2.2.3. Разновидности ключей на биполярных транзисторах

Далее описываются ключи, лишенные тех или иных недостатков, свойственных простейшему ключу (см. рис. 2.2, а).

1) Ключ с внешним смещением. В исходном состоянии такой ключ (рис. 2.4) заперт источником смещения Eб, a в отпертое состояние переключается положительным управляющим импульсом. Это отличает его от ключа (см. рис. 2.2, а), для переключения которого требуются двуполярные импульсы.

В режиме отсечки через резистор Rб2 проходит часть вытекающего из базы тока IКО и ток, обусловленный источником Eб. Поэтому полный ток через этот резистор и напряжение на эмиттерном переходе соответственно равны

Считая, что транзистор заперт при uбЭ » 0, из этих выражений находим условие надежного запирания:

где IK0max – обратный ток коллекторного перехода при наибольшей рабочей температуре.

В режиме насыщения в базу проходит разность токов: один из них обусловлен источником Eб, а другой – управляющим напряжением с амплитудой Um. Условие насыщения (bIб ³ IКН) запишется в данном случае в виде

откуда после простых преобразований

Если на вход ключа поступает отпирающий сигнал с коллектора аналогичного ключа, то Um » ЕК и предыдущее выражение упрощается

2) Ключ с ускоряющим конденсатором. В таком каскаде (рис. 2.5, а) удается уменьшить ток базы после того, как транзистор вошел в режим насыщения. При этом

уменьшается степень насыщения и, как следствие, время рассасывания заряда (задержка выключения) после окончания положительного входного импульса.

Указанный эффект объясняется следующим. При включении транзистора составляющая базового тока, обусловленная положительным управляющим импульсом, проходит через резистор  и разряженный ускоряющий конденсатор С, т. е. ограничивается только . Поэтому в базу транзистора втекает значительный ток Iб1 (рис. 2.5, б); в результате длительность фронта включения мала.

Реально конденсатор С начинает заряжаться, когда транзистор уже находится в насыщении. После заряда конденсатора ток управляющего импульса ограничивается двумя резисторами: и . Поэтому теперь ток базы Iб2 существенно меньше Iб1.

С окончанием управляющего импульса базовый ток благодаря источнику Еб скачкообразно меняет свое направление, затем экспоненциально уменьшается, а после запирания транзистора устанавливается на уровне IК0 (см. рис. 2.5, б). При этом напряжение на зарядившемся конденсаторе (его полярность указана в скобках на рис. 2.5, а) ускоряет выключение транзистора. Таким образом, в каскаде (см. рис. 2.5, а) крутой фронт включения транзистора сочетается с уменьшением длительности фронта и задержки выключения.

3) Ненасыщенный ключ с нелинейной отрицательной обратной связью. Задержку выключения можно устранить полностью, если избежать насыщения транзистора. Для этого коллектор транзистора n-р-n-типа должен всегда иметь положительный потенциал относительно базы (uКб > 0).

Однако при включении транзистора база получает положительный потенциал со стороны входа ключа, а положительный потенциал коллектора убывает по мере увеличения коллекторного тока, так что напряжение uКб может стать отрицательным.

<Условие uКб > 0 выполняется в каскаде (рис. 2.6), в котором за счет диода Д реализована нелинейная отрицательная обратная связь. В отсутствие положительных управля
ющих импульсов транзистор Т и диод Д заперты – обратная связь отсутствует.

С поступлением положительного управляющего импульса транзистор отпирается, коллекторный ток iК нарастает, а потенциал коллектора уменьшается. При этом через резисторы и  проходит одинаковый ток , а анод диода имеет положительный потенциал относительно базы ( рис. 2.6, где полярность напряжения на резисторе  показана в скобках). Когда в процессе включения потенциал коллектора uКб опустится несколько ниже этого значения, диод откроется и соединит точки а и к. После этого – если считать диод идеальным (uД = 0) – потенциал коллектора всегда будет оставаться равным потенциалу точки а, т. е. положительным относительно базы . Реально uД ¹ 0, за счет чего потенциал коллектора ниже потенциала точки а на uД; однако при правильно выбранных элементах схемы (когда > uД) напряжение uКб > 0, т.е. насыщение транзистора отсутствует.

В рассмотренном каскаде на этапе включения можно допускать большой базовый ток. После отпирания диода через него ответвляется значительная часть управляющего тока, благодаря чему базовый ток существенно уменьшается. Так как через резистор RK ток не может изменяться (потенциалы ЕК и uК его выводов постоянны), то ответвившийся через диод ток замыкается на «землю» через транзистор и цепи, присоединяемые к коллектору.

В настоящее время нелинейную отрицательную обратную связь реализуют с помощью диода Шоттки. Он представляет собой алюминий-кремниевый диод с малым падением напряжения в отпертом состоянии (менее 0,5 В), в котором практически отсутствует накопление зарядов, благодаря чему время его переключения составляет доли наносекунды.

В процессе включения транзистора Т (рис. 2.7, а) диод Шоттки отпирается. Хотя в данном случае uКб < 0, это напряжение меньше того, при котором коллекторно-базовый переход смещается в прямом направлении. Иными словами, диод Шоттки отпирается раньше, чем коллекторно-базовый переход. Поэтому практически насыщение транзистора и связанная с ним задержка выключения отсутствуют.

Единую интегральную структуру транзистор-диод Шоттки называют транзистором Шоттки, его условное обозначение показано на рис. 2.7, б.

Отметим, что в рассмотренных схемах насыщение исключается благодаря наличию цепи отрицательной обратной связи. Если же такой эффект достигается за счет уменьшения тока включения, то режим транзистора во включенном состоянии (в данном случае – активный режим) может значительно отличаться от предполагаемого. Это объясняется разбросом значений и нестабильностью коэффициента усиления b, из-за чего коллекторный ток (IК = bIб) и коллекторное напряжение (uК = Е – IKRK) во включенном состоянии транзистора не отличаются постоянством.