ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 16.10.2024
Просмотров: 112
Скачиваний: 0
ходное и большое входное сопротивления. Поэтому эта схема имеет лучшую нагрузочную способность.
В заключение отметим, что хотя ламповые ключи в настоя щее время широко применяются в импульсной аппаратуре, они не являются перспективными устройствами. Вследствие недо статков электронных ламп (больших размеров, большого веса, малой надежности и большого расхода мощности на накал ка тода) ламповые ключи в будущем найдут лишь ограниченное применение.
ВОПРОСЫ для с а м о к о н т р о л я
1. Нарисуйте и поясните временные диаграммы работы лампового ключа с анодной нагрузкой при различных Свых.
2, Какой должна быть величина Ra в ключе с анодной на грузкой, чтобы длительность t+ не превосходила 0,6 мкс, если
Свых = 20 нФ?
§ 1.3. ПРИНЦИП РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРНОГО КЛЮЧА
Транзистор изменяет состояние проводимости при измене нии входного напряжения и имеет запертое и открытое состоя ния. На этом основано применение транзистора в качестве клю чевого элемента.
В зависимости от способа включения транзистора различа ют три варианта ключа — транзисторные ключи с общим эмит тером, общим коллектором, общей базой. Наиболее часто при меняется ключ с общим эмиттером, рассматриваемый в насто ящей главе. Достоинством этого ключа является малая мощ ность входного сигнала, необходимая для переключения.
В настоящей главе, как и во всей книге, рассматриваются импульсные устройства на р—п—р транзисторах. Импульсные устройства на п—р—п транзисторах отличаются полярностью источников питания и направлением протекающих токов.
Два варианта схемы транзисторного ключа с общим эмит тером, отличающихся режимом транзистора в исходном со стоянии, представлены на рис. 1.10 и 1.11. Принцип работы транзисторного ключа заключается в следующем. Под влияни ем входного сигнала, подаваемого в базовую цепь, изменяется состояние проводимости транзистора. Транзистор переходит из запертого состояния в открытое или наоборот. При этом изме няется ток, протекающий через нагрузочный резистор RK, и
*напряжение на выходе транзисторного ключа. После прекра щения входного импульса ключ возвращается в исходное со стояние. Таким образом, под влиянием входного импульса на выходе ключа формируется импульс напряжения.
38
В схеме рис. 1.10 транзистор заперт в исходном состояний за счет источника смещения в цепи базы Еб > 0, при этом на пряжение на коллекторе близко к э.д.с. источника — Ек. При подаче отрицательного импульса на вход схемы транзистор от^ крывается, возникает ток коллектора, который создает напря жение на нагрузке, равное Iк R K. Обычно сопротивление на грузки много больше сопротивления открытого транзистора гі можно считать, что выходное сопротивление открытого тран зистора равно нулю. После прекращения входного импульса транзистор запирается. Таким образом, при воздействии от рицательного входного импульса на выходе создается положи тельный импульс.
LSx
Рис. 1.10
Схема рис. 1.11,ц отличается от схемы рис. 1.10 тем, что ис точники смещения в цени базы имеют обратную полярность. Поэтому в этом ключе транзистор в исходном состоянии открыт, через RK протекает коллекторный ток, создается падение на пряжения на нагрузке / к RK. Напряжение на выходе ключа в исходном состоянии мало |wK.»!< Ек. При подаче положи тельного входного импульса транзистор запирается, токи в
39
Рис. 1.11
40
транзисторе прекращаются, напряжение на выходе становится раиным напряжению источника. После прекращения входного импульса ключ приходит в исходное состояние. Таким обра зом, при подаче на вход положительного импульса на выходе образуется отрицательный импульс.
Очень часто отдельный источник в цепи базы отсутствует и открывание транзистора в исходном состоянии обеспечивает ся подключением базы через резистор R6 к коллекторному ис точнику (рис. 1.11,6).
Рассмотрев работу двух вариантов транзисторных ключей, видим, что они имеют два статических состояния —• запертое и открытое. Переход схемы из одного статического состояния и другое происходит не скачком, а в течение некоторого проме жутка времени, определяемого длительностью переходных процессов в транзисторе и в схеме.
В последующих параграфах подробно рассмотрены стати ческие состояния и переходные процессы в транзисторном ключе.
§І.4. СОСТОЯНИЯ РАВНОВЕСИЯ
ГРА Н 3 И СТОІ> Н ОГО К .ИК)Ч А
'.Рабочие области статических характеристик
транзисторного ключа
В транзисторном ключе, представленном на рис. 1.12, н, име ются только постоянные источники питания. Поэтому токи г. этом ключе не зависят от времени. Следовательно, транзистор ный ключ, собранный по этой схеме, находится в состоянии равновесия. За положительные направления токов примем на правления токов открытого транзистора.
Па рис. 1.12,6 приведено семейство статических выходных характеристик транзистора для схемы с общим эмиттером. В качестве параметра при снятии выходной характеристики тран зистора выбирается входной ток. Положение рабочей точки транзисторного ключа на семействе характеристик определя ется пересечением линии нагрузки с характеристикой; снятой при заданном токе базы. Нагрузочная прямая аналитически описывается уравнением Кирхгофа для выходной цепи:
М к.э = - ( £ „ - Ik R k) • |
(1-13) |
Построение нагрузочной прямой аналогично построению на грузочной прямой лампового каскада.
” При работе транзисторного ключа различают три режима работы схемы в зависимости от положения рабочей точки на семействе характеристик:
41
IKo Qk
І-'ис. 1.12
I — режим отсечки коллекторного тока;
II — активный режим, при котором транзистор обладает усилительными свойствами, а рабочая точка находится в ак тивной области характеристик;
III — режим насыщения коллекторного тока.
Разомкнутое состояние транзисторного ключа соответствует режиму отсечки коллекторного тока (точка А па семействе характеристик). Через входную и выходную цепи транзистора протекают очень малые токи.
При открывании транзистора ключ может находиться в ак тивном или насыщенном режимах. Активный режим транзис торного ключа соответствует положению рабочей точки между точками А и В. 3 этом режиме изменение тока базы вызывает изменение тока коллектора и перемещение рабочей точки по нагрузочной прямой, и транзистор ведет себя как усилитель ный элемент. В режиме насыщения коллекторного тока (точка В на семействе характеристик) изменение тока базы выше /б.» не изменяет коллекторного тока и положения рабочей точки.
Проанализируем транзисторный ключ в состоянии равнове сия при нахождении рабочей точки в каждой из трех областей статических характеристик.
2. Запертое состояние транзисторного ключа (режим отсечки коллекторного тока)
На рис. 1.13 приведены начальные участки зависимостей токов транзистора от входного напряжения иъ.э при постоян ном напряжении на коллекторе ик.ъ = const,
- Условием запирания транзистора, т. е. его перехода в ре жим отсечки, обычно считают условие /э<0, т. е. условие
«б.э > Вб0 (рис. 1.13).
Так как £ 6п мало и составляет 0,1—0,2 В, условием запирания приближенно можно считать условие
«б.э > 0 . |
• |
(1Л4) |
В запертом состоянии эмиттерный и коллекторный переходы имеют обратное смещение.
— В режиме отсечки коллекторного тока в транзисторе про текают обратные токи (токи запертого транзистора), направ ление которых показано на рис. 1.14. Обратный ток базы опре деляется концентрацией неосновных носителей (дырок) в ба-
43
зоной области и равен тепловому току одиночного коллектор ного перехода / к0. Так как за положительное направление тока
принят ток открытого транзистора, ток базы запертого тран зистора следует считать отрицательным:
• |
Со ~ |
/ко • |
Этот ток равен сумме коллекторного п эмиттерпого токов за пертого транзистора:
Со — Со л- Со •
Соотношение токов /к0 и /90 определяется соотношением пло щадей переходов. Так как обычно 5 Э< 5 К, то можно прибли женно считать, что
44
/ /“'V' П |
1 |
I |
кО • |
^эо — |
^КО — |
1 |
Так как токи запертого транзистора очень мало зависят от приложенных напряжений, запертый транзистор на эквива лентной схеме можно представить в виде генераторов тока
{рис. 1.15).
і\0
Обратный ток запертого транзистора /к0 имеет очень ма лую величину (несколько микроампер для германиевых, де сятые доли микроампера для кремниевых маломощных тран зисторов). Однако этот ток экспоненциально растет с ростом температуры:
дя
/'к п = /к » е кТ . П-15)
где
/ к п — обратный ток при температуре 20°С; АЕ — ширина запрещенной зоны полупроводника;
k— постоянная Больцмана;
Т— абсолютная температура.
Для германиевых транзисторов эта зависимость аппрокси мируется формулой
- 2'Г С
/'ко = / КП • 2 “ |
( 1 . 1 6 ) |
Из этой формулы видно, что при изменении температуры на 10° обратный ток изменяется в два раза.
Рассмотрим условие запирания транзистора в транзистор ном ключе (рис. 1.14). По закону Кирхгофа для входной цепи
= Йя> |
~Ь w6.3 = До ^ 6 + Нй.э . |
45
Условием запирания является
« б .э — |
I ко Я б ^ О • |
Э го условие можно записать следующим образом:
(1.17)
КО
Это соотношение означает, что прохождение обратною тока транзистора через R6 может привести к отпиранию транзисто ра (/к0 создается за счет коллекторного источника). В форму лу (1.17) следует подставлять ток / ' к„ при максимальной ра бочей температуре.
Из рассмотрения разомкнутого ключа видно, что полного запирания транзистора и разрыва цепи нагрузки не происхо
дит. |
Через запертый транзистор проходит обратный ток /к0. |
||||
Па нагрузке запертого ключа создается падение напряже |
|||||
ния |
/ КІ) |
(рис. |
1.12,6), которое растет с ростом температу |
||
ры. |
Напряжение |
на коллекторе за |
счет этого |
отличается от |
|
э.д.с. источника: |
|
|
|
||
|
|
|
кл — (Вк |
/ко Як) • |
(1.18) |
?:. Открытое состояние ненасыщенного ключа
(активный режим работы транзистора)
Активному режиму работы транзистора соответствует на хождение рабочей точки в промежутке А —В на нагрузочной характеристике (см. рис. 1.12,6).
~ Этот режим работы транзистора характеризуется тем, что эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллек
торный — в обратном, т. е. |
//,<.« < 0, иъ,б > 0. |
Схема, обеспечивающая |
устойчивое открытое состояние |
транзистора, приведена на рис. 1.16.
Ток базы транзистора в этой схеме равен
где гвх — входное сопротивление транзистора.
Для того чтобы рабочая точка находилась в активной об ласти характеристик, необходимо, чтобы ток базы был меньше тока базы насыщения, при котором рабочая точка достигает точки В.
~ В этом режиме происходит инжекция дырок из эмиттера в базу и движение их через базу в сторону коллектора за счет диффузии. Распределение инжектированных носителей в базе
46