Переключающие схемы, кратко именуемые ключами, — необходимые элементы практически всех импульсных и цифровых устройств. В одной из простейших реализаций ключа используется транзисторный каскад с общим эмиттером (ОЭ). Поскольку для транзисторного ключа, построенного по схеме ОЭ, рост входного напряжения приводит к уменьшению выходного, его называют ключом-инвертором. Анализ динамических процессов в транзисторном ключе проводится для выявления факторов, влияющих на его быстродействие, с целью определения возможных путей его повышения.
Временные диаграммы, иллюстрирующие изменение тока базы iб(t), заряда Q(t), тока коллектора Iк(t) и т. д. показаны на графиках:
а) временные диаграммы б) вх. и вых. хар-ки транзистора с ОЭ
В исходном состоянии транзистор находится в режиме отсечки, поскольку напряжение на входе Uвх= U0 меньше порога отпирания.
Включение. В момент t=t1 на вход ключа подается положительный импульс, амплитуда которого больше порогового значения. Этот импульс вызывает появление в цепи базы перепада тока. Ток базы во время действия входного импульса можно считать практически неизменным, так как входное сопротивление транзистора обычно много меньше сопротивления R. Под воздействием входного перепада тока транзистор переходит последовательно из области отсечки в активную область и далее в область насыщения. Процесс включения транзисторного ключа обычно подразделяют на два этапа: задержка включения (или подготовка включения) и формирование фронта выходного импульса.
Задержка включения. Интервал времени t1-t2 от момента подачи входного импульса до начала нарастания коллекторного тока, определяет время задержки включения tЗ. Транзистор в это время находится в режиме отсечки. Рабочая точка на нагрузочной прямой за время задержки не меняет своего положения.
Заряд барьерных емкостей происходит в цепи первого порядка с постоянной времени. Практически время задержки весьма мало, поэтому им часто пренебрегают.
Формирование фронта происходит в интервале t2-t3 . В момент времени t2 напряжение на базе становится равным пороговому, транзистор открывается и переходит в активный режим. Начинается накопление заряда неосновных носителей, инжектированных в базу. По мере увеличения заряда увеличивается ток коллектора, который пропорционален Q(t), и уменьшается напряжение на коллекторном переходе. Скорость накопления заряда в базе определяет скорость нарастания коллекторного тока.
В момент t3, когда заряд достигает граничного значения коллекторный переход смещается в прямом направлении и транзистор переходит в состояние насыщения. Рост коллекторного тока прекращается, поскольку он оказывается ограниченным параметрами внешней цепи:
/К = / К нас = Ек / Rк .
За время формирования фронта рабочая точка по нагрузочной прямой перемещается из точки А в точку Б (рис. б). Интервал времени t2-t3, в течение которого коллекторный ток меняется от 0 до /К нас, называется длительностью фронта. Транзистор в это время находится в активном режиме.
Накопление избыточного заряда.После окончания формирования фронта в момент времени t3 транзистор переходит в режим насыщения. Коллекторный переход смещается в прямом направлении. Коллекторный ток практически постоянен и равен / К нас . Однако заряд в базе продолжает нарастать, стремясь к стационарному значению, определяемому входным током.
Избыточный заряд возникает только в том случае, если ток базы превышает значение /Б нас. В режиме насыщения нарушается пропорциональность между током базы и током коллектора. Коллекторный ток уже не может следовать за базовым, так как он ограничен сопротивлением Rк- В противном случае закон изменения коллекторного тока повторял бы закон изменения заряда Q(t), вызываемое током базы.
Выключение. В момент времени t4 действие входного отпирающего импульса заканчивается. Возникает обратный ток базы. Под воздействием процесса рекомбинации заряд неосновных носителей в базе уменьшается. Спустя некоторое время транзистор выходит из насыщения и переходит в активную область, а затем запирается.
Процесс выключения можно разделить на два этапа: рассасывание избыточного заряда и формирование спада импульса.
Рассасывание избыточного заряда происходит в течение интервала времени t4-t5. Этот процесс является причиной возникновения задержки при выключении ключа. Заряд неосновных носителей в базе мгновенно измениться не может, поэтому требуется время, чтобы он уменьшился от стационарного значения в режиме насыщения Qст до граничного значения. В течение этого времени транзистор остается в режиме насыщения, ток коллектора постоянен и равен /Кнас, а Uк_=Uк нас=Uo.
Время, в течение которого транзистор продолжает оставаться в режиме насыщения после окончания входного импульса, называется временем рассасывания.
Формирование среза импульса. Начинается в момент времени t5, когда избыточный заряд уменьшается до нуля. Коллекторный переход смещается в обратном направлении, и транзистор из режима насыщения переходит в активный режим. В течение интервала t5-t6, называемого длительностью среза, заряд в базе продолжает убывать, уменьшаясь от Qrp до нуля, рабочая точка как на нагрузочной прямой, так и на передаточной характеристике возвращается в точку А. Коллекторный ток в активном режиме пропорционален заряду и изменяется от Кнас, стремясь по экспоненциальному закону к 0. В момент t6 транзистор запирается и к=0.
Далее в течение некоторого времени t6,-t7 происходит изменение заряда барьерных емкостей переходов Сэ и Ск. За время этого процесса ток базы уменьшается до нуля, а на базе устанавливается исходное напряжение Uo.
