Особенности работы БТ в ключевом режиме. Схема, графики напряжений и токов

Ключевым называют такой режим работы БТ, в котором он под действием входного сигнала переходит из режима отсечки (ключ разомкнут) в режим насыщения (ключ замкнут) и наоборот. Ключевой режим работы БТ широко используется в цифровых ИМС, выполненных по технологии ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика) и ИИЛ (интегральная инжекционная логика).

При работе в ключевом режиме БТ обычно включается по схеме ОЭ. Схема простейшего ключа на БТ показана на рис. 4.27, а. Управление состоянием такого ключа осуществляется входным сигналом И_вх, задающим ток базы транзистора и напряжение на его эммитерном переходе.

Зависимость между током I_K и напряжением U_KЭ при заданных значения R_K и E_П отображена выходной нагрузочной характеристикой (рис. 4.27,б). При U_ВХ=0 и I_Б=0 и состояние транзистора определяется точкой А на рис. 4.27, б. Транзистор при этом находится в режиме отсечки и выходное напряжение и U_ВЫХ E_П (ключ разомкнут).

В момент t₁, в цепь базы БТ поступает положительный импульс напряжения, смещающий эмиттерный переход в прямом направлении возникает инжекция электронов из эммитера в базу, сопровождающаяся появлением эммитерного тока и отрицательного заряда базы Q_Б. Сила эммитерного тока зависит от значения входного напряжения и создаваемого им тока базы. Эммитерный ток БТ вызывает появление коллекторного тока I_K=h_21БI_Б. С ростом тока I_Э растет и коллекторный ток. Насыщение базы подвижными носителями сопровождается уменьшением ее сопротивления. В предельном случае это сопротивление должно уменьшится до нуля, тогда I_K=E_П/P_K. Следовательно, транзистор переходит в режим насыщения. В реальных транзисторах сопротивление между коллектором и эммитером не равно 0, и режим насыщения наступает при котором токе базы I_{Б нас}, при котором в базе возникает отрицательный заряд Q_{Б нас}. Этому режиму соответствует положение точки В на выходной нагрузочной характеристике. При этом U_КЭнас=0,05...0,4 В. Если ток базы I_Б превышает ток базы I_{Б нас}, при котором наступает режим насыщения транзистора, то напряжение U_КЭнас практически не изменяется, а изменяется лишь значение заряда, накопленного в базе вследствие инжекции в нее электронов из эмиттера, являющихся в р-базе неосновными носителями. Этот заряд Q_Б тем больше, чем больше ток I_Б по сравнению с током I_{Б нас}, при котором наступает режим насыщения (рис. 4.27, в). Отношение S= I_Б/I_{Б нас} называется степенью насыщения. Чем больше S, тем быстрее устанавливается значение коллекторного тока при подаче на вход усилителя отрицательного (транзистор) импульса.

В момент t₂ U_вх=0, и инжекция электронов из эмиттера в базу прекращается. Ток базы должна бы стать равным 0, но из-за того, что в базе был накоплен избыточный заряд Q_Б, начнется "рассасывание" этого заряда, т.е. неосновные избыточные электроны из базы начнут "уходить" во внешнюю цепь. Уход электронов из базы во внешнюю цепь сопровождается протеканием тока в цепи базы, поддерживающим транзистор в открытом состоянии. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока избыточный заряд в базе Q_Б-Q_{Б нас} не уменьшается до 0. В течение этого времени токи базы i_Б и i_K будут сохранять свои значения (рис. 4.27, в). Время, в течение которого после прекращения входного сигнала, токи i_Б и i_K остаются неизменными в связи с рассасыванием накопленного в базе избыточного заряда, называется временем рассасывания t_рас. Это время тем больше, чем больше степень насыщения S. Поскольку наличие времени t_рас замедляет процесс переключения транзистора и тем самым уменьшает быстро действие всей схемы, то в ключевых устройствах стараются обеспечить амплитуду входного тока такой, чтобы создаваемая им степень насыщения БТ не превышала 1,5…2.

Рис. 1 Рис. 2

Рис. 3