Импульсные устройства. Основные понятия и определения импульсной техники. Электронные ключи. Интегральные логические схемы, страница 8

Второй класс электронных ключей составляют  транзисторные схемы, переключаемые  управляющим воздействием , создающим на входе ключа ток , как показано на рис.2.2.

Рис. 2.2

При изменении  транзистор переходит из закрытого состояния в открытое и обеспечивает включение или выключение  на выход схемы  напряжения  некоторого источника питания . Такие схемы получили широкое распространение в цифровых устройствах, поэтому их называют цифровыми ключами. Роль ключевого элемента в таких схемах могут выполнять биполярные или  МДП- транзисторы.

2.1. Электронные ключи на биполярных транзисторах в статическом режиме

Использование биполярного транзистора в схеме рис.2.2 отличается от малосигнальных  усилителей отсутствием цепей, устанавливающих «рабочую точку». В ключевом режиме транзистор переключается между статическими   состояниями отсечки и насыщения  при изменении напряжения управляющего генератора  в необходимых пределах.

Эта в целом существенно нелинейная задача может решаться  на раздельных последовательных этапах переключения с использованием  на каждом из них различных, но линейных  эквивалентных схем. При этом достигается получение наглядных результатов, способствующих пониманию и оптимизации конструирования импульсных схем.  Применим такой подход к анализу схемы ключа рис.2.2.

2.1.1. Свойства базо-эмиттерного перехода транзистора

В активном статическом режиме ток базы теоретически определяется как

,                                          (2.1)                  где    - тепловой потенциал,     - теоретический начальный ток.   Величина  существенно различается  для германиевых и кремниевых транзисторов ( 100 нА и 10 пА соответственно [ ]) , однако в обоих случаях   на порядки меньше, чем стандартный базовый ток транзистора даже малой мощности.  Поэтому, несмотря на то, что согласно (2.1) рост тока  перехода начинается при   ,  фактически переход открывается при напряжении  , составляющем несколько (5-10)  единиц теплового потенциала  30 мВ.       

Рис. 2.3

На рис.2.3  построены  характеристики базового тока для германиевого и кремниевого транзисторов.  Для среднего тока базы  250 мкА напряжение на базо-эмиттерном переходе составляет =260 мВ  для  германиевых  и =580 мВ  для  кремниевых транзисторов. 

Экспоненциальный характер выражения (2.1) определяет резкий перелом характеристик  при открытии транзистора и в дальнейшем слабое увеличение  с ростом  базового тока. Логарифмируя (2.1), получим:

                                                                                                                                                          .

Это означает, что при увеличении среднего тока транзистора в десять раз напряжение на базо-эмиттерном переходе возрастёт на мВ,  а при стократном увеличении тока ещё на 70 мВ  и составит  В для германиевых и  В  для кремниевых транзисторов.

Слабая зависимость от тока, вызванная экспоненциальным  характером (2.1), определяет возможность во многих случаях использовать в задачах переключения транзистора апроксимацию характеристики тока  функцией ступенчатого открытия при напряжении  (штриховые линии на рис.2.3).  Тогда для схемы рис.2.2   величину управляющего тока можно определить как

  .                                  (2.2)

Величину  следует сопоставлять с управляющим напряжением  и учитывать её или отбрасывать по условиям задачи. Ступенчатая апроксимация применима и к вольтамперным  характеристикам полупроводниковых диодов.

2.1.2  Условия нахождения транзистора в режиме отсечки

Определим требования к нахождению транзистора в режиме отсечки. Для этого базо-эмиттерный переход  транзистора должен быть закрыт (разомкнут).  Эквивалентная схема входной цепи ключа рис.2.2  в этом режиме  представлена на рис.2.4а. Во входной цепи протекает только обратный (тепловой) ток  закрытого коллекторно-базового перехода транзистора, который не зависит от напряжения  и поэтому моделируется как генератор тока с бесконечно большим внутренним сопротивлением. Вследствие линейности модели цепи результирующее напряжение  в схеме рис.2.4а определяется  как суперпозиция действия генераторов напряжения  и тока .