26249-1 (663097), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Хотя для повышения помехоустойчивости желательно увеличивать коэффициент насыщения, однако сле­дует помнить, что при этом растет время переключения транзис­торного ключа.

3. ВКЛЮЧЕНИЕ ТРАНЗИСТОРНОГО КЛЮЧА

Транзистор переходит из режима отсечки в режим насыщения и обратно не мгновенно, а в течение определенного времени. Эта инерционность биполярного транзистора обусловлена двумя ос­новными факторами: накоплением заряда неосновных носителей в базе и емкостями коллекторного С_к и эмиттерного Сэ перехо­дов. Кроме того, на длительность переходных процессов тран­зисторного ключа оказывает влияние емкость нагрузки С_н.

Расчет длительности переходных процессов в транзисторном ключе проводится методом заряда, базирующимся на том факте, что в базе объемный заряд неосновных носителей скомпенсиро­ван, т. е. база электрически нейтральна.

Метод заряда. Так как в базе (p-область) неосновными но­сителями являются электроны, то при u_бэ > U_отп ток базы i_б(t) определяет скорость накопления электронов dq/dt в ней (q — заряд неосновных носителей) и компенсирует их убывание q/ в результате рекомбинации ( — время жизни неосновных носителей в базе). Кроме того, ток базы идет на перезарядку ем­костей' Ск и Сэ при изменении напряжения на переходах. Следо­вательно,

(7.2)

Если емкостные токи коллекторного и эмиттерного переходов невелики, то уравнение (7.2) упрощается:

dq/dt + q/ = i_б(t) (7.3)

В стационарном состоянии, когда dq/dt = 0,

q = I_б, (7.4)

т. е. избыточный заряд неосновных носителей в базе пропорцио­нален базовому току. Это соотношение справедливо не только в активном режиме, но и в режиме насыщения транзистора.

С помощью уравнений (7.2) или (7.3) можно определить объем­ный заряд неосновных носителей в базе в функции времени. Од­нако при расчете импульсных схем на транзисторах основной ин­терес представляет определение закона изменения коллекторно­го тока.

В активном режиме работы транзистора при условии, что рас­пределение концентрации неосновных носителей заряда в базе является линейным, имеет место соотношение, которое с извест­ным приближением дает связь между зарядом неосновных носителей в базе и коллекторным током транзистора:

(7.5)

Это соотношение в стационарном режиме справедливо с высокой точностью. Однако в переходном режиме, длительность которо­го соизмерима с временем распространения носителей вдоль базы, линейный характер распределения неосновных носителей в базе нарушается.

Решая уравнения (7.2) или (7.3) и используя соотношение (7.5), можно определить закон изменения коллекторного тока при заданном базовом токе. Преобразуем по Лапласу уравнение (7.3), поскольку это упрощает процедуру решения при различных начальных условиях:

(7.6)

где q(0) — начальное значение заряда неосновных носителей в базе; р — оператор Лапласа.

Задержка включения. Рассмотрим процесс включения тран­зисторного ключа при условии, что в момент времени /о на его входе напряжение скачком изменяется от U_б^- до U_б⁺ (рис. 7.5). В базовой цепи устанавливается ток . Хотя управляющее напряжение изменяется скачком, разность потенциалов между базой и эмиттером из-за наличия прежде все­го емкостей С_э и С_к нарастает до значения U_отп при котором транзистор открывается, но не сразу, а в течение определенного времени. Таким образом, импульс коллекторного тока начина­ется в момент времени, т. е. с некоторой задержкой относи­тельно момента подачи отпирающего напряжения Интервал времени t_зд = t₁ – t₀ определяет длительность стадии задерж­ки - время, в течение которого происходит перезарядка ем­костей С_э и С_к. Так как в это время через транзистор протекают емкостные токи, то эквивалентная схема транзисторного ключа

Рис. 7 5. Переходные процессы в ключе ОЭ

Рис. 7.6. Эквивалент­ная схема ключа

на этапе задержки включает внешние резисторы и емкости пере­ходов (рис. 7.6).

В транзисторном ключе обычно R_б > R_к поэтому, пренебре­гая R_к получим цепь первого порядка, переходной процесс в которой определяется соотношением

где . Когда ем­кость нагрузки транзисторного ключа С_н соизмерима или боль­ше суммарной емкости переходов, . После подстановки получим

Стадия задержки заканчивается, когда поэтому

Формирование фронта. Когда в момент времени t₁ эмиттерный переход открывается, начинается процесс нарастания коллек­торного тока, сопровождающийся снижением коллекторного на­пряжения. Коллекторный ток увеличивается до момента време­ни t₂ , когда транзистор входит в режим насыщения. В интервале времени t₁ …t₂ . происходит формирование фронта импульса тока. Длительность фронта t_ф = t₁ + t₂ можно определить из уравне­ния (7.6). Так как начальный объемный заряд q(0) = 0, а

(7.9)

Подставив выражение (7.9) в (7.5), получим:

(7.10)

Таким образом, и объемный заряд неосновных носителей в базе, и коллекторный ток во время формирования фронта из­меняются по экспоненциальному закону. Когда i_к (t₂ ) = I_к и заряд неосновных носителей в базе достигает значения q(t₂) = I_{к нас} /h_21э, формирование фронта заканчивается. Восполь­зовавшись соотношением (7.9), получим формулу для расчета длительности фронта

(7.11)

Из полученного соотношения следует, что увеличение базового тока включения приводит к уменьшению длительности фронта импульса коллекторного тока. Если при формировании фронта емкостный ток соизмерим с коллекторным током транзистора, то для расчета t_ф в формуле (7.11) необходимо заменить на _экв из (7.8).

После того как транзистор войдет в режим насыщения, ток i_к и напряжение u_кэ перестают изменяться, но процесс накопле­ния заряда продолжается по экспоненциальному закону в соот­ветствии с выражением (7.9), однако постоянная времени здесь другая: _нас = (0,8. . .0,9).

Поскольку процесс накопления носит экспоненциальный ха­рактер, то время, в течение которого заряд неосновных носителей достигает стационарного значения, можно вычислить по форму­ле t_нас = (0,8. . .0,9)_нас .

На этом процесс включения транзисторного ключа заканчи­вается.

4. ВЫКЛЮЧЕНИЕ ТРАНЗИСТОРНОГО КЛЮЧА

Когда в момент времени t₃ происходит переключение входного напряжения с U_б⁺ на U_б^- (см. рис. 7.3), начинается процесс вы­ключения транзисторного ключа. При переключении входного напряжения ток базы меняет направление и становится равным

Стадия рассасывания. В результате изменения направления базового тока начинается процесс рассасывания неосновных носителей. Несмотря на уменьшение заряда, транзистор некото­рое время находится в режиме насыщения и коллекторный ток остается равным I_{к нас} В момент времени t₄ (см. рис. 7.5) кон­центрация неосновных носителей около коллекторного перехода уменьшается до нуля и на коллекторном переходе восстанавли­вается обратное напряжение.

Таким образом, интервал времени t_рас = t₄ – t₃ определяет за­держку среза импульса коллекторного тока. Время t_рас, кото­рое называется временем рассасывания, можно определить из уравнения (7.6), положив

Переходя от изображения к оригиналу, получим

Этап рассасывания заканчивается, когда транзистор входит в активный режим, и если положить, что в момент времени t₄ объемный заряд q(t₄) = _нас I_{к нас} /h_21э , то получим

(7.12)

Иногда зарядом q(t₄ ) пренебрегают, и формула для расчета вре­мени рассасывания принимает вид

Стадия формирования спада. В дальнейшем начинается умень­шение базового и коллекторного токов, что сопровождается уве­личением напряжения u_кэ и формируется спад вершины импульса коллекторного тока. Процессы, протекающие в транзисторном ключе в этой стадии, довольно сложны, и количественная оцен­ка длительности спада зависит от того, какие факторы пре­валируют. Принимая во внимание, что в момент окон­чания стадии спада q(t₅) = 0, получаем

(7.13)

Данная формула получена при довольно грубом приближе­нии, поскольку в действительности ток базы не остается пос­тоянным и нельзя пренебрегать токами зарядки и емкости нагрузки транзисторного ключа. Когда определяющим явля­ется процесс зарядки этих емкостей, то длительность спада рас­считывается по формуле

5. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Быстров Ю. А. Мироненко И. Г. “Электронные цепи и устойства”

2. Манаев Е. И. “Основы радиоэлектроники”

3. Степаненко И. П. “Основы микроэлектроники”

4. Пасынков В. В. “Полупроводниковые приборы”

Характеристики

Список файлов реферата