7. Работа биполярного транзистора в импульсном режиме
Транзисторы широко применяются в различных импульсных устройствах. Работа транзисторов в импульсном режиме, иначе называемом ключевым или режимом переключения, имеет ряд особенностей.
Iк IБmax
T2
IБ2
Iк max
T1
Uк-э
Рис. 9-1. Определение параметров импульсного режима транзисторов с помощью выходных характеристик.
Рассмотрим импульсный режим транзистора с помощью его выходных характеристик для схемы ОЭ. Пусть в цепь коллектора включен резистор нагрузки . Соответственно этому на рис.(9-1) построена линия нагрузки. До поступления на вход транзистора импульса входного тока или входного напряжения транзистор находится в запертом состоянии (в режиме отсечки). В цели коллектора проходит малый ток (в данном случае сквозной ток ) и следовательно, эту цепь приближенно можно считать разомкнутой. Напряжение источника почти все полностью приложено к транзистору.
Если на вход подан импульс тока , то транзистор переходит в режим насыщения и работает в точке . Получается импульс тока коллектора , очень близкий по значению к . Его иногда называют током насыщения. В этом режиме транзистор выполняет роль замкнутого ключа и почти все напряжение источника падает на , а на транзисторе имеется лишь очень небольшое остаточное напряжение в десятые доли вольта, называемое напряжением насыщения .
Хотя напряжение в точке не изменило свой знак, но на самом коллекторном переходе оно стало прямым, и поэтому точка действительно соответствует режиму насыщения. Покажем это на следующем примере. Пусть имеется транзистор p-n-p и , а напряжение на базе . Тогда на коллекторе по отношению к базе будет напряжение , т.е. на коллекторном переходе прямое напряжение 0,3 В.
Конечно, если импульс входного тока будет меньше , то импульс тока коллектора также уменьшится. Но зато увеличение импульса тока базы сверх практически уже не дает возрастания импульса выходного тока. Таким образом, возможное максимальное значение импульса тока коллектора
(9.1)
Помимо , и импульсный режим характеризуется также коэффициентом усиления по току В, который в отличие от определяется не через приращения токов, а как отношение токов, соответствующих точке :
(9.2)
Иначе говоря, является параметром, характеризующим усиление малых сигналов, а В относится к усилению больших сигналов, в частности импульсов, и по значению несколько отличается от .
Параметром импульсного режима транзистора служит также его сопротивление насыщения (9.3)
Значение у транзисторов для импульсной работы обычно составляет единицы, иногда десятки Ом.
Аналогично рассмотренной схеме ОЭ работает в импульсном режиме и схема ОБ.
Рис. 9-2. Искажение формы импульса тока транзистором.
Если длительность входного импульса во много раз больше времени переходных процессов накопления и рассасывания зарядов в базе транзистора, то импульс выходного тока имеет почти такую же длительность и форму, как и входной импульс. Но при коротких импульсах, т. е. если составляет единицы микросекунд и меньше, может наблюдаться значительное искажение формы импульса выходного тока и увеличение его длительности.
Для примера на рис.(9-2) показаны графики короткого импульса входного тока прямоугольной формы и импульса выходного тока при включении транзистора по схеме ОБ. Как видно, импульс коллекторного тока начинается с запаздыванием на время (время задержки), что объясняется конечным временем пробега носителей через базу. Этот ток нарастает постепенно в течение времени (длительности фронта), составляющего заметную часть . Такое постепенное увеличение тока связано с накоплением носителей в базе. Кроме того, носители, инжектированные в базу в начале импульса входного тока, имеют разные скорости и не все сразу достигают коллектора. Время + является временем включения . После окончания входного импульса за счет рассасывания заряда, накопившегося в базе, ток продолжается некоторое время (время рассасывания), а затем постепенно спадает в течение времени спада. Время + есть время выключения . В итоге импульс коллекторного тока значительно отличается по форме от прямоугольного и растянут во времени по сравнению с входным импульсом. Следовательно, замедляется процесс включения и выключения коллекторной цепи, затягивается время, в течение которого эта цепь находится в замкнутом состоянии. Иначе говоря, за счет инерционности процессов накопления и рассасывания заряда в базе транзистор не может осуществлять достаточно быстрое включение и выключение, т. е. не обеспечивает достаточное быстродействие ключевого режима.
На рис.(9-2) показан еще график тока базы, построенный на основании соотношения . Как видно, ток этот имеет сложную форму.
Специальные транзисторы для работы короткими импульсами должны иметь малые емкости и тонкую базу. Как правило, это маломощные дрейфовые транзисторы. Чтобы быстрее рассасывался заряд, накапливающийся в базе, в нее добавляют в небольшом количестве примеси, способствующие быстрой рекомбинации накопленных носителей (например, золото).
8. Математическая модель биполярного транзистора.
Общая эквивалентная схема транзистора, используемая при получении математической модели, показана на рис.10-1. Каждый p-n-переход представлен в виде диода, а их взаимодействие отражено генераторами токов. Если эмиттерный p-n-переход открыт, то в цепи коллектора будет протекать ток, несколько меньший эмиттерного (из-за процесса рекомбинации в базе). Он обеспечивается генератором тока . Индекс N означает нормальное включение. Так как в общем случае возможно и инверсное включение транзистора, при котором коллекторный p-n-переход открыт, а эмиттерный смещен в обратном направлении и прямому коллекторному току соответствует эмиттерный ток , в эквивалентную схему введен второй генератор тока , где - коэффициент передачи коллекторного тока.
Таким образом, токи эмиттера и коллектора в общем случае содержат две составляющие: инжектируемую ( или ) и собираемую
( или ):
, (10.1)
Эмиттерный и коллекторный p-n -переходы транзистора аналогичны p-n -переходу диода. При раздельном подключении напряжения к каждому переходу их вольтамперная характеристика определяется так же, как и в случае диода. Однако если к одному из p-n -переходов приложить напряжение, а выводы другого p-n -перехода замкнуть между собой накоротко, то ток, протекающий через p-n -переход, к которому приложено напряжение, увеличится из-за изменения распределения неосновных носителей заряда в базе. Тогда:
, (10.2)
где - тепловой ток эмиттерного p-n -перехода, измеренный при замкнутых накоротко выводах базы и коллектора; - тепловой ток коллекторного p-n -перехода, измеренный при замкнутых накоротко выводах базы и эмиттера.
Рис. 10-1. Эквивалентная схема идеализированного транзистора
Связь между тепловыми токами p-n -переходов ,включенных раздельно, И тепловыми токами , получим из (10.1 и 10.2). Пусть . Тогда . При . Подставив эти выражения в (10.1), для тока коллектора получим .
Соответственно для имеем
Токи коллектора и эмиттера с учетом (10.2) примут вид
(10.3)
На основании закона Кирхгофа ток базы равен:
(10.4)
При использовании (10.1)-(10.4) следует помнить, что в полупроводниковых транзисторах в самом общем случае справедливо равенство
(10.5)
Решив уравнения (10.3) относительно , получим
(10.6)
Это уравнение описывает выходные характеристики транзистора.
Уравнения (10.3), решенные относительно , дают выражение, характеризующее идеализированные входные характеристики транзистора:
(10.7)
В реальном транзисторе кроме тепловых токов через переходы протекают токи генерации — рекомбинации, канальные токи и токи утечки. Поэтому ,, , как правило, неизвестны. В технических условиях на транзисторы обычно приводят значения обратных токов p-n-переходов ,. определенные как ток соответствующего перехода при неподключенном выводе другого перехода.
Если p-n-переход смещен в обратном направлении, то вместо теплового тока можно подставлять значение обратного тока, т. е. считать, что и . В первом приближении это можно делать и при прямом смещении p-n-перехода. При этом для кремниевых транзисторов вместо следует подставлять , где коэффициент m учитывает влияние токов реального перехода (m = 2 - 4). С учетом этого уравнения (10.3), (10.5) часто записывают в другом виде, который более удобен для расчета цепей с реальными транзисторами:
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
