием при разработке импульсных силовых устройств. Эти знания оказывают существенную помощь и при конструировании устройств информативной электроники.

Изобразим схему простейшего ключа на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, и соответствующую временную диаграмму входного напряжения (рис. 3.7) уменьшает напряжение между коллектором и эмиттером, что уменьшает мощность, выделяющуюся в выходной цепи транзистора, но это уменьшение практически прекращается при q_нac = 3; чрезмерное увеличение тока базы приводит к заметному увеличению мощности, выделяемой во входной цепи транзистора.

Кроме этих соображений, относящихся к установившемуся режиму, учитывают влияние величины тока базы на длительность переходных процессов. Чем больше ток базы, тем быстрее включается (т. е. входит в режим насыщения) транзисторный ключ, но длительность переходного процесса выключения транзистора при этом увеличивается. Подробнее эти вопросы рассматриваются ниже. Часто величину qнаc выбирают из диапазона 1,5 . 2. Изобразим временные диаграммы, соответствующие процессу включения (рис. 3.8).

Через u_{бэ.порог} обозначено пороговое напряжение между базой и эмиттером, которое соответствует некоторому малому значению тока базы.

Например, считают, что напряжение u_{бэ.порог} соответствует току базы, в 10 раз меньшему тока i_{б.нас.мин}. Через i_{к.порог} обозначен ток коллектора, соответствующий напряжению u_{бэ.порог}. Интервал t₁…t₂ называют интервалом задержки включения, интервал t₂….t₃ — интервалом формирования фронта, а интервал t₃…t₄ — интервалом накопления заряда. Разность t₃ − t₁ называют временем включения.

Длительность интервала формирования фронта определяется током базы, током насыщения коллектора iк.нас, величиной β транзистора, а также временем жизни неосновных носителей в базе.

На интервале задержки включения изменяются напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах, и поэтому изменяются объемные нескомпенсированные заряды в области этих переходов. Это находит отражение в том, что возникают токи электродов транзистора. Но ток коллектора на рассматриваемом интервале мал.

На интервале формирования фронта токи электродов транзистора являются значительными. В начале этого интервала продолжается изменение напряжения на эмиттерном переходе. В течение всего интервала изменяется напряжение на коллекторном переходе.

Это вызывает изменение соответствующих нескомпенсированных объемных зарядов. На интервале формирования фронта, кроме этого, происходит накопление неравновесных носителей электричества в базе транзистора. Это условно называют процессом накопления неосновных носителей.

Но следует учитывать, что заряд неосновных носителей практически мгновенно компенсируется зарядом основных носителей. Подробнее этот вопрос рассмотрен при изучении полупроводникового диода и явления диэлектрической релаксации (релаксации Максвелла). Чем больше коэффициент насыщения, тем меньше длительность фронта t_ф.

На интервале накопления заряда продолжается накопление неравновесных носителей электричества. При этом напряжение u_кэнезначительно уменьшается, а ток коллектора незначительно увеличивается.

Изобразим временные диаграммы, иллюстрирующие процесс выключения (рис. 3.9).

На рис. 3.9 введены следующие обозначения интервалов времени:

t₁ … t₂ — рассасывания заряда;

Разность t₃ − t₁ называют временем выключения. На интервале рассасывания ток базы отрицательный и ограничивается резистором R_б. Если пренебречь напряжением u_бэ, то i_б = − U₂ / R_б

На этом интервале происходит уменьшение концентрации неравновесных носителей электричества, и к концу интервала транзистор выходит из режима насыщения. Чем больше коэффициент насыщения, тем больше время рассасывания t_pac. Чем больше по модулю ток i_б, тем меньше время рассасывания.

На интервале форсирования спада продолжается уменьшение концентрации неравновесных носителей, ток i_к значительно уменьшается, а напряжение на коллекторном переходе и напряжение u_кэ

значительно возрастает. Изменение напряжения на коллекторном переходе приводит к изменению объемных нескомпенсированых зарядов в области этого перехода (говорят, что барьерная коллекторная емкость перезаряжается).

На интервале установления напряжение u_бэ изменяется от величины u_{бэ.порог} до −U₂. При этом изменяются нескомпенсированные объемные заряды переходов транзистора.

После момента времени t₃ ток коллектора становится равным току базы, эмиттерный переход смещается в обратном направлении, ток базы быстро уменьшается по модулю и становится нулевым.

Количественный анализ динамических режимов транзисторных ключей настоятельно рекомендуется выполнить с помощью пакетов программ для машинного анализа электронных схем (Micro-Cap V и др.). Эти пакеты программ позволяют анализировать переходные процессы при самых сложных входных сигналах.

Ранее для расчета переходных процессов в транзисторных ключах применялись упрощенные методики, предполагающие к тому же использование простых входных сигналов. В настоящее время эти методики рекомендуются применять только в учебных целях.

Из изложенного следует, что время включения ключа можно уменьшить, увеличивая отпирающий ток базы. В то же время увеличивать коэффициент насыщения нежелательно, так как это удлиняет время выключения. Аналогично время выключения можно уменьшить, увеличивая запирающий (отрицательный) ток базы.

Представим схему транзисторного ключа с форсирующим конденсатором, который увеличивает положительную и отрицательную амплитуды тока базы и тем самым повышает быстродействие (рис. 3.10). Работу ключа поясняют временные диаграммы. Подобные схемы широко используются на практике.

Читайте также: