1 Ек eвх(t) Uвых(t) vt Rб1 .2.3. Переходные процессы в насыщенном ключе

На рис. 12 приведена схема насыщенного ключа ОЭ, на рис.13 временные диаграммы работы. На вход ключа от генератора поступает разнополярный сигнал идеальной прямоугольной формы, причем внутреннее сопротивление генератора бесконечно мало по сравнению с величиной R_б . Считаем, что резистор R_б обеспечивает постоянство базового тока на этапе отпирания ключа.

До момента t₀ (см. рис.13) на вход ключа попадается положительное напряжение величиной Е_б2 . Транзистор закрыт. В цепи его базы и коллектора текут незначительные токи величиной I_к0 , напряжение на выходе ключа близко к -Е_к.

В момент t₀ от генератора поступает отрицательное входное напряжение величиной Е_б1 .

Первый этап переходного процесса при включении связан с задержкой фронта базового тока, обусловленной зарядом входной емкости запертого транзистора:

где τ_с=R_бC_вх..

Входную емкость обычно принимают равной суме барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного переходов:

С_вх = С_э + С_к.

В современных высокочастотных транзисторах С_вх не превышает 2πф, а t_зф ≈ 1 нс при R_б = 2кОм.

В торой этап переходного процесса от t_о` до t<sub>1</sub> связан с процессом отпирания транзистора. Считаем, что с момента t<sub>о</sub>` ток базы имеет постоянную величину I_б1 , превышающую ток I_бн . Тогда в соответствии с переходной характеристикой транзистора длительность переднего фронта выходного импульса равна:

где S₁ =I_б1 / I_бн.

Чем больше коэффициент насыщения при включении S₁, т.е. больше отпирающий ток, и меньше эквивалентная постоянная времени транзистора, тем быстрее ключ открывается. В случае "сильного" сигнала S₁ >> 1, тогда:

t_ф1 ≈ τ_βэ / S₁ .

Таким образом, в целом процесс включения транзисторного ключа занимает промежуток времени от t₀ до t₁:

t_вкл= t_зф + t_ф1  t_ф1.

Выключение насыщенного транзисторного ключа начинается с некоторой задержкой по отношению к заданному фронту входного сигнала (см. рис 13). Эта задержка связана с процессом рассасывания накопленного избыточного заряда дырок в базе насыщенного транзистора.

Первый этап процесса выключения занимает промежуток времени от t₂ до t₃ :

Здесь S₂ - коэффициент "насыщения" при выключении:

S₂ = I_б2 / I_бн .

В насыщенных транзисторах t_р = 0, поэтому очевиден важный вывод: на этапе запирания ненасыщенный ключ обладает большим быстродействием по сравнению с насыщенным. В целом же интервал t_р в насыщенных ключах тем меньше, чем больше величина запирающего тока, который на этапе рассасывания равен:

где r_бн - объемное сопротивление базы насыщенного транзистора.

С момента t₃ начинается второй этап процесса выключения, связанный с выходом транзистора в нормальный активный режим и его запиранием. Транзистор вновь приобретает усилительные свойства; ток коллектора начинает уменьшаться, а входное сопротивление транзистора на границе активного режима и отсечки начинает увеличиваться (см. рис.13). При этом с момента t₃ ` запирающий ток базы I_б2 начинает уменьшаться до своего исходного уровня – I_к0. В момент t₄ транзистор возвращается в исходный режим отсечки. Длительность заднего фронта импульса тока коллектора в соответствии с переходной характеристикой транзистора равна:

Чем больше запирающий ток базы по сравнению с током базы насыщения, тем меньше длительность заднего фронта и, соответственно, больше быстродействие ключа на этапе запирания.

Полное время выключения транзистора равно:

t_выкл. = t_р + t_ф2.

Нужно отметить, что длительность заднего фронта импульса напряжения на выходе ключа может существенно превышать длительность заднего фронта тока коллектора (см. рис.13). Это связано с возможной работой ключа на емкостную нагрузку, причем величина емкости нагрузки С_н может на несколько порядков превышать барьерную емкость переходов транзистора (например, в схемах мультивибраторов и других релаксаторов). В этом случае длительность заднего фронта выходного напряжения равна:

t_Ф2u =2,3 C_н R_к.