Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 53
Текст из файла (страница 53)
Из условия (8.4) нетрудно получить принципиальное ограничение на ыагрузочную способность: Ек и< Е (8. 12а) На самом деле ограничение должно быть более жестким, так как нужно обеспечить не просто насыщение (т. е. Я > 1), а минимальную степень насыщения Я ег Тогда, учитывая (8.5), нагрузочная способность будет ограничена более сильным неравенством: В Е„-У* и< Яквк Ек (8.12б) Например, если Ек = 3 В, В = 100 и Я„в, = 4, то и < 18. Задаваясь значением Я„„„, необходимо, в частности, учитывать разброс базовых токов из-за неидентичности входных ВАХ. 8.3.
Переходные процессы в простейшем биполярном ключе пк»кпк Переходыые процессы происходят под действием ступенчатых изменений входного сигнала. Временные диаграммы токов и напряжений в ключе показаны на рис. 8.8. Как видим, выходные импульсы (»„и и„) сдвинуты относительно входного (еб), а их фронт и срез имеют конечную длительность. Соответственно различают задержки фронтов и срезов импульсов (», и»„) и длительности или времена фронтов и срезов (» и»,). Приращения коллекторного напряжения связаны с приращениями коллекторыого тока соотношением Глава В. Основы цифровой схемотехники Рнс, 8.8. Переходные процессы Рис.
8.9. Эквивалентная схема ключа в ключе ка биполярном транаисторе на степе вадержки фронта иб(б) =Ее(1 — е л') — Ебе где т, =С,„Вб — постоянная времени заряда. Когда напряжение Уб, нарастая, становится равным напряжению У*, отпирается змиттерный переход транзистора и этап заряда оканчивается. Значит„время задержки б, можно найти„полагая иб(б) = У"; оно выражается следующим образом: =т, )п Еб +Еб Еб (8.13) Например, если Еб = 0 (см. (8. 7а)) и Е„', = 3 В, то б р = 0,25т,.
Входную емкость обычно принимают равной сумме барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного переходов: (8.14) Свх Себ + Скб. Полагая С 2 пФ и Вб = 2 кОм, получаем т, = 4 нс. Тогда для использованных выше значений Еб и Еб получаем б,з =1нс. Задержка фронта. Этот первый этап переходного процесса обусловлен зарядом входной емкости запертого транзистора (рис. 8.9).
Заряд емкости начинается после того, как управляющее напряжение скачком меняет свое значение от Еб до Еб. Процесс заряда описывается уравнением З„З, Переходные процессы в простейшем биполярном ключе 295 )дз (') 16 (1 е )' Следовательно, («(Г) = 1б Вп (1 — е ' ').
(8.15) Асимптотнческим значением тока при г -+ оо является ~„(со) = Вя1б (см. рис. 8.8). Однако оно не может быть достигнуто, так как в момент т„ток достигает значения 1„„после чего транзистор переходит из активного режима в режим насыщения и, следовательно, теряет силу исходное соотношение 1„= Вас. ВРемЯ фРонта г„легко найти из (8.15), подставлЯЯ ~„(1) = 1 „; оно выражается следующим образом: 1 бе -— т, 1п (8.16) 1 1«н Типичными значениями времени жизни т, можно считать 100 нс (в отсутствие примеси золота) и 10 нс (при наличии примеси золота).
Пусть, например, Вн = 100 и т, = 100 нс. Тогда, если1б = 0,11,„, то Г =10 нс, если же1б =1„,, то ~е = 1 нс. Рассматривая перезаряд барьерной емкости коллекторного перехода, следует рассмотреть систему уравнений для токов базы и коллектора в процессе переключения: 1+ 1 С «б о=д«« Формирование фронта.
Нарастание коллекторного тока и спад коллекторного напрнжения на 2-м этапе переходного процесса происходят в условиях заданного тока базы 1б (см. (8.3а)1. При анализе следует учитывать одновременные процессы заряда диффузионной емкости змиттерного перехода и барьерной емкости перехода коллектор — база. Предположим, что основное влияние на формирование фронта оказывает перезаряд диффузионной емкости базовым током 1б . Рассматривая переходный процесс установления тока через змиттерный диод 1д, с учетом диффузионной емкости эмиттера С,д„еф= 1„,т,/дг (см. модель биполярного транзистора, рис. 8.4), нетрудно получить Глава 8. Основы цифровой схемотехники 29е к кэ 1 В +С кб и лэ я " лэ к опкб би„ Учитывая, что — кб — ", и исключая 1, приходим к дифбэ дэ' ференциальному уравнению С'~ кэ (Вн + 1)СкВк к' м(Ек — 1бВнйк) — Укэ, Ю решением которого является: 11кэ(Г) = Ел -1'В„Я,(1 — е 'д "'" """).
Значение ь)кэ =0 достигается в момент )„, который может быть определен из (8.17): йе (Вк + 1)С В 1п 1 1 1кн (8.17) тере=те +(Вн + 1)Скйк. Из выражений (8.16) и (8.17) следует: чем больше отпираю- и)ий ток, тем меньше время фронта. 1 Множитель (В„+ 1) прн постоянной времени С„вэ связан с проявлением так называемого эб)б)екжа миллера при наличии связи (в нашем случае емкостной) между входом н выходом ключа Это выражение аналогично (8.16), но длительность процесса здесь определяется постоянной времени коллекторной емкости (Вн + 1)С„Вк ~.
При типичных значениях Ск = 0,5 пФ, Вн = 100 и А„= 2 кОм она составляет около 100 нс. Тем самым эта постоянная времени всегда существенна, а в транзисторах, легированных золотом, является определяющей. Эффективная постоянная времени на этапе формирования фронта определяется единой постоянной времени для процессов перезаряда диффузионной емкости эмиттерного перехода н барьерной емкости коллекторного перехода: аэ, Передодпме пропессм к простейшем бппопярком кзпоче Этап накопления заряда. После того как транзистор начал работать в режиме насыщения, заметных внешних изменений в схеме ключа не происходит. Однако продолжается накопление заряда в диффузионных емкостях эмиттерного и коллекторного перехода. В начале этапа, когда транзистор находится на границе активного режима, заряд определяется током через эмиттерный кк диод: ч = 1,„т,.
Подставляя 1д, = — "" и учитывая (8.5), запишем граничный заряд е1 = — т. Го я е' (8.18) В конце этапа стационарный заряд определяется распределением тока базы между коллекторным и эмиттерным переходами (1е = 1 + 1 ). Отношение этих токов в режиме насыщения имеет вид; и  — = — е ', В, или, с учетом (8.2) и (8.5), Я вЂ” — +1 В~ +1 в, 1да 1дк Я+1 Я+1 1е б)' = те + (Я+1)тк. Я+2 ' Я+2 (8.19) Здесь первый член — зто заряд, накопленный в эмиттерном Р— п-переходе, второй — в коллекторном. Коллекторный заряд превышает эмиттерный в (Я о 1)тк/т, раз. Учитывая, что обычно эффективное время жизни в коллекторном переходе существенно выше, чем в эмиттерном, приходим к выводу: в насьсгценном Режиме биполярного транзистора заряд неосновных носителей накапливается в основном в колленторном переходе.
С учетом распределения токов стационарный заряд е =1д, т, +1дк тк запишем в следующем виде: Глава З. Основы цнфровой схемотехнннн Поскольку токи базы и коллектора на данном этапе не меняются„заряд накапливается лишь благодаря термогенерации носителей, а значит, скорость накопления определяется временем жизни. Процесс накопления заряда — экспоненциальный и описывается выражением Я(г) =%о)е 'д + Я( )(1 — е 'л), (8.20) где Ч(г) и Я( о) — начальное и установившееся значения заряда, а т =Я'/Ео — эффективная постоянная времени перезаряда, определяемая из (8.19). Учитывая, что при достаточно высоких степенях насыщения Я с< Я+, пренебрежем в выражении (8.20) зарядом Ц(0); дал™ее положим, что процесс накопления заканчивается на уровне 0,95 Що«).
Тогда из выражения (8.20) получаем время накопления: гв =Зт. (8.21) Например, если т =30 нс, то г„м90 нс. Для того чтобы накопление успело закончиться, длительность отпирающего импульса гт (рис. 8.8) должна превышать время накопления г„. В противном случае в момент обратного переключения накопленный заряд будет меньше установившегося значения 9(о«).
А именно, если, как и выше, пренебречь зарядом ЩО)„то в момент г+ заряд будет иметь величину (8.22) Эта величина в случае коротких импульсов может составлять малые доли Я( «). Задержка среза. Заряд, накопленный в слоях и переходах транзистора, не может меняться мгновенно. Соответственно, не могут меняться мгновенно и напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах. Значит, в момент переключения управляющего напряжения Ео от значения Е' до значения Ео (в частности, до О) на обоих р-и-переходах сохранятся прямые смещения, близкие к (Е*.
При этом коллекторный ток не меняется и остается равным Е„„. Что касается базового тока, то он принимает значение Ео =(Е; -(Е" )ЕЕ1о. (8.23) 8,3. Переходяъбе процессы э простейшем бяполяряои ключе 6Еа Если ключ работает в последовательной цепочке, то запнрание происходит в результате насыщения предыдущего ключа. Тогда запирающий ток 16 можно найти нз эквивалентной схемы, показанной на рнс. 8.10. В этой схеме насыщенный (предыдущнй) транзистор представлен сопротивлением г н напряжением У, (ср. с рнс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
