Технические дисциплины - Электроника |
10. ТРАНЗИСТОРНЫЕ КЛЮЧИ
10.1. Электронные ключи на биполярных транзисторах
10.1.1. Области работы транзистора
В зависимости от полярности напряжений на переходах Uэб и Uкб различают четыре области:
1) Область отсечки токов
+ – – +
n+ p n
pэ nб pк
xэ 0 w xб xк |
Оба перехода смещены в обратном направлении: Uэб < 0 и Uкб < 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 (Uэб > 0), а коллекторный переход – в обратном направлении (Uкб < 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: Uэб > 0 и Uкб > 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 (Uэб < 0), а коллекторный – в прямом (Uкб > 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 Iб = –Iкбо 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 Uвх < 0. Если ½Uбэ½>>jт и ½Uкэ½>>jт , то коллекторный ток закрытого транзистора Iк.закр @ Iкбо . Ток базы Iб.закр @ – Iкбо . Ток эмиттера практически отсутствует. Транзистор в области отсечки можно представить эквивалентной схемой в виде генератора тока Iкбо .
+UП Rк
Iкбо
Б Uкэ.закр
Э
|
Выходное напряжение
Uкэ.закр =UП – Iкбо Rк @ UП .
Между состоянием глубокой отсечки и открытым состоянием находится промежуточная область неглубокой отсечки, когда напряжение Uбэ 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 Iк = Iк.нас , а напряжение минимально Uкэ = Uкэ.нас и составляет десятые доли вольта.
При увеличении тока базы рабочая точка перемещается по линии нагрузки от 1 к 2, при этом ток Iк растет, а напряжение Uкэ уменьшается. При Iб = Iб.гр достигается граница активной области и области насыщения. Ток Iк.нас ограничен внешней цепью:
На грани насыщения потенциал базы равен потенциалу коллектора, т.е. Uкб =0,
а при насыщении потенциал коллектора Uкэ.нас опускается ниже потенциала базы Uбэ.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
Iб.закр = –Iкбо .
2. Входное напряжение для надежного запирания транзистора
3. Выходное напряжение на коллекторе закрытого транзистора
Uкэ.закр = UП – Iкбо Rк » UП .
4. Входной ток, необходимый для насыщения транзистора,
Iб.нас > Iб.гр .
5. Максимальный ток коллектора насыщенного транзистора
Iк.нас » UП /Rк .
6. Напряжение на коллекторе насыщенного транзистора
Uкэ.нас » 0,1¸ 0,5 В.
7. Выходное сопротивление ключа в открытом состоянии мало (десятки Ом), а в закрытом – велико (Rвых.закр » Rк ).
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 Qб – суммарный заряд неосновных носителей в базе; tб – время жизни неосновных носителей в базе. Время жизни в режиме насыщения tб.н меньше, чем в активном режиме tб.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 Qб (t®µ)=Iб tб . Если ток базы имеет вид скачка iб (t)=Iб× 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 Qб.гр=Iб.гр tб , 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 tD » ta , а tb » bta .
В активном режиме при скачке тока базы и ток коллектора, и заряд в базе изменяются одинаково по экспоненциальному закону:
Отсюда следует, что tb =tб. 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 Rб и значениях напряжений
E1 >> Uбэ.нас ; E2 >> Uбэ.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 Iк.нас, заряд – граничного уровня Qб.гр, а выходное напряжение – значения Uкэ.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 Iб1 tб . Этап накопления завершается за время (3¸4)tб .
Запирание транзистора начинается в момент t2 отключения напряжения +Е1 и подключения отрицательного напряжения –Е2 , при этом возникает запирающий ток базы iб (t) = –Iб2 . 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 tб от начального уровня Iб1 tб к предельному уровню – Iб2 tб . 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 Iб2 , 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 Iб2 , 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 tвкл , tр и tвыкл 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. |
+UП
Rк
E1 Сб Uвых
– +
Кл. Rг
+ –
Rб
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 Iб1¥.
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 Iб1¥. 2-я кривая для общего случая имеет выброс; оптимальной является 3-я кривая без выброса функции Qб (t). В этом случае обеспечивается высокая скорость включения и минимальный избыточный заряд перед выключением в любой момент времени.
Оптимальная постоянная времени заряда конденсатора tС = Cб(Rг ||Rб) может быть найдена путем решения уравнения заряда:
tС.опт = tб.
Заряд устанавливается тем быстрее, чем меньше tС.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 Iвх.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 ta, 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 –Iвх.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 Сб), 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
Uси = UП – Iс Rс .
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 Uси.о < Uзи.пор . Чем больше Rc , тем круче спадающий участок передаточной характеристики и тем меньше Uси.о. Обычно выбирают Rс > 20Rси.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 Rс Cн .
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 Uвх < Uзи.пор.2 Т2 закрыт, а Т1 открыт, и выходное напряжение практически равно напряжению питания: . При достаточно высоком входном напряжении, когда Uвх > Uзи.пор.2 и в тоже время UП–Uвх <ïUзи.пор.1ï, транзистор Т1 закрыт, а Т2 открыт. При этом выходное напряжение имеет уровень, близкий к нулю. Если же Uвх находится в пределах:
Uзи.пор.2 < Uвх < UП –êUзи.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