Динамика переключения ключей на биполярных транзисторах.

Качество транзисторного ключа определяется не только его свойствами в статических состояниях, но и скоростью переключателя, т.е. временами его перехода из одного состояния в другое, что определяется динамикой переходных процессов. При анализе переходных процессов в транзисторе, как правило, используется метод заряда базы, в основе которого лежит принцип ее электрической нейтральности.

Процесс переключения транзистора состоит из двух фаз:

Фаза открывания (включения) и фаза закрывания (выключения).

Фаза открывания включает 3-и стадии:

- задержка фронта (tзад);

- формирование фронта (tф+);

- накопление избыточного заряда в базе (tнак).

1. Задержка фронта – обусловлена перезарядом барьерных емкостей Сэ и Ск под действием входного сигнала.

2. Формирование фронта – возрастание тока Iк от 0,1 Iкmax до 0,9 Iкmax, связанное с экспоненциальным ростом числа неосновных носителей в области базы.

3. Накопление избыточного заряда в базе – начинается с момента перехода транзистора из активной области в режим насыщения, когда IБ>IБнас (при S>1) и заканчивается в момент достижения заданного коэффициента S насыщения.

Фаза закрывания включает также три стадии:

- рассасывание избыточного заряда в базе (tрасс);

- формирование отрицательного фронта (tф-);

- установление стационарного закрытого состояния (tуст).

1. Рассасывание избыточного заряда – уменьшение объемного заряда базы (неосновных носителей) до равновесного состояния; при этом Iк не изменяется.

2. Формирование отрицательного фронта – спад тока Iк от 0,9Iк до 0,1 Iк, экспоненциальное уменьшение заряда в базе от граничного значения до нуля.

3. Установление стационарного закрытого состояния – переход от пассивного запирания к глубокой отсечке (перезаряд Ск и Сэ).

Из анализа фаз переключения транзистора следует, что суммарные временные затраты составляют:

Очевидно, что для сокращения tвкл необходимо увеличивать IБвкл, но при этом транзистор попадает в область глубокого насыщения, что увеличивает время выключения (tвыкл).

Для сокращения времени выключения tвыкл необходимо увеличить ток выключения IБзап, т.к. это способствует сокращению tрасс. Однако, это приводит к увеличению глубины отсечки, что увеличивает время включения (tвкл).

Появившиеся противоречивые требования возможно удовлетворить несколькими путями (методами).

Способы повышения быстродействия транзисторных ключей

1. Метод форсированного переключения.

RБ > Rи

τзар ≥ t1 ; τразр ≥ t2

Iвкл > Iпост ф+

Iвыкл > Iпост ф-

2. Метод ненасыщенных ключей

Поскольку Uпрд=0,4 В , то Еф=URБ=0,6 В.

- с момента открытия диода Д.

Цифровые ключи. Общие требования.

Электронные ключи, работающие в режиме D, используются для формирования двух уровней выходного напряжения. Такие ключи относятся к классу цифровых ключей и широко применяются при построении цифровых логических схем.

Обобщенная схема цифрового ключа может иметь вид.

Два уровня напряжения на выходе ключа формируются следующим образом:

1. когда сигнал «Вх» переводит Кл в положение 2, напряжение на выходе определяется:

(логический нуль),

Поскольку Rкл откр составляет единицы Ом и Rкл откр << Rн, а Rогр>>Rкл откр, то

.

Для минимизации тока потребления от +Еп желательно Rогр иметь достаточно большим, т.к. , т.е. Rогр→∞.

2. когда сигнал «Вх» переводит Кл в положении 1, напряжение на выходе определяется:

(логическая единица)

Поскольку Rкл закр составляет несколько МОм и Rкл закр >> Rн, то

.

Для приближения к Еп, необходимо, чтобы Rогр<<Rн.

При фиксированном значении Rн необходимо, чтобы .

Кроме того, при формировании при фиксированном Сн, время заряда Сн будет

tзарmin ≈ 3τзар = 3*Rогр*Сн

При формировании :

tразр ≈ 3τразр = 3*Rклоткр*Сн

Rклоткр<<Rогр

Таким образом, выявляются противоречие к выбору Rогр:

Rогр→∞ - тогда →0, но tзар→∞

Rогр→0 - тогда →∞

Для разрешения противоречия, необходимо, чтобы Rогр было бы управляемым.