Быстродействие ключей на биполярных транзисторах

Скорость переключения ключей зависит от скорости переходных процессов и обусловлена двумя факторами:

a) временем перезарядки входной С_вх и выходной С_вых паразитных емкостей (схема рис 2.2а, временные диаграммы рис 2.4а);

b) временем накопления и рассасывания неосновных носителей в базе транзистора (временные диаграммы рис 2.4б).

Рис 2.4. Переходные процессы в транзисторном ключе:

а) влияние паразитных емкостей; б) влияние процесса накопления и рассасывания неосновных носителей в базе.

Рассмотрим влияние паразитных емкостей.

В исходном состоянии при отсутствии входного импульса транзистор заперт, коллекторный ток отсутствует, напряжение на коллекторе практически равно Еп.

При подаче на вход положительного импульса (перепад 0/1) входная емкость С_вх заряжается по экспоненте, но транзистор начнет открываться, когда напряжение на входе достигнет порогового. Из за этого импульс коллекторного тока появляется с временной задержкой , обусловленной постоянной времени заряда емкости С_вх .

~R_б С_вх

Выходная емкость С_вых влияет на длительность фронтов и выходного напряжения.

Емкость С_вых включает в себя барьерную емкость транзистора и емкость нагрузки, причем зачастую емкость нагрузки оказывает определяющее влияние.

Влияние процессов накопления и рассасывания неосновных носителей в базе.

При появлении входного сигнала и, соответственно, базового тока в области базы накапливается заряд неосновных носителей Q. Временные диаграммы для этого случая показаны на рис 2.4б. Ток коллектора пропорционально растет (активный режим работы).

Когда заряд Q достигнет граничного Q_гр, транзистор переходит в режим насыщения, ток коллектора достигает максимального значения I_кн, напряжение на коллекторе минимальное U_кэн . Последующее протекание тока базы приводит к накоплению избыточного заряда носителей в базе, к большей степени насыщения.

После окончания входного импульса начинается процесс рассасывания заряда носителей в базе, ток базы меняет направление. Когда заряд носителей в базе достигнет критического Q_гр, транзистор переходит из режима насыщения в активный режим. Происходит задержка среза выходного сигнала . По мере уменьшения заряда носителей Q, ток коллектора экспоненциально уменьшается, формируется срез выходного сигнала. Длительность фронта отпирания и среза запирания транзистора обусловлена током накопления и рассасывания носителей, т. е. током базы I_б; чем больше ток I_б, тем короче длительность фронтов. Задержка выключения транзистора зависит от степени насыщения транзистора S и от тока базы, протекающего при рассасывании носителей и даже при S=2-5, если не принимать специальных мер, может составлять единицы и даже десятки микросекунд (по электронным меркам недопустимо большое время).

; ;

a - коэффициент передачи по току для схемы ОБ,

t_a - постоянная времени для схемы с ОБ (справочный параметр),

S- степень насыщения (S=3-5)

Для уменьшения длительности фронта и среза необходимо увеличивать ток базы I_б. Однако с увеличением базового тока I_б транзистор попадает в более глубокое насыщение, растет степень насыщения S, растет задержка выключения транзистора .