1.1.2. Нормальный активный режим

Нормальный активный режим соответствует прямому смещению на эмиттерном и обратному смещению на коллекторном переходе. Этот режим является основным рабочим режимом транзистора в линейных усилителях и соответствует переходному режиму в в ключевых схемах.

Для этого режима в схеме "ОЭ" определим следующее соотношение между токами:

i_к = β i_б + (β + 1) I_к0 ,

где β = h_21Э – коэффициент усиления транзистора по току при малом сигнале.

Учитывая разброс β, в расчетах можно полагать β = В, где В – статический коэффициент усиления транзистора по току при большом сигнале.

Для схемы "ОБ" (рис.2) в нормальном активном режиме справедливо следующее соотношение токов:

i_к = α i_э + I_к0 ,

где α – коэффициент передачи тока эмиттера в коллектор.

В схеме ключа "ОК" (рис. 3) транзистор работает только в отсечке или в нормальном активном режиме. В нормальном активном статическом режиме ключ обладает повышенным входным и пониженным выходным сопротивлением. Эти особенности определяют его сферу применения как устройства согласования.

1.1.3. Режим насыщения

При увеличении тока базы в нормальном активном режиме транзистор "ОЭ" полностью открывается в точке "Н" (рис. 4). Эта точка характеризует режим насыщения. При насыщении оба перехода смещены в прямом направлении. На транзисторе падает небольшое остаточное напряжение U_кн. В цепи коллектора протекает ток, который определяется практически только напряжением источника питания Е_к и сопротивлением R_к. Этот ток называется током коллектора насыщения I_кн, он практически не меняется при изменении входного тока ключа (см. рис.4):

При переводе ключа в режим насыщения ток базы должен быть увеличен до определенного уровня, который называется током базы насыщения I_бн:

Насыщенное состояние транзистора характеризуют коэффициентом насыщения при включении S₁:

S₁ = i_б1 / I_бн.

Этот коэффициент показывает, во сколько раз ток базы превышает минимальный базовый ток, достаточный для перехода транзистора в насыщенное состояние. Для насыщенных ключей всегда выполняется неравенство:

S₁ ≥ 1.

После перехода транзистора в насыщение дальнейшее увеличение тока базы незначительно увеличивает напряжение U_бн (см. рис. 5, 6). Величина

U_бн ≈ U_бэ0 = 0,7 В в кремниевых транзисторах и U_бн= (0,3…0,4) В в германиевых.

Остаточное напряжение U_кн составляет 0,1…2,5 В, причем большее остаточное напряжение характерно для кремниевых транзисторов средней мощности.

В большинстве практических случаев при проектировании ключей на германиевых транзисторах выполняются неравенства:

U_кн << E_к ; U_бн << Е_б1 ,

где Е_б1 –ЭДС источника, отпирающего ключ. Поэтому при эскизном расчете параметров схемы с насыщенным германиевым транзистором его можно заменить точкой, как это показано на эквивалентной схеме (рис.8). При известном напряжении источника входного сигнала, напряжении питания и сопротивлении нагрузки можно рассчитать R_б1, задаваясь коэффициентом насыщения в пределах:

S₁ = 1,5…2.

Тогда:

или:

Режим насыщения должен быть обеспечен при наименьшей температуре окружающей среды. Поэтому в приведенных выше формулах β = β_min.

П ри проектировании ключей на кремниевых транзисторах, особенно при напряжении питания Е_к ≤ 5 В, модель насыщенного ключа на рис. 8 оказывается некорректной, поскольку неравенства U_кн << E_к, U_бн<<Е_б1 не выполняются.

Более полная эквивалентная схема насыщенного ключа с учетом остаточных напряжений приведена на рис. 9.

Здесь I_кн определяется по вышеприведенной формуле, а величину R_б1 нужно рассчитывать с учетом U_бн:

При выборе элементов схемы насыщенного ключа необходимо учитывать и не превышать предельно-допустимые величины тока коллектора и тока базы, которые приводятся в справочниках по транзисторам.