Цифровые ключи на транзисторах

Общие сведения:

В цифровой технике широко распространены логические элементы на основе ключей, у которых управляющие и коммутируемые сигналы имеют форму двоичных импульсов. В установившемся режиме сигналы на входе и выходе цифровых ключей принимают лишь два дискретных значения, условно обозначаемых логическим «0» и «1». При этом в одном из этих состояний ключ открыт, транзистор закрыт, ток через него практически не проходит и его внутреннее сопротивление велико, а в другом состоянии, когда ключ замкнут, транзистор открыт, через него течет значительный ток и внутреннее сопротивление мало. Если в ключе логическому «0» соответствует низкий уровень напряжения, а логической «1» — высокий уровень напряжения, то такой элемент относят к положительной логике. Переход из одного состояния в другое сопровождается переходными процессами. При этом токи и напряжения в транзисторе изменяются в широких пределах так, что в большинстве случаев проявляется нелинейность его характеристик. Такой импульсный режим работы транзисторов называют так же режимом большого сигнала.

Качество цифрового ключа определяется следующими основными параметрами: падением напряжения на ключе в замкнутом состоянии, скоростью переключения ключа из одного состояния в другое, мощностью потребляемой цепью управления ключа. Рассмотрим работу БТ и ПТ в режиме ключа цифровых сигналов.

Цифровые ключи на биполярных транзисторах:

Простейшая схема ключа на БТ транзисторе выполнена в соответствии с рисунком 1.51, а процессы, происходящие в ключе, протекают в соответствии с рисунком 1.52.

Рисунок 1.51 – Простейшая схема ключа на БТ

Рисунок 1.52 – Физические процессы в ключе на БТ

На участке 0 – t₁ в соответствии с рисунком 1.52 оба перехода в транзисторе закрыты, и он находится в режиме отсечки. Во входной цепи базы (рисунок 1.51) протекает небольшой дрейфовый ток неосновных носителей, обусловленный источниками U_ВХ (генератор импульсов) и U_БЭ (запирающий источник напряжения при отсутствии входного сигнала): I_Б = I_Э – I_К. Этому режиму соответствует точка А на нагрузочной характеристике ключа (рисунок 1.53).

Рисунок 1.53 – Нагрузочная характеристика ключа

Транзистор находится в закрытом состоянии. Коллекторный ток, как видно из рисунка 1.53, мал и равен тепловому току закрытого коллекторного перехода I_КО. Напряжение на выходе ключа близко к напряжению источника питания U_П, а сопротивление транзистора постоянному току велико: R_ЗАКР» U_П / I_КО.

На участке t₁ — t₂ ко входу транзистора прикладывается импульс положительной полярности, приводящей к переключению в открытое состояние как эмиттерный, так и коллекторный переходы. Поясним процесс переключения. В момент t₁ рабочая точка находилась в точке А (рисунок 1.53), а затем стала перемещаться по нагрузочной прямой в направлении точки В. К эмиттерному переходу прикладывается отпирающее напряжение, и, если сопротивление в цепи базы R_Б мало, то переход быстро переходит в открытое состояние (зависимость I_Э=f(t) в соответствии с рисунком 1.52). В эмиттерном переходе преобладает инжекция электронов в базу. В базе происходит частичная рекомбинация электронов с дырками, но основная часть электронов поступает к коллекторному переходу и за счет экстрации достигает коллектора. Сопротивление транзистора резко уменьшается, а ток коллектора I_К ® I_{К НАС}.

Вследствие падения напряжения на нагрузке R_Н понижается напряжение коллектора, а следовательно, уменьшаются толщина коллекторного перехода и заряд в нем. Происходит разряд емкости коллекторного перехода.

В точке В в соответствии с рисунком 1.53 транзистор переходит в режим насыщения. При этом наблюдается инжекция электронов из коллектора в базу. Коллекторный переход переходит в открытое состояние. В базе наблюдается рекомбинация электронов с дырками. Концентрация дырок в базе невелика, по сравнению с концентрацией поступающих в базу электронов. Поэтому в базе происходит накопление неосновных носителей – электронов. На участке t₁ – t₂ ток базы равен разности токов эмиттера и коллектора: I_Б = I_Э – I_К. Коллекторный переход начинает участвовать в процессе переключения с некоторой задержкой t₃ (в соответствии с рисунком 1.52), определяемой временем пролета носителей через базу.

Время нарастания выходного тока I_К определяет длительность фронта t_Ф (в соответствии с рисунком 1.52) и зависит от скоростей разряда коллекторной емкости и накопления неравновесного заряда в базе. Полное время включения транзистора характеризует время перехода из состояния логического «0» в состояние логической «1» и состоит из времени задержки и длительности фронта

t_ВКЛ = t_З + t_Ф. (1.85)

Как видно из рисунка 1.53, транзистор перешел в режим насыщения при токе базы, равном I_Б4. Дальнейшее увеличение тока базы до значения I_B5 уже не приводит к заметному увеличению выходного тока I_К; при этом лишь увеличивается степень насыщения транзистора и величина неравновесного заряда в базе.

Режим насыщения соответствует замкнутому состоянию транзисторного ключа. В этом случае транзистор имеет минимальное сопротивление постоянному току R_ОТКР, равное сумме сопротивлений двух p-n-переходов, включенных в прямом направлении:

R_ОТКР = U_{К НАС} / I_{К НАС},, (1.86)

где U_{К НАС} – остаточное напряжение на транзисторе в замкнутом состоянии.

На участке t₂ – t₃ прекращается действие входного импульса положительной полярности, однако транзистор не сразу возвращается в исходное состояние. На участке t_Р происходит рассасывание неравновесного заряда в базе. На первом этапе выключения концентрация носителей заряда у коллекторного перехода остается практически неизменной и, следовательно, он сохраняет прямое смещение. Рассасывание происходит за счет ускоряющего поля эмиттерного перехода и рекомбинации носителей в базовой и коллекторной областях. Только после определенного уменьшения концентраций неосновных носителей в базе транзистор переходит в активный режим, и рабочая точка из положения В перемещается по нагрузочной линии в направлении точки А.

При переходе транзистора в активный режим происходит окончательное рассасывание неравновесного заряда через коллекторный переход. Выходная емкость транзистора заряжается, а ток коллектора уменьшается по экспоненциальному закону и после определенного времени, называемого временем спада t_С, в соответствии с рисунком 1.52, принимает исходное значение I_КО.

Время перехода транзистора из состояния «1» в «0» равно сумме времени рассасывания t_Р и длительности спада t_С:

(1.87)

В цифровых устройствах принято использовать понятие среднего времени задержки сигнала при прохождении через ключ: t_{З СР} = (t_ВКЛ + t_ВЫК)/2.

Очевидно, что для реализации высокого быстродействия в качестве ключевых транзисторов необходимо использовать специальные транзисторы: с малыми междуэлектродными емкостями; малой толщиной базы и, следовательно, малым сопротивлением базовой области; неравномерным распределением примесей в базе с целью создания дополнительного ускоряющего поля для неосновных носителей. Современные дрейфовые транзисторы позволяют получить времена нарастания и спада порядка единиц наносекунд.

Эффективным способом повышения быстродействия ключа является использование транзисторов, не переходящих в режим насыщения. Такие транзисторы называются ненасыщенными. БТ можно сделать ненасыщенным, если параллельно коллекторному переходу включить диод Шоттки.

Следует отметить, что в разомкнутом и замкнутом состояниях ключи на биполярных транзисторах обладают высокими показателями, близкими к идеальным. Разброс параметров транзисторов и их изменение от дестабилизирующих факторов (особенно температуры) влияют на работу транзисторов в ключевом режиме значительно меньше, чем в активном режиме. Это связано с тем, что в режиме насыщения положение рабочей точки В практически не меняется при изменении входных токов в больших пределах.