Ключи на биполярных транзисторах

1.1. Ключи на биполярных транзисторах

Оглавление

1.Ключи на биполярных транзисторах............................................................................ 2

1.1.Общие сведения....................................................................................................... 2

а)Идеальный ключ....................................................................................................... 2

б)Реальный ключ........................................................................................................ 2

в)Схемы транзисторных ключей............................................................................... 3

1.2.Модель биполярного транзистора............................................................................. 3

1.3.Режим работы биполярного n-p-n транзистора.......................................................... 4

1.Активный режим:................................................................................................. 4

2.В режиме отсечки:............................................................................................... 4

2.а)В режиме глубокой отсечки:......................................................................... 4

2.б)Граница отсечки с активным режимом:....................................................... 5

3.В режиме насыщения:.......................................................................................... 5

3.а)Граница насыщения с активным режимом:.................................................. 5

4.Инверсным режимом............................................................................................ 5

1.4.Транзисторный ключ с ОЭ......................................................................................... 6

2.Остаточные параметры ключа на БТ........................................................................... 9

2.1.Остаточные параметры закрытого транзистора......................................................... 9

2.2.Остаточные параметры насыщенного транзистора................................................. 12

3.Составной транзисторный ключ................................................................................. 15

3.1.???........................................................................................................................... 15

а)Если транзистор VT1 заперт, то......................................................................... 17

б)Если транзистор насыщен, то........................................................................... 17

3.2.Многоэмиттерный транзистор в ключевом режиме................................................. 19

а)Подаем низкое напряжение на любой вход............................................................ 20

2.  Ключи на биполярных транзисторах

2.1. Общие сведения

Транзисторные ключи — это устройства, которые коммутируют (замыкают или размыкают) электрическую цепь с помощью управляющего входного сигнала.

Применение ключей - являются основой микросхем.

Ключи имеют два состояния в статике: замкнутое и разомкнутое.

1)  Идеальный ключ

Рис. 1.1.а: Схема ключа

Замкнутое состояние(х. х.) сопротивление ключа Разомкнутое состояние(х. х.)

Переход идеального ключа из одного состояния в другое происходит мгновенно, т. е. Длительность переходных процессов равна «0».

2)  Реальный ключ

имеет конечное сопротивление в замкнутом и разомкнутом состояниях.

В замкнутом состоянии на реальным ключе имеется небольшое падение напряжения, остаточное напряжение .

В разомкнутом состоянии в реальном ключе протекает небольшой ток. При этом выходное напряжение .

Переходные процессы имеют конечную длительность из-за инертности транзистора и паразитных параметров нагрузки.

3)  Схемы транзисторных ключей

Рис. 1.1.б: Ключ ОЭ	Рис. 1.1.в: Ключ ОБ	Рис. 1.1.г: Ключ ОК
усиление по току и напряжению	зависит от	,

От свойств ключей зависит возможность их последовательного включения.

Транзисторы в электронных ключах могут работать в режимах:

·  отсечки;

·  насыщения;

·  активном;

·  инверсном.

- коэффициент инжекции;

;

- коэффициент диффузии;

.

2.2. Модель биполярного транзистора

Используется для получения статических вольт-амперных характеристик транзистора. Основывается на эквивалентной схеме(нелинейной).

Эквивалентная схема и уравнения Эберса-Молла описывают статический режим идеализированного транзистора и получены при следующих допущениях:

1)  величины объемных сопротивлений базы, эмиттера и коллектора пренебрежимо малы;

;

- коэффициент переноса.

2)  не учитывается эффект модуляции ширины базы при изменении напряжения на переходе база-коллектор(эффективность эмиттера не зависит от тока);

3)  плотность токов инжекции мала (степень легирования базы остается постоянной и малой).

2.3. Режим работы биполярного n-p-n транзистора

В любой схеме, независимо от того, работает она в статическом или динамическом режиме, транзистор в каждый конкретный момент времени работает в одном из следующих режимов: активном, отсечки, насыщения, инверсном.

1.  Активный режим:

эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный - в обратном. Потенциальный критерий активного режима n-p-n БТ:

Рис. 1.3.а: ???

,;

2.  В режиме отсечки:

эмиттерный и коллекторный переходы смещены в обратном направлении. Потенциальный критерий отсечки:,.

2.1)  В режиме глубокой отсечки:

если напряжение, запирающее эмиттерный и коллекторный переходы, значительно превышает величину температурного потенциала .

Потенциальный критерий:

,;

,;

2.2)  Граница отсечки с активным режимом:

если коллекторный переход заперт, а напряжение на эмиттерном переходе равно «0».

,;

3.  В режиме насыщения:

оба перехода смещены в прямом направлении.(режим двойной инжекции).

,;

3.1)  Граница насыщения с активным режимом:

если эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а напряжение на коллекторном переходе равно нулю:

,;

4.  Инверсным режимом

называют режим, когда эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный - в прямом. В этом случае коллектор работает как эмиттер, т. е. инжектирует носители в базу, а эмиттер выполняет функции коллектора.

,.

В транзисторных ключах транзистор может работать во всех указанных режимах. Если БТ работает в режиме отсечки или в активном режиме при очень малых токах коллектора, то он является разомкнутым ключом. Если он работает в режиме насыщения или в активном режиме при больших токах коллектора, он выполняет функции замкнутого ключа. Во время перехода из одного состояния в другое БТ работает в активном режиме.

2.4. Транзисторный ключ с ОЭ

Рис. 1.4.а: Схема ключа с ОЭ

Рис. 1.4.б: Семейство выходных характеристик с ОЭ

В усилительном каскаде БТ работает с малыми сигналами () в активном режиме. В ключе — с большими.

Точка А — пересечение нагрузочной прямой с характеристической при соответствует активному режиму.

В этой точке;

,

где - падение напряжения на открытом переходе Б-Э.

Если уменьшать , ток тоже будет уменьшаться и рабочая точка переместится по нагрузочной прямой по направлению к точке «O». В ней . Знак «-» означает, что изменила направление на обратное, показанному на схеме. Изменение направления возможно, если полярность входного сигнала (). Это означает, что эмиттерный переход смещен в обратном направлении. Направление смещения коллекторного перехода не изменилось и осталось обратным.

Таким образом, в точке «O» оба перехода смещены в обратном направлении и эта точка соответствует режиму отсечки транзистора.

Если увеличить входной сигнал, рабочая точка пройдет через точку «А», ток базы будет увеличиваться и рабочая точка будет двигаться по нагрузочной прямой по направлению к точке «H».

По мере роста тока базы и увеличения тока коллектора напряжение на коллекторе уменьшается:

.

До тех пор пока, транзистор работает в активном режиме, ток коллектора связан с током базы соотношением:

,

где - коэффициент передачи тока базы.

В точке «H» ток базы становится равным , а ток коллектора:

,где -??? ток базы.

Напряжение на коллекторе:

.

Отсюда .

Поскольку составляет доли вольта, и

,

то есть достигает максимального значения.

В режиме насыщения зависит лишь от напряжения источника питания и и не зависит от параметров транзистора.

Линейная связь с нарушается. Как только режим транзистора перешел в точку «H», ток коллектора перестает зависеть от тока базы. Увеличение тока базы не приводит к заметному изменению тока коллектора, т. е. положение рабочей точки «H» практически изменяться не будет.

Транзистор перешел в режим насыщения.

Транзистор находится на границе насыщения, когда . Ток базы, при котором транзистор работает на границе насыщения(;), называется граничным током базы.

Токовый критерий насыщения:

Таким образом, режим насыщения определяется не абсолютными величинами токов, а соотношением тока базы и граничного тока базы.

Если транзистор работает в режиме насыщения (), то увеличение приводит к возрастанию глубины насыщения.

Степень насыщения

Относительная степень насыщения

Рис. 1.4.в: Распределение неосновных носителей в базе при различных токах базы.???

Рис. 1.4.г: Распределение неосновных носителей в базе при различных токах базы.???

3.  Остаточные параметры ключа на БТ

3.1. Остаточные параметры закрытого транзистора

а) При изменении величины запирающего напряжения на эмиттерном переходе, то есть при изменении глубины отсечки () ток базы не изменяется и остается равным . Это равенство называется токовым критерием отсечки.

б) Как в режиме глубокой отсечки, так и на границе отсечки , ток эмиттера .

Эквивалентную схему ключа в режиме отсечки можно представить в виде:

Рис. 2.1.а: Эквивалентная схема ключа в режиме отсечки

Выходное напряжение ключа

в) Из схемы видно, что напряжение, приложенное к эмиттерному, управляющему переходу, зависит от остаточного тока базы ;

.

В свою очередь .

Для сохранения режима отсечки при изменениях от и сопротивлений инеобходимо выполнить условие:

.

В противном случае, несмотря на отрицательную полярность управляющего сигнала, транзистор перейдет в активный режим.

г) В транзисторных ключах необходимо использовать транзисторы с малыми обратными токами переходов.

Примечание:

В интегральных схемах не используется отрицательная полярность управляющих сигналов для запирания транзисторов, поскольку цифровые микросхемы имеют однополярное питание. Разомкнутое состояние ключа соответствует не режиму отсечки, а активному режиму при малом токе коллектора. Это благоприятно сказывается на уменьшении длительности переходных процессов.

Рис. 2.1.б: Физическое строение биполярного транзистора???

Порог запирания транзистора — величина условная. Чем больше в открытом состоянии, тем больше может быть выбран. Обычно принимают.

3.2. Остаточные параметры насыщенного транзистора.

Рис. 2.2.а Обозначение напряжений на выводах транзистора

;

а) Наименьшим из остаточных напряжений является . Поэтому желательно, использовать такой ключ, чтобы остаточным напряжением было , то есть предпочтительной схемой является ключ с ОЭ.

б) Зависимость остаточных напряжений от степени насыщения

Рис. 2.2.б: Зависимость остаточных напряжений от степени насыщения

иявляются напряжениями на открытых переходах, они увеличиваются с увеличением.

уменьшается с увеличением.

в) В реальных транзисторах остаточные напряжения зависят от падений напряжений на объемных сопротивлениях слоев. При больших токах падения напряжений увеличиваются.

Поскольку «К» слой имеет большое сопротивление и длина??? тока по нему велика, в конструкцию эпитаксиально-планарного транзистора вводят скрытый «n+» - подслой.

Рис. 2.2.в: Конструкция эпитаксиально-планарного транзистора

г) Слабая зависимость межэлектродных напряжений от «N» позволяет представить эквивалентную схему транзистора в режиме насыщения в следующем виде:

Рис. 2.2.г: Эквивалентная схема транзистора в режиме насыщения

;

.

Поскольку остаточные напряжения малы в сравнении с напряжением источника питания ими часто можно пренебречь. Упрощенная эквивалентная схема принимает вид:

Рис. 2.2.д: Транзистор-эквипотенциальная точка

4.  Составной транзисторный ключ

4.1. ???

Если нагрузкой ключа ОЭ являются достаточно большая емкость , то ключ имеет невысокое быстродействие.

Предположим, что транзистор в схеме ключа запирается мгновенно.

Рис. 3.1.а: Схема ключа после переключения(ранее был насыщен)

Выходным напряжением является напряжение на емкости .

Ранее разряженная емкость начинает заряжаться током .

Длительность фронта определяется временем заряда емкость , то есть . Поскольку составляет несколько кОм, длительность заднего фронта оказывается недопустимо большой.

Например: ; . Тогда .

Для улучшения параметров ключа его строят по структурной схеме:

Рис. 3.1.б: Структурная схема ключа

В этой схеме для заряда имеется низкоомная цепь.

Принцип действия составного ключа состоит в следующем.

При поступлении положительного импульса на вход ключ ОЭ замыкается, а ключ ОК размыкается. Емкость нагрузки быстро разряжается через насыщенный ключ ОЭ. Напряжение на выходе близко к нулю.

По окончании положительного импульса ключ ОЭ размыкается, а ключ ОК замыкается. Теперь емкость нагрузки заряжается через насыщенный ключ ОК. Так как ток насыщения транзистора велик, то заряд емкости происходит быстро.

Рис. 3.1.в: Принципиальная схема составного ключа

На транзисторе VT1 собран ключ-звезда, который представляет комбинацию ключей ОЭ и ОК. Сигнал на коллекторе имеет полярность, противоположную полярности входного сигнала, то есть коллекторная цепь VT1 выполняет функции инвертора. Эмиттерная цепь VT1 не инвертирует сигнал.

VT2 — ключ ОК;

VT3 — ключ ОЭ.

1)  Если транзистор VT1 заперт, то

.

Так как , то транзистор VT3 тоже заперт.

Напряжение на коллекторе VT1 равно:

и близко к напряжению питания .

Поэтому транзистор VT2 открыт и емкость нагрузки в установившемся режиме заряжена до напряжения

,

где , - падения напряжения на эмиттерном переходе открытого транзистора VT2 и на открытом диоде VD1.

2)  Если транзистор насыщен, то

и транзистор VT3 тоже в режиме насыщения. При этом VT2 должен быть заперт. Для этого необходимо, чтобы напряжение на его базе было меньше или равно напряжению на эмиттере или

Из последнего соотношения видно, что при отсутствии диода в схеме условие запирания транзистора VT2 не выполняется.

В данном состоянии ключа емкость разряжается через насыщенный транзистор VT3 и напряжение на ней (низкий уровень).

Во время переходного процесса из-за задержки запирания транзисторов некоторые некоторое время оказываются открытыми оба транзистора (и VT2 и VT3). Это приводит к броску тока, потребляемого ключом от источника питания . Для ограничения этого тока в цепь коллектора транзистора VT2 введено небольшое сопротивление

Часто транзистор VT2 с диодом VD заменяют составным транзистором VT2', VT2''.

Рис. 3.1.г: Составной транзистор VT2', VT2''

Принцип действия схемы при этом не изменяется. Функцию диода смещения VD здесь выполняет эмиттерный переход транзистора VT2''.

4.2. Многоэмиттерный транзистор в ключевом режиме

Многоэмиттерный транзистор(МЭТ) предназначен для выполнения логических функций в элементе ТТЛ.

Рис. 3.2.а: Физическое строение многоэмиттерного транзистора???

МЭТ имеет несколько эмиттеров (в приведенной конструкции — четыре), расположенных таким образом, чтобы прямое взаимодействие между ними через разъединяющие участки базы было исключено. МЭТ представляет собой несколько транзисторных структур, имеющих общий коллектор.

Рис. 3.2.б: Схема включения многоэмиттерного транзистора

1)  Подаем низкое напряжение на любой вход

Если хотя бы на один вход МЭТ подано низкое напряжение, то соответствующий эмиттерный переход смещается в прямом направлении:

Переход база-коллектор открыться не может.

Выходное напряжение схемы равно нулю.

Рис 3.2.в: Режим насыщения

Рис 3.2.г: Инверсный режим