Главная | Обратная связь

КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

В елементній базі ЕОМ БТ, як правило, працює у ключовому режимі. У цьому режимі транзистор може знаходиться або в режимі відсічки (обидва переходи закриті), або в режимі насичення (обидва переходи відкриті). При переключенні транзистора з режиму відсічки в режим насичення (чи навпаки) транзистор потрапляє в активний режим. Усі перехідні процеси в БТ відбуваються при переключенні його з насиченого стану в закритий чи навпаки. У режимі відсічки через колектор протікає зворотний струм колекторного переходу I_KЗ, що у базі створює струм I_KЗ. При цьому на колекторі БТ напруга дорівнює

U_K.ВІД = E_K – R_KI_KЗ≈E_K.

При подачі на базу БТ прямої напруги транзистор відкривається й переходить у режим насичення. Тому вихідна напруга (U_К.НАС.) стає близькою до нуля і дорівнює

U_K.HAC = E_K–R_KI_K.HAC.

У режимі насичення обидва переходи – емітерний і колекторний відкриті й у базу починається інжекція (у випадку транзистора n-p-n типу) електронів. При цьому в базі накопичуються надлишкові неосновні заряди (електрони). Процеси нагромадження й розсмоктування цих надлишкових зарядів впливають на форму вихідного імпульсу транзистора.

Графіки струмів і напруги на вході й виході БТ у ключовому режимі зображені на рис. 3.1.

При відсутності вхідного імпульсу (часовий інтервал від 0 до t1) транзистор закритий за рахунок напруги джерела зсуву – E_Б
(рис. 3.1, а). Про це свідчать значення струму колектора I_K=I_КБЗ і U_K=E_K. При надходженні на вхід БТ ідеального прямокутного імпульсу позитивної полярності напруги U_ВХ у ланцюзі бази починає протікати прямий струм бази.

Часова діаграма напруги і струмів біполярного транзистора в ключовому режимі зображена на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Часові діаграми напруг і струмів біполярного транзистора
в ключовому режимі

Після закінчення вхідного імпульсу (момент t₄), струм бази буде мати велике значення I_Б.ЗВОР = E_Б/R_Б. У міру розсмоктування нерівновагового заряду в базі зворотний опір емітерного переходу зростає і струм бази прагне до сталого значення I_БЭЗ (рис. 3.1, б момент часу t_Б).

При дії переднього фронту вхідного імпульсу (рис. 3.1, а, момент t₁) імпульс вихідного струму I_К (рис. 3.1, в) з'являється з невеликою затримкою, що на графіку позначена як t_ЗТ. Ця затримка визначається часовим переміщенням інжектованих із емітера в базу електронів до колекторного переходу, а також часом заряду паразитної ємності переходу. З моменту часу t₂ (рис. 3.1, в) транзистор переходить в активний режим, колекторний струм починає зростати за експонентним законом, досягаючи сталого значення за час t_НР. Цей час визначається швидкістю нагромадження нерівновагового заряду в базі і часом розряду паразитної ємності колектора. У такий спосіб час увімкнення транзистора складається із суми часу затримки й часу наростання:

t_ВВІМК = t_ЗТ+t_НР.

З фізичної точки зору

t_ВВІМК ≈ θ_е/S,1, (3.1)

де θ_е – постійна часу транзистора в активному режимі, а S – коефіцієнт насичення транзистора, який дорівнює S = I_Б/I_БН.

Аналізуючи формулу (3.1), можна зробити такий висновок: щоб зменшити час t_ВВІМК необхідно зменшувати чисельник дробу – збільшувати граничну частоту транзистора (обирати його більш високочастотним ) і збільшувати знаменник дробу – збільшувати коефіцієнт насичення S і вхідний струм I_Б.

З моменту t₄ у ланцюзі бази транзистора протікає замикаючий струм I_Б.ЗВОР, але колекторний струм при цьому залишається практично постійним. Це відбувається протягом часу t_Р (часу розсмоктування t₄-t₅) (рис. 3.1, в). Тому час розсмоктування (t_Р) іноді називають часом затримки вимикання транзистора і він може бути визначеним за формулою:

(2)

(3.2)

де θ_Н – постійна часу транзистора в режимі насичення; I_KH=E_K/R_K (R_{K –} навантаження транзистора в ланцюзі колектора); I_УД.1=β(U_ВХ/R_Б) – це удаваний струм колектора, що протікав би в ланцюзі колектора при відсутності резистора R_К; I_УД.2=- β(U_ВХ/R_Б). I_УД. завжди більше I_КН.

Аналізуючи формулу (3.2), можна зробити такий висновок: час розсмоктування тим менше, чим більше значення замикаючого струму бази створює позитивна напруга бази і чим ближче підходить рівень струму насичення I_КН до рівня удаваного струму I_УД.. А це може бути в тому випадку, коли менше ступінь насичення транзистора у ввімкненому стані. У цей час концентрація нерівноважних зарядів у базі вище рівноважної і колекторний перехід унаслідок цього продовжує залишатися відкритим. Як тільки нерівноважний заряд у колекторному переході розсмокчеться за рахунок відходу електронів із бази й рекомбінації, струм колектора починає за законом експоненти зменшуватися, досягаючи за час спаду t_СП
(рис. 3.1, б точки t₅, t₆) сталого значення I_КБЗ.

На цьому етапі відбувається два процеси: зменшення струму колектора до струму його відсічення I_КБЗ (рис. 3.1, в інтервал t₅-t₆) і заряд колекторної бар'єрної ємності С_К через резистор R_K від джерела живлення Е_К (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Схема віртуальної лабораторної установки

Процес зменшення колекторного струму I_КН до I_КБЗ близького до нуля, відбувається дуже швидко, особливо при великому замикаючому струмі бази. Тривалість цього процесу становить малу частку від часу t_СП спаду. Істотно велику тривалість має процес зарядження бар'єрної ємності колекторного переходу С_К. Після відсічення колекторного струму ця ємність продовжує заряджатися від джерела Е_К через R_K. Тому

t_СП = 3R_K(C_K+C_H), (3.3)

де С_Н – паразитна ємність навантаження транзистора.

У такий спосіб час вимикання t_ВИМИК дорівнює сумі часу розсмоктування і спаду:

t_ВИМИК = t_Р+ t_СН. (3.4)

Часові параметри t_ВВІМК і t_ВВИМК є основними в ключових схемах, що у свою чергу є основою елементної бази обчислювальної техніки. По них визначається швидкодія елементів і ЕОМ у цілому.

Однією з основних проблем при підвищенні швидкодії ключових схем є зменшення часу розсмоктування t_Р. Для цього пот-рібно зменшити струм бази, що відмикає, тобто – ступінь насичення S=I_Б/I_Б.НАС.. Але при цьому зростає час t_НР. Радикальним способом зменшення t_Р транзистора є використання в ключі нелінійного зворотного зв'язку. При цьому між колектором і базою БТ підключають імпульсний діод (рис. 3.2). Коли транзистор знаходиться у режимі відсічки чи активному режимі, потенціал колектора позитивний щодо бази. Отже, діод знаходиться під зворотною напругою і не впливає на роботу ключа.

Коли транзистор переходить у режим насичення, то потенціал колектора близький до нуля, діод відкривається і на ньому відбувається спад напруги U_ПР=(0,7...1…1,5)В. На величину U_ПР збільшується потенціал колектора і він практично закривається. При цьому виключається подвійна інжекція в базу з емітера і колектора, отже, виключається нагромадження надлишкового заряду в базі, і при запиранні ключа буде відсутній етап розсмоктування. При цьому час затримки й наростання залишаються без зміни.

Домашнє завдання

1. Вивчити процеси, що відбуваються в БТ у ключовому режимі.

2. Вивчити від чого залежить час увімкнення й вимкнення БТ.

3. Для виклику програми дослідження БТ у ключовому режимі необхідно:

– одержати у викладача варіант завдання на моделювання;

– викликати файл Electr_3_1_*.

Частина ІІ

Дослідження біполярного транзистора
В КЛЮЧОВОМУ РЕЖИМІ для схеми Із ЗАГАЛЬНИМ ЕМІТЕРОМ

Схема віртуальної лабораторної установки показана на рис. 3.2. Схема містить у собі: біполярний транзистор n-p-n типу BC107; діод BY228; перемикач “SA1”, за допомогою якого можна транзистор підключити за схемою ЗЕ (нижнє положення) чи ЗБ (верхнє положення); генератор прямокутних імпульсів; джерело колекторного живлення Е_К=12В; перемикач “SA2” для переключення діода; двопроменевий осцилограф, на каналі “А” якого відображається вхідний імпульс, а на каналі “В” – вихідний імпульс.