Гусев - Электроника (944138), страница 104
Текст из файла (страница 104)
В установившемся режиме, в котором дД б)1=0, уравнение (7.42) примет уже знакомый вид Д(со) = б,т. (7.43) т гтгр 2кнрс' )1 2 1 (7.45) Значение граничного заряда широко используется как критерий перехода ключа из активной области в область насыщения. Соответственно степень насьпцения определяют из выражения 514 В общем случае оно нелинейно, так как время жизни неосновных носителей заряда в базе т изменяется в зависимости от режима работы. Однако можно полагать, что время жизни имеет два постоянных значения: т„— в активном режиме, т„— в режиме насьпцения. Следовательно, уравнение заряда базы можно рассматривать как кусочно-линейное. Для его решения необходимо знать как закон изменения тока базы 1', так и начальное значение заряда в ней Д (0) в момент 1= 0, В том случае, если ток базы изменяется скачкообразно и пРи этом 11Ринимает новое постоЯнное значение 1б=Ув=соп51, общее решение уравнения (7.42) имеет вид Д (! ) = Д (ао ) — ~Д (ж) — Д (0) ) е "', (7.
44) где Д (О) заряд в базе при 1= 0; Д (бс) — заряд в базе после окончания переходного процесса; Д(1) текущее значение заряда. На границе активной области и области насыщения, когда справедливо выражение Ь,,Ув„„= У „... в базе транзистора имеется заряд, называемый граничным и определяемый из следующего соотношения: Л'= ф — Д„,) 7Д, р. 17.46) Ра ' ' Рк РаЗНОСТЬ г'7 Дтр Д Наэмва- д д ется избыточным зарядом, Из рис. 7Л7, на котором показа- рс '~ г7,р, но распределение концентраций не- основных носителей заряда в базе :, г7нзе для разных режимов работы транзистора. ясно видна сущность процесса насьпцения.
В активном режиме концентрация неосновных носи- Э 1 гелей заряда в базе максимальна у эмиттерного перехода. Вблизи Рис 7!7 Диаграмма раснрснс- КОЛЛЕКтОрНОГО ПЕрЕХОда КОНцситра- нсниа нсосновных носитснсй зация их близка к равновесной, при- р"на " б"с """, ра'ны" р'"и мах работы транзистора чем уменьшение конпентрации происходит по линейному закону. Заряд инжектированных неоснов- ных носителей распределен неравномерно по длине базы. С увеличением уровня ннжекции меняется наклон линии, характеризующей распределение неосновных носителей заряда.
При достижении зарядом в базе своего граничного значения Д,„ наклон линии перестает меняться и она сдвигается параллельно самой себе. Напомним, что заряд, характеризуемый той или иной линией распределения концентраций, — это разность пло- щадей, ограпичиваемых линиями Д и ра,. На рис. 7.17 линии концентраций условно обозначены индексами заряда, а пло- щадгм соответствующая избыточному заряду, заштрихована. Изггыгночггьгй заряд в отличие от граничного распределен ривнгглгернгг по длине базы, а градиент его равен нулю. Метод заряда позволяет определить значения необходимых величин в статическом и динамическом режимах работы транзистора. Процесс открывания транзисторного ключа можно раз- делить на три стадии: задержка фронта; формирование фронта; накопление избыточного заряда в базе. 1.
Задеухггена фрггнгни. Она обусловлена перезарядкой барьер- ных емкостей С; и С„под действием входного сигнала. В исходном состоянии, когда ключ заперт, на базе транзистора имеется напряжение смещения — -~/во, обусловленное входным сигналом — е„. Когда сигнал е, скачком принимает значение +его т рапзистор остается запер гым, так как напряжение на его входной емкости не может измениться скачком. Через сопротивление )1 1см. рис. 7.13, и) начнет протекать ток перезарядки входной емкости, хотя транзистор в зто время будет заперт. Время задержки можно приближенно оценить используя выражение нм1 ~ц-1 (7.47) 5!5 где Е,„=АаС„„; 17 „„, напряжение между базой и эмиттером, при котором открывается эмиттерный переход. Входную емкость С.„можно считать приблизительно равной емкости параллельно соединенных емкостей коллекторного и эмиттерного переходов: С,„ = С,+ С,. Значение времени задержки обычно сравнительно невелико.
Так, например, при Сд+С„=ЗО пг)т;1егг ~=-~ 17во!=2 В; Я,=2 кОм е„д 4 пс. Так как задержка сдвигает только переходную характеристику ключа, не влияя на форму фронта, в дальнейшем, если нет специальной оговорки, будем считать, что поступивший входной сигнал сразу отпирает транзистор. 2. Формирование фроннгп. Условимся вне зависимости от типа электропроводности транзистора и соответственно направления тока, протекающего через него, считать, что этап открывания ключа характеризуется положительным фронтом, а этап запирания — отрицательным.
Пусть в момент Е=О возникает перепад тока 7аг и этот ток достаточен для последующего насыщения транзистора: Еетгд7ае ) Е„(Я (Рис. 7.18, и). Увеличение коллекторного тока идет по экспоненциальному закону, как и в усилительном каскаде. При достижении им значения 1к„„хЕ„)Й, изменение тока коллектора, а соответственно и формирование фронта заканчиваются. Для определения длительности фронта подставим в (7.44) начальные условия: Д (О) = 0; Д (со) = Еаг т,.
Тогда г (Е)=7агтд(1 — е 0'). (7.48) ЕЕ Етг а! тента Еел Гя г'я Еяда гд Едг 4) е) Рис. 7 13. Диаграммы процдпсоа отпирания и аапирапия ТК 516 Окончание положительного фронта соответствует тому моменту, когда заряд в базе становится равным граничному значению (рис. 7.18, б, в). Подставив вместо Д(г) значение граничного заряда из (7.45), найдем длительность положительного фронта: гф=т,1п 1.,-(1„...1ь„,)' (7.49) Так, если т,=2 мкс, Ьз„=50, 1б, — — 1 мА, 1ꄄ— — 5 мА, то гф= 0,2 мкс, Если учесть задержку, то общая длительность переходного процесса установления тока 1'„ несколько больше †поряд 0,3 мкс. Для уменьшения длительности фронта необходимо использовать высокочастотные транзисторы, у которых т, имеет малое значение, и увеличивать управляющий ток 1„. Из рнс.
7,18, б, иллюстрирующего процесс увеличения заряда в базе, видно, что если бы время жизни т„в режиме насыщения было равно т„, заряд в базе был бы значительно больше. Заметим, что при дальнейшем анализе методом заряда в этой области необходимо использовать время жизни неосновных носителей заряда т„. 3. 11аколление носителей. Начиная с момента гв токи коллектора, эмиттера и базы практически не изменяются (при управляющем сигнале 1„) (рис.
7.18, в). Однако заряд в базе продолжает нарастать. Этот процесс заканчивается через промежуток времени 1„= (3 —: 5) т„, (7.50) когда заряд в базе (7. 51) 0 1м тв ° 517 При этом падение напряжения на транзисторе изменяется вплоть до своего статического значения в режиме насыщения. Закрывание транзисторного ключа. Теперь рассмотрим поведение транзисторного ключа при изменении скачком входного тока от положительного значения 1гп до отрицательного (рис. 7.18, г).
При отрицательном токе 1„начинается экстракцня (отсос зарядов из базы). Процесс запирания включает два этапа; рассасывание избыточного заряда; формирование отрицательного фронта. 1. Раееаеывание избыточного заряда. Заряд, находящийся в базе, не может измениться скачком, так же как и в случае заряженной емкости. Следовательно, в ~ечение некоторого времени концентрации дырок у обоих переходов остаются выше равновесной. Ток коллектора при этом практически не меняется (рис. 7.!8, д, е). Ток эмиттера в начальный момент скачком уменьшается на величину Ы,=Мб, где Мб=!1б,1+!1б,!, а затем на протяжении некоторого времени остается неизменным.
Для анализа процесса рассасывания в (7.44) подставим значение заряда Д(оо)=2„2т.: Д(Г)=Д(0)е ""+У,гт„(! — е "'"). (7.52) Рассасыванне закончится, когда избьпочный заряд в базе исчезнет и будет выполняться равенство Д(2)= Д,„. Подставляя в (7. 52) вместо тг (г) граничный заряд и учитывая, что Д(0)=7мт„, найдем время рассасывания: г,=т„!и Д(О)-гггг„ !2., — Гп г. Используя соотношения, связывающие между собой заряды и токи, и считая длительность отпирающего сигнала значительно больше т„, получим упрощенное выражение для времени рассасывания, которое часто используют на практике. ггг «дггг ггг гк и Вгг Л ! ггг ! В ряде случаев при большом запирающем сигнале можно использовать еще более упрощенное выражение: Гр' тн~ ~кнгг~ (~21г~ в).
(7.55) где М-- степень насыщения. Время рассасывания и связанная с ним задержка ул2еньшиется с увегшчением зипирающего сигнала и убывиниеги степени насыщения. Поэтому большие отпирангщие токи 7м, которые выгодны с точки зрения гтлительности положительного фронта, нежелательны с точки зрения запирания ключа.
После рассасывания избыточного заряда в базе транзистор оказывается в активной области. 2. Формирование отри21ательного фронта. Рассасывание избыточного заряда может произойти одновременно у коллекторного и эмиттерного переходов, а также окончиться раньше у коллекторного или эмиттерного перехода. В зависимости от того, где раньше произойдет рассасывание, картина переходного процесса несколько меняется.
Пусть к моменту времени г„избыточные носители, накопившиеся у коллекторного перехода, рассасываются (рис. 7.19, и —- в). При этом коллекторный переход смещается в обратном направлении и транзистор начинает работать в активном режиме. Ток коллектора изменяется, вызывая соответствующее уменьшение тока эмиттера. К моменту времени !, рассасываются избыточные заряды у эмиттерного перехода. Тогда и эмиттерный переход смещаегся в обратном направлении и транзистор начинает работать в режиме отсечки токов. После 2г рассасывается заряд, оставшийся в глубине базы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
