10. ТРАНЗИСТОРНЫЕ КЛЮЧИ

 

10.1. Электронные ключи на биполярных транзисторах

10.1.1. Области работы транзистора

В зависимости от полярности напряжений на переходах U_эб и  U_кб различают четыре области:

1)  Область отсечки токов

+   –              –   +   n+ p                      n     pэ nб pк         xэ 0 w xб xк

Оба перехода смещены в обратном направлении: U_эб < 0 и  U_кб < 0. Через оба перехода происходит экстракция неосновных носителей заряда. Поэтому на границах перехода в области базы их концентрация ниже равновесной:

 

 

 

 

 

 

2)  Активная область

–   +              –   +   n+ p                      n     pэ nб pк       xэ 0 w xб xк

Эмиттерный переход смещен в прямом (U_эб > 0), а коллекторный переход – в обратном направлении (U_кб < 0). Эмиттерный переход работает в режиме инжекции электронов из эмиттера в базу, а коллекторный – в режиме экстракции электронов из базы в коллектор. Концентрация неосновных носителей на границах эмиттерного перехода выше равновесной, а на границах коллекторного перехода ниже равновесной:

 

 

По базе концентрация электронов убывает приблизительно по линейному закону:

.

 

3)  Область насыщения

Оба перехода транзистора смещены прямо: U_эб > 0 и  U_кб > 0. Через оба перехода происходит инжекция неосновных носителей в базу. По всей толщине базы их концентрация выше равновесной:

–   +              +   –   n+ p n     pэ nб pк       xэ 0 w xб xк

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4)  Инверсная активная область

Эмиттерный переход смещен в обратном направлении (U_эб < 0), а коллекторный – в прямом (U_кб > 0). Происходит инжекция электронов из коллектора в базу и экстракция их из базы в эмиттер. Это состояние в некоторых схемах соответствует переходному режиму транзистора.

 

10.1.2. Статические состояния транзистора в схеме с ОЭ

UП     Rk Ik   Rб Iб Uкэ   Uвх Uбэ

За положительные принимаем направления токов базы, коллектора и эмиттера в открытом транзисторе, т.е. в нормальном активном режиме и в области насыщения.

 

Точка 1 на пересечении линии нагрузки и выходной характеристики при I_б = –I_кбо соответствует состоянию глубокой отсечки, т.е. закрытому транзистору.

 

 

Ik   2 Iк.нас               Iб =0 1 Iб = –Iкбо   0 Uкэ.нас Uкэ.з UП Uкэ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для этого на входе должно быть запирающее напряжение U_вх < 0. Если ½U_бэ½>>j_т и ½U_кэ½>>j_т , то коллекторный ток закрытого транзистора I_к.закр @ I_кбо . Ток базы I_б.закр @ – I_кбо . Ток эмиттера практически отсутствует. Транзистор в области отсечки можно представить эквивалентной схемой в виде генератора тока I_кбо .

+UП Rк     Iкбо   Б Uкэ.закр   Э

Выходное напряжение

 

U_{кэ.закр} =U_П – I_кбо R_к @ U_П .

Между состоянием глубокой отсечки и открытым состоянием находится промежуточная область неглубокой отсечки, когда напряжение U_бэ близко к нулю.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Iк Iк.нас   0 Iб.гр Iб Uкэ UП     0 Uкэ.нас Iб

Точка 2 на пересечении линии нагрузки и линии критического режима соответствует открытому состоянию транзистора в области насыщения: ток коллектора максимален I_к = I_к.нас , а напряжение минимально U_кэ = U_кэ.нас и составляет десятые доли вольта.

При увеличении тока базы рабочая точка перемещается по линии нагрузки от 1 к 2, при этом ток I_к растет, а напряжение U_кэ уменьшается. При I_б = I_б.гр достигается граница активной области и области насыщения. Ток I_к.нас ограничен внешней цепью:

 

 

На грани насыщения потенциал базы равен потенциалу коллектора, т.е. U_кб =0,

а при насыщении потенциал коллектора U_кэ.нас опускается ниже потенциала базы U_бэ.нас.. Значение граничного тока базы, при котором наступает насыщение, равно

 

Степень насыщения характеризует запас тока базы по сравнению с граничным:

 

Эквивалентная схема насыщенного транзистора

Точная схема

Приближенная схема

К                                                                       К Uбэ.нас + Uкэ.нас +    –          –                                                   Б Б Э                                                                       Э

 

Основные параметры ключа

1. Входной ток закрытого транзистора

I_б.закр = –I_кбо .

2. Входное напряжение для надежного запирания транзистора

 

3.   Выходное напряжение на коллекторе закрытого транзистора

U_{кэ.закр} = U_П – I_кбо R_к » U_П .

4.   Входной ток, необходимый для насыщения транзистора,

I_б.нас > I_б.гр .

5.   Максимальный ток коллектора насыщенного транзистора

I_к.нас » U_П /R_к .

6. Напряжение на коллекторе насыщенного транзистора

U_кэ.нас » 0,1¸ 0,5 В.

7.   Выходное сопротивление ключа в открытом состоянии мало (десятки Ом), а в закрытом – велико (R_{вых.закр} » R_к ).

 

10.1.3. Метод заряда базы

Это математический аппарат для анализа переходных процессов при переключениях транзистора. Втекающий в базу транзистора (n–p–n) ток вносит в нее положительный заряд:

.

Поступление заряда  из внешней цепи компенсирует накопление в базе отрицательного заряда неосновных носителей (электронов) , потери на рекомбинацию  и изменение суммарного заряда примесных ионов (в данном случае отрицательных акцепторных) из-за изменения толщины базы, что можно трактовать как изменение заряда в эмиттерном и коллекторном переходах ().

Таким образом, существует баланс между поступающим в базу положительным зарядом и суммарным отрицательным зарядом в базе. Первое уравнение заряда:

.

В этой формуле Q_б – суммарный заряд неосновных носителей в базе; t_б – время жизни неосновных носителей в базе. Время жизни в режиме насыщения t_б.н меньше, чем в активном режиме t_б.а .

Универсальное первое уравнение заряда можно упростить для конкретных режимов. Так, в активном режиме пренебрегаем изменением толщины эмиттерного перехода:

.

А в области насыщения можно не учитывать и влияние коллекторного перехода:

.

Зная закон изменения тока базы и начальное значение заряда в базе при t =0, можно, решив уравнение заряда, найти закон изменения заряда в базе. В частности, в установившемся режиме при постоянном токе базы Q_б (t®µ)=I_б t_б . Если ток базы имеет вид скачка i_б (t)=I_б× 1(t), то заряд в базе нарастает по экспоненте:

.

iб Iб t 0 Qб         Qб (µ)=Iб. tб Qб.гр=Iб.гр tб   t 0 t                    2 t                     3t

Если ток базы больше граничного, то вначале заряд достигает граничного значения, равного Q_б.гр=I_б.гр t_б , а затем продолжает расти и транзистор входит в насыщение. Степень насыщения

.

 

 

 

 

 

 

В общем случае уравнение заряда удобно решать с помощью операторного метода. Подставив

,

получим

 

nб База nб(0)       Qб     0 w

Для активной области справедливо так же и второе уравнение заряда, которое связывает ток коллектора с неравновесным зарядом в базе.

 

Суммарный неравновесный          заряд в базе

.

Ток коллектора

.

Отсюда видно, что ток коллектора прямо пропорционален заряду в базе:

,

где  – время диффузии неосновных носителей через базу.

Напомним, что t_D » t_a , а t_b » bt_a .

В активном режиме при скачке тока базы и ток коллектора, и заряд в базе изменяются одинаково по экспоненциальному закону:

 

Отсюда следует, что t_b =t_б. Поэтому другая форма уравнения заряда имеет вид

 

 

10.1.4. Переходные процессы в транзисторном ключе

+UП   Rк   E1 Uвых –   + Кл. Rб Iб1 +   – Iб2 E2

 

 

 

Будем считать, что транзисторный ключ по схеме с ОЭ управляется от источника тока. Режим управления током обеспечивается при достаточно большом сопротивлении R_б и значениях напряжений

E₁ >> U_бэ.нас ; E₂ >> U_бэ.нас .

 

Отпирание транзистора начинается в момент t₀ подачи на вход ключа положительного напряжения Е₁ . При этом отпирающий ток базы равен

.

При подключении источника отрицательного напряжения Е₂ в цепи базы открытого транзистора возникает импульс запирающего тока

 

.

Отпирание транзистора проходит в два этапа.

Этап включения. Начинается в момент подачи отпирающего тока и заканчивается в момент t₁, когда транзистор переходит из активной области в область насышения. На этом этапе ток коллектора и заряд в базе нарастают, а выходное напряжение спадает по экспоненте с постоянной времени

.

Второе слагаемое учитывает изменение заряда емкости коллекторной цепи. К моменту t₁ ток коллектора достигает значения I_к.нас,  заряд – граничного уровня Q_б.гр, а выходное напряжение  – значения U_кэ.нас. Длительность этапа включения равна

 

Видно, что чем больше отпирающий ток базы, тем короче этап включения, т.е. отрицательный фронт выходного напряжения.

Этап накопления избыточного заряда. Начиная с момента t₁, ток и потенциал коллектора остаются неизменными, а заряд в базе продолжает нарастать и стремится к установившемуся значению I_б1 t_б . Этап накопления завершается за время (3¸4)t_б .

Запирание транзистора начинается в момент t₂ отключения напряжения +Е₁ и подключения отрицательного напряжения –Е₂ , при этом возникает запирающий ток базы i_б (t) = –I_б2 . Переходные процессы проходят также в два этапа.

Этап рассасывания избыточного заряда. На этом этапе транзистор остается в области насыщения, заряд в базе уменьшается по экспоненте с постоянной времени t_б от начального уровня I_б1 t_б к предельному уровню – I_б2 t_б . К моменту t₃ заряд достигает граничного значения и транзистор переходит из области насыщения в активную область. Длительность этапа рассасывания, т.е. задержки выключения, равна

 

Длительность этапа зависит от величины отпирающего тока прямо, а от запирающего тока – обратно. Чем больше I_б2 , тем быстрее проходит рассасывания избыточного заряда.

Этап выключения. Заряд в базе, а вместе с ним и ток коллектора уменьшаются, а выходное напряжение нарастает. Все указанные величины изменяются с постоянной времени . К моменту t₄ все токи транзистора практически прекращаются, и транзистор входит в область отсечки. Длительность этапа выключения зависит от величины запирающего тока:

 

Чем больше ток I_б2 , тем короче положительный фронт выходного напряжения.

uвх +E1   0 t –E2 –E2   iб Iб1   t 0 t0 t2   –Iб2   iк Qб bIб1 Iб1tб   Qб Iк.нас Qб.гр iк в     0 t tвкл tp tвык           –bIб2 – Iб2tб           uкэ   UП         Uкэ.нас   0 t0 t1 t2 t3 t4 t

 

10.1.5. Способы повышения быстродействия транзисторного ключа

iб       0 t   –   iк Qб     Iк.нас   0 tвкл tp tвыкл t

Сокращение длительностей t_вкл , t_р и t_выкл достигается оптимизацией формы управляющего тока базы. Оптимальной является форма тока, показанная ниже.

Для уменьшения  длительности этапов включения и выключения значения токов и  на этих этапах должны быть достаточно большими. А для сокращения времени рассасывания необходимо уменьшать степень насыщения транзистора;  для этого после включения транзистора необходимо уменьшить отпирающий ток базы до уровня

.

 

 

 

 

 

 

Схема ключа с ускоряющим конденсатором

 

Конденсатор Сб ускоряет процессы отпирания и запи-рания транзистора. Действие конден-сатора состоит в создании бросков отпирающего и за-пирающего тока в цепи базы в мо-менты коммутации входного сигнала.

 

+U_П

R_к

 

E₁ С_б U_вых

–   +

Кл. R_г

+   –

R_б

E₂

 

 

iб Iб1m   Iбµ t Qб Iб1mtб Iбµtб Qб.гр   t 0

Отпирающий ток в первый момент будет равен

,

а затем, по мере заряда конденсатора, уменьшается до установившегося значения

.

Процесс включения происходит при токе базы  и это сокращает длительность этапа включения:

.

Вместе с тем установившееся значение заряда в базе определяется меньшим отпирающим током I_б1¥.

Конденсатор увеличивает и запирающий ток:

,

тогда как в схеме без конденсатора он был бы равен . Большой запирающий ток обеспечивает более быстрое рассасывание избыточного заряда и выключение транзистора.

1-я кривая соответствует постоянному отпирающему току базы, равному максимальному значению , 4-я кривая – для постоянного минимального тока I_б1¥. 2-я кривая для общего случая имеет выброс; оптимальной является 3-я кривая без выброса функции Q_б (t). В этом случае обеспечивается высокая скорость включения и минимальный избыточный заряд перед выключением в любой момент времени.

Оптимальная постоянная времени заряда конденсатора  t_С = C_б(R_г ||R_б) может быть найдена путем решения уравнения заряда:

 

t_С.опт = t_б.

Заряд устанавливается тем быстрее, чем меньше t_С.опт, т.е. чем больше перепад токов .

Ненасыщенный ключ с нелинейной отрицательной обратной связью

+UП   VD Rк iд   iвх R0 iб   +           –

Для устранения задержки выключения, обусловленной этапом рассасывания избыточного заряда, необходимо, чтобы в открытом состоянии транзистор находился на грани насыщения, т.е. отпирающий ток базы был равен граничному значению. При разбросе параметров транзистора и их температурных изменениях требуется стабилизация потенциала коллектора на уровне потенциала базы. С этой целью используется нелинейная отрицательная обратная связь с помощью диода, включенного между коллектором и цепью базы.

В выключенном состоянии ключа диод VD находится под обратным напряжением и закрыт. В момент t₀ подачи отпирающего тока I_вх.1 он весь течет в цепь базы и форсированно отпирает транзистор. В момент t₁ потенциал коллектора опускается до уровня

,

при котором диод открывается.

 

 

 

iвх Iвх.1     t0 t2 t   –Iвх.2 iб             iк iд iк Iк.н     iд   t0 t1 t2 t3 t4 t Uкэ   UП       Iвх1R0 Uкэ.о

После этого входной ток быстро, с постоянной времени t_a, перераспределяется между цепями базы и коллектора. Если сопротивление R₀ удовлетворяет условию

,

рабочая точка транзистора установится в близости от границы активной области и области насыщения.

При поступлении в момент времени t₂ выключающего тока –I_вх.2 создается скачок запирающего тока базы

.

До момента t₃ происходит запирание диода, а к моменту t₄ – выключение транзистора.

В ненасыщенном ключе отсутствует этап рассасывания избыточного заряда, Этап выключения задерживается только на время запирания диода, но это время существенно меньше длительности этапа рассасывания.

Ненасыщенный ключ с нелинейной О.О.С. примерно равноценен насыщенному ключу с ускоряющим конденсатором (при оптимальной емкости С_б), зато не содержит нежелательного для интегральной схемотехники компонента (конденсатора).

 

Для уменьшения задержки выключения применяют диоды Шоттки, имеющие малое время восстановления обратного сопротивления.

На рисунке показано графическое изображение транзистора с барьером Шоттки.

 

 

 

 

 

 

10.3. Ключи на полевых транзисторах

В интегральной схемотехнике элементы на МДП–транзисторах находят такое же широкое применение, как и на биполярных. Благодаря большей степени интеграции ИС на МДП–транзисторах имеют меньшие размеры и более простую технологию изготовления. Недостатком схем на МДП является сравнительно низкое быстродействие.

Четыре известных типа транзисторов МДП с индуцированным и встроенным каналами n-  и p-типа в сочетании с различными видами нагрузки образуют большое число схем ключей (инверторов).

Ic           Uзи.отс 0 Uзи	Ic Uзи 0 Uзи.отс	Ic           0     Uзи.пор Uзи	Ic           Uзи.пор Uзи

10.2.1. Инвертор с линейной нагрузкой

+UП Rc   Uвых=Uси     Uвх=Uзи Сн

 

Транзистор с индуцированным каналом. Полярность напряжения питания зависит от типа проводимости канала.

Передаточная характеристика строится с использованием выходных характеристик транзистора и линии нагрузки

U_си = U_П – I_с R_с .

 

Iси   Uзи=10В     Rc=10ком                           8В     Rc=20ком                         6В   4В   0 Uси.о 10В Uси

Uси 10   8   6 Rс=20ком           сRс=10ком 4   2     0         2          4         6         8       10   Uзи

Уровни выходного напряжения в статических состояниях:

.

Необходимо, чтобы U_си.о < U_зи.пор . Чем больше R_c , тем круче спадающий участок передаточной характеристики и тем меньше U_си.о. Обычно выбирают R_с > 20R_{си.откр} .

В открытом состоянии инвертор имеет низкое выходное сопротивление , равное 100¸200 Ом. Это способствует быстрому спаду выходного напряжения при переключении транзистора. Однако в закрытом состоянии выходное сопротивление велико:  (единицы–десятки килоом). Поэтому нарастающий фронт выходного напряжения при запирании транзистора имеет большую постоянную времени, равную R_с C_н .

 

10.2.5. Инвертор на комплементарных МДП–транзисторах

+UП   Т1     Т2 Uвых Uвх

Uвых Iс Uвых     Ic   0                 Uпор Uвх

 

Схема содержит МДП–транзисторы с индуцированными каналами n–  и p–типа (схема КМДП). Подложки обоих транзисторов соединены с собственными истоками, что предотвращает отпирание изолирующих переходов канал–подложка. Входной сигнал подается на оба затвора и, таким образом, управляет обоими транзисторами.

Обычно . При низком входном напряжении U_вх < U_{зи.пор.2} Т₂ закрыт, а Т₁ открыт, и выходное напряжение практически равно напряжению питания: . При достаточно высоком входном напряжении, когда U_вх > U_{зи.пор.2} и в тоже время  U_П–U_вх <ïU_{зи.пор.1}ï, транзистор Т₁ закрыт, а Т₂ открыт. При этом выходное напряжение имеет уровень, близкий к нулю. Если же U_вх находится в пределах:

U_{зи.пор.2} < U_вх < U_П –êU_{зи.пор.1} ê,

то оба транзистора открыты, и на передаточной характеристике формируется крутой переходный участок.

Характерно, что в инверторах на КМДП–транзисторах логические уровни выходного напряжения не зависят от сопротивлений каналов. В обоих статических состояниях отсутствует сквозной ток. При переключениях же инвертора возникают импульсы тока, которые ускоряют перезаряд емкости нагрузки. Схемы  КМДП–типа получили широкое распространение ввиду:

• малой мощности потребления: нВт в статическом режиме и мВт при переключениях;
• высокой помехоустойчивости: допустимая амплитуда помехи до 45% от напряжения питания;
• способности работать в широком диапазоне напряжений питания – от 3 до 15В;
• сравнительно высокого быстродействия – до 10 МГц.

С применением вместо кремния сапфировой подложки с меньшей диэлектрической проницаемостью достигается еще большее быстродействие и более высокая плотность компоновки.

 

10.2.6. Логические элементы на полевых транзисторах

 

Базовые логические элементы имеют несколько входов и выполняют над входными переменными логическую операцию типа И–НЕ  либо  ИЛИ–НЕ. С этой целью вместо одного используются несколько активных транзисторов, включенных или последовательно или параллельно соответственно. На рисунке показаны примеры  двухвходовых элементов на КМДП–транзисторах.

Выход     Вход1     Вход2

Вход1     Вход2     Выход

 

Схема логического элемента И–НЕ                  Схема логического элемента ИЛИ–НЕ

 

&                                                                             1