МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ
БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
С.А. Охремчик,
В.П. Дудкин,
А.В. Захаров
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ
В ЭЛЕКТРОННОМ КЛЮЧЕ
НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ
Учебно-методическое пособие для вузов
Издательско-полиграфический центр
Воронежского государственного университета
2012
Стр.1
I. Теоретическая часть
1. Общие положения и определения
Важнейшими элементами импульсных и цифровых радиоэлектронных
устройств являются ключевые схемы, или электронные ключи.
Электронный ключ – это радиоэлектронное устройство, обеспечивающее
замыкание и размыкание цепи нагрузки с помощью импульсных
электрических сигналов, управляющих работой активного элемента (АЭ).
Электронный ключ называется транзисторным ключом (ТК), если в
качестве АЭ используются биполярные или полевые транзисторы.
Далее рассматриваются ключи на биполярном транзисторе (БТ). В
зависимости от схемы включения БТ, различают ТК с общей базой (ОБ), с
общим коллектором (ОК) или с общим эмиттером (ОЭ). В импульсной технике
в большинстве случаев используют включение транзистора по схеме с
ОЭ. Далее исследуются ключевые схемы с ОЭ на кремниевом транзисторе
p–n–p-типа, т.к. они получили наибольшее распространение.
Схема простейшего электронного ключа на БТ типа n–p–n с общим
заземлённым эмиттером приведена на рис. 1. В управляемую коллекторную
цепь БТ включена активная нагрузка (резистор) RК, через которую на коллектор
БТ (относительно общего провода) подаётся постоянное положительное
напряжение EК от источника питания. Если в схеме применяется БТ
p–n–p-типа, то на коллектор подаётся отрицательное напряжение. Управляющие
импульсы, приводящие к замыканию или размыканию ключа, подаются
на базу БТ от генератора управляющего напряжения ЕБ(t) через сопротивление
RБ . Генератор напряжения ЕБ(t) представлен на рис. 1 в виде
эквивалентной схемы, содержащей последовательно соединенные источник
ЭДС eБ(t) и сопротивление Ri, характеризующее
выходное сопротивление генератора.
В частном случае сопротивление
RБ может отсутствовать, тогда его
роль выполняет сопротивление Ri .
Особенностью ключевой схемы с
+EK
URК RK
ОЭ (рис. 1) является инвертирование
сигнала. Если управляющее напряжение
ЕБ(t) имеет отрицательную полярность
относительно общего провода (Общ.),
то эмиттерный переход транзистора
p–n–p-типа смещён в обратном направлении.
Тогда БТ закрыт, выходной ток
коллектора IK в цепи нагрузки RК очень
мал, а выходное напряжение ключа UКЭ
на коллекторе БТ (см. рис. 1) велико и
приблизительно равно напряжению EК
3
URБ UКБ
RБ
Б
Ri
eБ(t)
IБ
EБ(t) UБЭ
Общ.
Рис. 1. Схема классического ключа
на БТ n–p–n типа с ОЭ
K
Э
IK
VT
UКЭ
Стр.3
ческим параметрам механические ключи значительно уступают электронным.
Поэтому электронные ключи широко используются в импульсных и
цифровых устройствах.
При переходе ТК из одного устойчивого состояния в другое меняют
своё положение рабочие точки транзистора.
3. Рабочие точки и статические режимы ключа
В каждом из устойчивых состояний на переходах транзистора устанавливаются
определённые напряжения, а через электроды транзистора
протекают определенные токи. Значения этих токов и напряжений могут
быть найдены как координаты т.н. рабочих точек, расположенных на вольтамперных
характеристиках (ВАХ) транзистора. Рабочая точка является точкой
пересечения соответствующей ВАХ транзистора и линии нагрузки (нагрузочной
прямой).
3.1. Построение рабочих точек. Рассмотрим линию нагрузки для
коллекторной (управляемой) цепи ТК в схеме рис. 1. Эта цепь содержит
последовательно соединенные сопротивление нагрузки RК и выходную
часть БТ между коллектором К и эмиттером Э. Цепь подключена к источнику
с напряжением EK и через неё протекает ток IK. Из рис. 1 следует, что
IК RК + UКЭ = EК ,
(1)
где URК = IК RК – падение напряжения на сопротивлении RК, IК – сила тока
через сопротивление RК, UКЭ – падение напряжения между коллектором и
эмиттером транзистора, EК - напряжение источника питания. Выражение (1)
представляет собой уравнение прямой в координатах (IК, UКЭ). Эту прямую
называют линией нагрузки (ЛН) по постоянному току для управляемой
коллекторной цепи ТК.
Линия нагрузки (1) может быть построена по двум точкам, которые
находят из рассмотрения двух крайних случаев – при IК = 0 (при бесконечно
большом сопротивлении между коллектором и эмиттером) и при UКЭ = 0
(при бесконечно малом сопротивлении между коллектором и эмиттером).
Из (1) при IК = 0 получаем UКЭ = EК, что соответствует точке A на рис. 3б с
координатами (IК, UКЭ) = (0, EК). Аналогично при UКЭ = 0 имеем IК = EК/RК,
что соответствует точке D на рис. 3б с координатами (IК, UКЭ) = (EК/RК, 0).
Прямая, проходящая через точки А и D на рис. 3б, является линией нагрузки
(ЛН) для управляемой коллекторной цепи ТК.
Значения тока IК и напряжения UКЭ при заданных значениях EК и RК
являются координатами точки пересечения ЛН (1) и выходной ВАХ транзистора,
задающей зависимости IК = f(UКЭ) при IБ = const (рис. 3б). Эта точка
называется рабочей точкой управляемой коллекторной цепи ТК.
Линию нагрузки можно построить и для базовой (управляющей) цепи
ТК, которая содержит последовательно соединенные сопротивление RБ и
6
Стр.6
входную часть БТ между базой Б и эмиттером Э. Цепь подключена к источнику
напряжения EБ , так что через цепь протекает ток IБ. Из рис. 1 имеем
IБ RБ + UБЭ = EБ ,
(2)
где URБ = IБ RБ – падение напряжения на сопротивлении RБ, IБ – управляющий
ток в цепи базы, UБЭ – падение напряжения на переходе база–эмиттер,
а EБ – управляющее напряжение, подаваемое на вход ключа. Выражение (2)
представляет собой уравнение прямой в координатах (IБ, UБЭ). Эту прямую
называют линией нагрузки (ЛН) по постоянному току для управляющей
(базовой) цепи ТК.
Линию нагрузки (2) можно построить по двум точкам в системе координат
(IБ, UБЭ), которые находят при IБ = 0 или UБЭ = 0 (рис. 3а). Значения тока
IБ и напряжения UБЭ при заданных значениях EБ и RБ являются координатами
точки пересечения ЛН (2) и входных ВАХ транзистора, задающих зависимости
IБ = f(UБЭ) при IК = const (рис. 3а). Эти точки являются рабочими
точками для управляющей базовой цепи ТК.
IБ
IБ
+
IБ1
IБ2
IБ3
0
0
А
EБ0
B
3
2
1
UОТП EБ1 EБ2 EБ3 EБ
а
UБЭ
+
IК1
0
UОСТ
UОТП
б
Рис.3. Положение рабочих точек ключевой схемы
на статических ВАХ БТ
3.2. Статические режимы ТК. Транзистор можно считать практически
закрытым при условии UБЭ < UОТП, где UОТП – напряжение отпирания
эмиттерного перехода (рис. 3а). Чтобы кремниевый БТ работал в микрорежиме
(при токе 1…10 мкА через p–n-переход), прямое напряжение UБЭ на
переходе база–эмиттер должно составлять ≈0.5 В. Для получения нормального
токового режима (с током 0.1…1 мА через p–n-переход), прямое напряжение
UБЭ должно быть ≈0.7 В. Поэтому кремниевый БТ n–p–n-типа
практически закрыт при UБЭ ≤ 0.5…0.6 В, а напряжение отпирания UОТП
можно полагать равным 0.7 В.
7
D
ЛН
IКН
3
2
B
Входная ВАХ
IК
IБ = IБ
+
Выходные ВАХ
IБ = IБ3
IБ = IБ2
ЛН
1
IБ = IБ1
A
UКЭ1 EK
UК
β IБ
+
Стр.7
Режим отсечки. Пусть управляющее напряжение равно EБ = EБ0 < UОТП.
Тогда эмиттерный переход транзистора закрыт, ток в цепи базы IБ = IБ0 = 0,
а напряжение на эмиттерном переходе, согласно (2), равно UБЭ = EБ0. Строго
говоря, во входной цепи закрытого БТ всё же протекает ток IБ0 = –IК0, где IК0
– обратный неуправляемый ток коллектора. Однако в кремниевом БТ этот
ток мал и не превышает долей микроампера, поэтому им можно пренебречь
и полагать, что IК0 = 0 и IБ0 = 0.
Из выражения (1) следует, что при IК = IК0 = 0 напряжение UКЭ на выходе
ТК равно UКЭ = EК. Такой режим БТ называют режимом отсечки.
Режиму отсечки соответствуют рабочие точки А на рис. 3а и рис. 3б.
Нормальный активный режим. Пусть теперь управляющее напряжение
EБ увеличилось до значения EБ = EБ1 > EБ0 , при котором напряжение
на эмиттерном переходе UБЭ ≈ UОТП. Это означает, что эмиттерный переход
транзистора открывается, а в цепи базы протекает некоторый небольшой
управляющий ток IБ. Значение IБ = IБ1 этого тока можно определить из
рис. 3а по координате IБ точки 1 пересечения соответствующей линии нагрузки
(ЛН) со входной ВАХ при UБЭ ≈ UОТП . При этом в выходной цепи
протекает коллекторный ток IК = IК1, пропорциональный управляющему току
IБ1 и равный IК1 = β IБ1, где β – статический коэффициент передачи тока
базы. Вследствие этого напряжение на коллекторе UКЭ уменьшится и будет
равно UКЭ = UКЭ1 < EК (точка 1 на рис. 3б).
Отметим, что ток базы IБ здесь управляет коллекторным током IК.. Это
значит, что схема ключа из режима отсечки перешла в нормальный активный
режим. Этому режиму соответствуют рабочие точки 1 на рис. 3.
При дальнейшем увеличении напряжения EБ базовый ток IБ экспоненциально
возрастает с увеличением напряжения UБЭ (см. рис. 3а). При
этом значительное увеличение тока IБ сопровождается почти неизменным
напряжением UБЭ ≈ UОТП на эмиттерном переходе БТ (см. рис. 3а). При этом
с ростом IБ коллекторный ток IК продолжает расти, что приводит к увеличению
падения напряжения URК = IК RК на сопротивлении RК. Это приводит,
согласно (1), к уменьшению напряжения UКЭ = EК – URК на коллекторе БТ.
Режим насыщения. Пусть при некотором управляющем напряжении
EБ = EБ2 > EБ1 и соответствующем базовом токе IБ = IБ2 > IБ1 напряжение UКЭ
на коллекторе снижается до напряжения UОТП открывания p–n-перехода.
При этом напряжение UКБ на между коллектором и базой БТ будет равно
UКБ = UКЭ – UБЭ ≈ UОТП – UОТП = 0, т.е. обращается в 0. Этому соответствуют
рабочие точки 2 на рис. 3.
При ещё больших значениях EБ (например, при EБ = EБ3 > EБ2) и, соответственно,
при больших значениях токов IБ и IК, напряжение UКЭ продолжает
уменьшаться и становится меньше UОТП. Тогда напряжение UКБ принимает
отрицательное значение, т.е. напряжение на переходе базаколлектор
становится прямым. В результате коллектор начинает инжекти8
Стр.8