L_15 (Конспекты лекций)

Лекция №15.РАБОТА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ В КЛЮЧЕВОМРЕЖИМЕПлан1. Введение.2. Полупроводниковые диоды в режиме ключа.3. Транзисторные ключи на биполярном транзисторе.4. Теоретическое обобщение по теме.1. Введение.1. В настоящее время преимущество на стороне не аналоговой, а цифровой обработки сигнала, потому что цифровая обработка обеспечивает большую точность, воспроизводимость результатов, меньшую чувствительностьк воздействию помех. Одним из основных элементов большинства импульсных схем является электронный ключ. Назначение ключа ─ коммутация цепей нагрузки с помощью управляющих электрических сигналов. Основу любого электронного ключа составляет полупроводниковый прибор ─ диод,биполярный или полевой транзисторы, работающие в нелинейном ключевомрежиме.

Как и в случае механического ключа, качество электронного ключаопределяется падением напряжения в замкнутом состоянии, остаточным током в разомкнутом, скоростью перехода из одного состояния в другое.2. Полупроводниковые диоды в режиме ключа.Применение диодов в электронных ключах связано с их одностороннейпроводимостью.В зависимости от схемы соединения диода и нагрузки различают:• последовательные ключи (рис.15.1а);• параллельные ключи (рис.15.1б).Сопротивление диода по отношению к нагрузке зависит от его состояния (закрыт он или открыт) r пр << Rн << r обр . Если это условие выполняет-ся, то при положительном напряжении на входе схемы (рис.15.1а) напряжение на выходе ключа будет равноUвых=вх R н =rд + RнUUвых=Uвх ≈U вх ,rа при отрицательном1+ дRнвх R н =r д.обр + R нUUвх≈ 0.rд.обр1+RнНа рис.15.1а, б, в, г показаны ─ схема простейшего последовательного(а) и параллельного (б) ключей на диоде и диаграммы, объясняющие переходные процессы в диоде при воздействии на него двухполярных импульсов.VDЕвхв)UвхRнUвых0Uвх прt0t5t2tUвх обра)IVDRг)UвхVD0t0t1t2 t3t4t5tUвыхIвыбросtвосстб)Рис.15.1.Таким образом, при положительной полярности входного сигнала диодпропускает ток, а при отрицательной ─ не пропускает.

Рассмотрим, каковабудет форма тока через диод в импульсном режиме. На рис.15.1г показанаформа тока через диод с учётом влияния паразитных емкостей (см. лекцию№1). Как известно, ток через ёмкость не может измениться мгновенно, по-этому, за счёт перезаряда паразитных емкостей, так искажена форма импульса анодного тока.В теме «Частотные свойства диода» рассматривались ёмкостныесвойства p-n-перехода, обусловленные влиянием диффузионной и барьернойемкостей. С повышением частоты в базе диода скапливается объёмный заряд,на рассасывание которого требуется определённое время ─ t восст (рис.15.1.

. г)─ время обратного восстановления.С t 0 по t 2 на входе ключа действует импульс положительной полярности.Нарастание переднего фронта импульса анодного тока идёт постепенно, чтообусловлено влиянием паразитных емкостей. В момент t 1 заканчиваетсяформирование переднего фронта импульса анодного тока, и с t 1 по t 2 идётнакопление объёмного заряда.В момент t 2 меняется полярность сигнала (рис.15.1в) на входе ключа.Поле p-n-перехода меняет направление и становится ускоряющим по отношению к носителям объёмного заряда, скопившегося в базе.

Ток через диод делает обратный выброс (момент t 2 ) и с t 2 по t 3 идёт рассасывание объёмного заряда; заряд уменьшается по двум причинам ─ в результате переходанеосновных носителей из базы в эмиттер под действием ускоряющего поляp-n-перехода и в результате рекомбинации.В момент времени t 3 на переходе устанавливается обратное напряжение,и с t 3 по t 4 рассасываются остаточные носители из глубины базы ─ формируется время среза импульса анодного тока t с . При этом обратный ток уменьшается до статического; значение тока I обр указывается в справочной литературе (на рис.15.1в он не показан).Следовательно, диод должен был закрыться в момент времени t 2 и оставаться в таком состоянии до времени t 5 , но за счёт скопления неосновныхносителей в базе (и последующем его рассасывании) в закрытое состояние онокончательно перешёл только в момент времени t 4 .Таким образом, на рассасывание заряда (с t 2 по t 3 ), скопившегося в базе,требуется определённое время.

Обозначим этот промежуток времени черезt рас .tрас≈ τ б ln(1 +IIпр),обргде τ б ─ время жизни неравновесных носителей в базе.Важным параметром диода в режиме ключа является время среза (спада)импульса обратного тока ─ t ср (с t 3 по t 4 ).tср≈ (1...0,1)τ б ,.Сравнивая промежутки времени t рас . и t ср , видим, что для любого типадиодов t рас > t ср .И, наконец, очень важным параметром является время восстановленияобратного сопротивления диода ─ t восст.tвосст.= t рас + t срВывод.

За счёт С диф диод становится инерционным прибором, при этомухудшается один из главных параметров ключа ─ быстродействие.3. Транзисторные ключи на биполярных транзисторах.Основная функция транзисторного ключа ─ это бесконтактная коммутация цепей электронных схем.В отличие от диодных в транзисторных ключах входная и выходная цепи разделены.На рис.15.2а показана схема простейшего транзисторного ключа на биполярном транзисторе, а на рис.15.2б ─ коллекторная ВАХ транзистора.Состояние транзистора в схеме ключа зависит от характера импульса навходе ключа.

Состояние транзисторного ключа «открыт» (ключ «замкнут»)характеризуется минимальным остаточным напряжением, а состояние «закрыт» (ключ «разомкнут») ─ минимальным остаточным током (током неосновных носителей). Основная логическая функция, которую выполняет транзисторный ключ ─ это операция логического отрицания (инверсия, операция«НЕ»)На входе ключа действует двухполярный сигнал ±E б .Обозначим:Е + ─ напряжение на входе ключа, отпирающее транзистор (запусбкающий импульс);I + ─ запускающий ток в цепи базы;бЕ − ─ запирающий импульс входного напряжения; I − ─ запирающийббимпульс входного тока;Uвых= U ост ─ остаточное напряжение на транзисторе, открытом донасыщения.мA IкЕкEDRкРТRбЕбVTСвхRкUвыхUкэFВUоста)б)Рис.15.23.1. Параметры транзисторных ключей.3.1.1. Остаточное напряжение и остаточный ток.В первую очередь коротко рассмотрим параметр ─ остаточный ток,так как этому току немало было уделено внимание в лекциях о биполярномтранзисторе.Остаточный ток ─ это ток в цепи закрытого транзистора (когда на входе ключа действует запирающий импульс Е − ).

Обозначим обратный ток чебрез закрытый транзистор через I ост . Под остаточным током подразумевается ток неосновных носителей через закрытый транзистор. Его величинаочень незначительна и чаще всего им пренебрегают, но при повышении температуры, мощности и частоты с ним приходится считаться.О влиянии температуры на этот ток в транзисторе было сказано влекции №2, в теме «Температурные и частотные свойства биполярноготранзистора».Остаточное напряжение обозначим через U ост ─ напряжение на выходеоткрытого до насыщения транзистора (когда на входе ключа действует отпирающий импульс Е + ). Для получения минимального остаточного напряжебния транзисторные ключи работают на крутом участке коллекторной ВАХтранзистора (рис.15.2б).

Минимальное напряжение на выходе насыщенноготранзистора составляет 0,05÷ 0,1 В. Такое напряжение на выходе характернодля режима двойной инжекции, когда эмиттерный и коллекторный переходынаходятся в прямосмещённом состоянии. Инжекция носителей в базу идёт ииз эмиттера, и из коллектора. В базе происходит накопление неосновных носителей, на рассасывание которых потребуется определённое время. Такимобразом, в режиме двойной инжекции транзистор приобретает инерционность, и его переключающие свойства ухудшаются.

Ухудшается быстродействие ключа в целом, и чем глубже насыщение транзистора, тем оно хуже.В режиме насыщения, при таком малом остаточном напряжении на участке «коллектор-эмиттер» транзистора, ток в цепи коллектора ограничивается практически только сопротивлением R к , поэтому этот ток называют токомнасыщенияIкн=Е − U ост Ек≈ к.RRккТок насыщения в цепи коллектора должен обеспечивать ток базы. Определяем ток базы в соответствии со схемой на рис.15.2а.ЕE + − U б I кнкбI=≈=б.нас.

минR βRβкб,где U б ─ падение напряжения на сопротивлении резистора R б , которыйограничивает входной сигнал до уровня, необходимого для отпирания транзистора (U б.э = U* ≈ 0,7 В).Необходимость в увеличении тока базы может диктоваться желаниемповысить быстродействие ключа, так как, чем больше ток I б.нас , тем быстреетранзистор переходит в открытое состояние, и тем быстрее происходит нарастание переднего фронта импульса коллекторного тока. Но при значительном увеличении тока базы сильно насыщается транзистор, а это увеличиваетдлительность переходных процессов при выключении транзистора и, крометого, заметно увеличивается мощность, рассеиваемая во входной цепи. Поэтому, следует искать компромисс по степени насыщения транзистора.Дальше по тексту мы ещё уделим внимание степени насыщения транзистора.3.1.2. Быстродействие транзисторного ключа.Быстродействие ─ если формулировать упрощённо, то это ─ время отклика схемы на входной сигнал.

С точки зрения разработчика системы, быстродействие цифровой схемы определяет её вычислительные возможности. Например, микропроцессоры нередко характеризуются количествомвыполняемых за одну секунду команд. Для транзистора в ключевом режимехарактерны два крайних состояния ─ или открыт, или закрыт. Время переключения из закрытого состояния в открытое обозначим через t10, из открытого в закрытое ─ через t01.

Главным временным интервалом, который наилучшим образом характеризует быстродействие ключа принято считать параметр ─ время задержки распространения сигнала (t ср ). В дальнейшем мыещё будем обращаться к этому параметру.При анализе остаточного напряжения на выходе открытого до насыщения транзистора мы сделали важный вывод: чем глубже насыщение, темхуже быстродействие ключа. Поэтому рассмотрим следующий параметр ─степень насыщения транзистора.3.1.3.

Степень насыщения транзистора.Степень насыщения иногда называют коэффициентом насыщения, ноэто не меняет его сущности. Степень насыщения транзистора показываетво сколько раз реальный ток базы больше того минимального значения токабазы, которое необходимо для обеспечения режима насыщения транзистору.Обозначим степень насыщения транзистора через q нас .Режим двойной инжекции возникает при условии, если на коллекторномпереходе, как и на эмиттерном, будет прямое напряжение.