13. Назначение и суть метода заряда. Метод заряда.

Для анализа переходных процессов в ключах пользуются методом заряда. В основе метода лежит принцип нейтральности базы. Согласно которому в любой точке базы положительные и отрицательные заряды одинаковы и изменяются с одинаковой скоростью. В базе типа n(+) заряд обусловлен донорами и дырками, а (-) – только электронами, т.е. Q_д+Q_p=Q_n дифференцируя по t, получим токи: . Первое слагаемое обусловлено изменением ширины переходов и равно сумме токов перезаряжающих барьерную ёмкость:

.

Электронный заряд Q_n изменяется по трём причинам:

1.базовый ток;

2.рекомбинация в базе;

3. электронными составляющими токов I_э и I_к, они всегда отрицательные, т.к. в процессе инжекции всегда уходят из базы, также отрицателен и рекомбинационный ток, который определяется как , где τ – время жизни носителей в базе (τ_β).

, учитывая что , получим:

- дифференциальное уравнение для неравновесного дырочного заряда.

Величины токов ёмкостей и электронных составляющих малы и ими пренебрегают и окончательно:

.

В активном режиме на практике используют связь между I_к и Q которая выражается как:

.

Для решения дифференциального уравнения необходимо знать начальное значение Q, т.к. в стационарном режиме все производные по t=0, то Q=I_бτ, т.е. заряд дырок (неравновесный) пропорционален току базы.

Распределение дырок в базе при активном, граничном и насыщенном режимах.

Граничный заряд определяется формулой:

.

Степень насыщения через заряд выражается следующим образом: . Разность Q-Q_гр=Q_изб. – избыточный заряд базы, т.е. степень насыщения характеризует относительную величину избыточного заряда.

14. Переходные процессы в ключе с ОЭ: исходное состояние и включение.

15. Переходные процессы в ключе с ОЭ: стационарное состояние.

16. Переходные процессы в ключе с ОЭ: выключение ключа.

17. Влияние емкости коллекторного перехода на длительность переходных процессов в транзисторном ключе.

Переходные характеристики ключа.

Переходные характеристики делятся на 2 процесса:

1. Процесс замыкания: 3 стадии:

а) задержка;

б) формирование положительного фронта выходного тока;

в) накопление избыточного заряда в базе.

2) Размыкание ключа: 2 стадии: а) рассасывание избыточного заряда;

б) формирование отрицательного фронта.

Задержка фронта. Это стадия переходного процесса обусловлена перезарядкой барьерных ёмкостей С_э, С_к под действием входного сигнала.

В исходном состоянии, когда ключ заперт, на базе триода имеется положительное смещение близкое к Е_б.

Потенциал коллектора связан с потенциалом точки «а» и оба они изменяются незначительно.

В момент t₃ в ключе устанавливается стационарное состояние, причём i_бст«I_б1.

Сопротивление резистора R₀ выбирается так, чтобы в стационарном состоянии падение напряжения на нём от тока I_бст было больше прямого падения напряжения на открытом диоде V2. Это означит, что потенциал базы выше, чем потенциал коллектора, т.е. коллекторный переход смещён в обратном направлении, т.е. транзистор не входит в насыщение. Таким образом t_р полностью исключено. Отрицательный заряд t_c формируются как обычно у обыкновенных ключей.

На практике часто применятся схема в которой R₀ заменён смещающим диодом V3. У диода V3 U_пр.3> U_пр.2 диода V2, т.е. обеспечивается ненасыщенный режим работы транзистора V1.

Отличие в работе от ранее рассмотренного заключается в том, что наклеенный заряд в смещающем диоде V3 за время формирования импульса обеспечивает протекание обратного тока базы, чем способствует рассасыванию зарядов в базе. Следует отметить, что между t₂ и t₃ напряжение на V3 изменяется меньше чем на R₀,поэтому с момента t₂ U_a и U_к более жестко фиксированы.

В интегральных схемах находят применения ключи на кремнеевых транзисторах с применением в О.С. алюминиево-кремневых диодов (диодов Шоттки). Диод включен непосредственно между коллектором и базой и шунтирует коллекторный переход. Падение U_пр на диоде меньше чем на p-n переходе в транзисторе, поэтому транзистор всё же смещается в прямом направление, то что смещение меньше порогового и практически насыщено не наблюдается, т.е t_p≈0. Задержка включения ключа здесь также отсутствует, т.к. в диоде Шоттки не происходит накопления заряда в базе и он не обладает инерцией.

////Когда напряжение на входе скачком изменяется на отрицательное напряжение на ёмкости не может измениться скачком и ёмкость перезаряжается током , где , а транзистор остается запертым на все время заряда ёмкости. Первоначально разряжается током , затем часть этого тока ответвляется в коллекторную цепь . Допустим, что мало и ёмкости и соединены параллельно.

Получаем R-C цепь, в которой ёмкость перезаряжается от напряжения до - по закону: , где . Подставив =0 найдем время задержки . разложив в ряд и взяв первый член, получим: .

При =50Гц, =2В, =1мА =0,1мкс. Так как задержка влияет только на сдвиг переходной характеристики, и не влияет на фронт, то в дальнейшем будем считать, что транзистор открывается сразу и время задержки не учитывается.

Положительный фронт . На входе ключа в момент времени действует напряжение , которое вызывает ток базы , который больше . Формируется фронт на выходе ключа. Формирование фронта заканчивается тогда, когда заряд в базе достигнет граничного значения . Длительность фронта можно определить решая дифференциальное уравнение для неравновесных зарядов в базе: . Перейдя к операторному методу будем иметь: . Если учесть, что начальный заряд , то: и, перейдя к оригиналу, получим: ; фронт закончится при (*); с другой стороны: . Приравняв уравнение (*) получим: и т.е. ток коллектора нарастает по экспоненциальному закону.

При условии сильного включающего сигнала, когда разложив в ряд формулы для и получим: и т.е. фронт изменяется линейно.

Накопление зарядов в базе происходит за время . С момента все токи в транзисторе практически не изменяются, но заряд в базе продолжает нарастать. Этот процесс заканчивается лишь через (2÷3) - время накопления. отличается от ,т.к. распределение носителей в базе при насыщении отличается от распределения в нормальном режиме и близко к распределению носителей в инверсном режиме: = ; 0,8 .

Время накопления =3 справедлива лишь в том случае, когда >> . В противном случае заряд в базе не достигает стационарного и его величина может быть определена по формуле: .

Рассасывание носителей определяется временем . Процесс выключения начинается в момент времени , когда заканчивается отрицательный фронт и на входе действует положительное напряжение . В цепи появляется обратный ток, который определяется внешней цепью, т.к. в насыщенном состоянии входное сопротивление транзистора очень мало: . Знак (- ) “отсос” заряда. Но заряд не может измениться скачком, следовательно в течении некоторого времени концентрация зарядов остается выше равновесной и ток коллектора при этом практически не изменяется. Происходит задержка выключения ключа, называемая временем рассасывания.

Для анализа этого процесса воспользуемся выражением в операторной форме: , где и =0,8 , т.к. рассасывание начинается при большом заряде в базе, когда поверхностная рекомбинация играет значительную роль.

Перейдя к оригиналу будем иметь: . Время рассасывания заканчивается, когда заряд достигает граничного значения. При ; получим: . подставляя , получим: ; если то получим: = .

При условии сильного запирающего сигнала , разложив в ряд выражение для , получим: ; т.е. время рассасывание сокращается при увеличении запирающего сигнала.

Стадия формирования среза импульса . В момент времени , когда заряд в базе достигает значения коллекторный переход смещается в обратном направление и транзистор переходит в активный режим. В течение всего времени заряд в базе убывает от до 0. Изменение заряда происходит по экспоненциальному закону, но уже с постоянной , и экспонента стремится к значению - , но не достигает этого уровня, а заканчивается при =0, т.к. заряд дырок всегда (+).

при при , , и тогда , откуда: .

При сильном запирающем сигнале, когда , разложив в ряд, получим: , т.е. время среза зависит обратно пропорционально от выключающего тока.

При анализе переходных процессов было сделано допущение о незначительном влиянии и . Если ЗДЕСЬ с учетом и , то длительность переходных процессов, а именно , несколько увеличится: .