Электрические переходы в полупроводнике, p – n переход, прямое и обратное включение, пробой, ёмкость p – n перехода. Импульсные устройства (и

С понятием «импульс»  интуитивно связывается представление  о малой его длительности. Но кратковременность  импульса – не только абсолютная, но и относительная характеристика длительности импульсов. Длительность применяемых импульсов весьма различна. В автоматике оперируют иногда с  импульсами длительностью порядка 1 с., в импульсной радиосвязи – с импульсами микросекундного диапазона, в физике быстрых частиц – с импульсами наносекундного диапазона. Даже в одной и той же области техники применяются импульсы резко различной длительности. Так, в радиолокации могут применяться импульсы длительностью более 1 с. (при измерении дальности до планет) и наносекундного диапазона (в радиолокаторах светового излучения).

В импульсной технике проявляется тенденция  к укорочению импульсов, обусловленная  стремлением повысить быстродействие устройств или разрешающую способность  устройств.

 

 

7. ТРАНЗИСТОРНЫЙ КЛЮЧ

 

1. Транзисторная ключевая схема

 

Транзисторный ключ является основным элементом более сложных импульсных устройств регенеративного типа (пара ТК, связанных положительной обратной связью, образуют мультивибратор и триггер); ТК используется также и в ряде других импульсных устройств. В зависимости от назначения и особенностей работы ТК его схема несколько видоизменяется. Но в основном построения всех таких схем лежит изображённая на рисунке транзисторная ключевая схема.

Сопротивление R_к резистора в коллекторной цепи транзистора ключевой схемы не превышает 1 кОм. Коллекторное напряжение u_к – выходное напряжение ТК. К выходу ТК подключается нагрузочный элемент. Базовое напряжение u_б – входное (управляющее) напряжение ТК.

Ключевые  схемы строятся на транзисторах как  типа p – n – p, так и типа n – p– n. На рисунке представлена схема на транзисторах p – n – p типа. В соответствии с этим на представленной схеме обозначено напряжение - E_к < 0 и указаны положительные направления токов транзистора, совпадающие с направлением их протекания при отпёртом транзисторе. Токи транзистора связанны между собой соотношением i_э = i_к +i_б.

 

 

Принятые на схеме положительные  направления отсчёта потенциалов (V) измеряются относительно потенциала эмиттера V_э = 0. Базовое и коллекторное напряжение транзистора определяются равенствами:

u_б = u_б-э = V_б - V_э

u_к = u_к-э = V_к - V_э

Разомкнутому ключу соответствует  режим отсечки транзистора, при котором он заперт. Замкнутому ключу соответствует режим насыщения отпёртого транзистора. При переходе ключа из одного состояния в другое транзистор «пробегает» активную область характеристик, находясь в переходном активном режиме работы.

 

2. Стационарные состояния ключевой системы

 

Поведение ТК в стационарных состояниях полностью  определяется статическими характеристиками транзистора. Обычно используются семейство  выходных характеристик I_к = F_к (U_к) рисунок (а) и семейство входных характеристик                I_б = F_б(U_б) рисунок (б). Параметром 1–го семейства является ток базы I_б, параметром 2-го семейства – коллекторное напряжение U_к. В справочной литературе приводится

 

 

только две  ветви входных характеристик, соответствующие  = 0 и = -5В. Первая ветвь пересекает ось абсцисс при = 0, а вторая – при = < 0.

Вся область  статических характеристик (исключая показанную на рисунке (а) область лавинного  умножения) подразделяется на три локальные  области относительного постоянства  параметров транзистора, которым соответствуют  три режима работы транзистора: режим  отсечки, активный режим и режим  насыщения.

При любом  стационарном режиме работы схемы коллекторное напряжение и ток коллектора транзистора  связанны уравнением Кирхгофа:

= - + ∙ ;

Это линейное уравнение – уравнение нагрузочной  прямой . При задании тока базы = const на нагрузочной прямой фиксируется рабочая точка (например, точка при = 0,2 мА или точка при ≥ 0,5 мА), определяющая стационарные значения   и . В стационарных состояниях  ключевой схемы транзистор работает либо в режиме отсечки, либо в режиме насыщения.

Режим отсечки  имеет место при обратном смещении коллекторного и эмиттерного  переходов транзистора. На входных  характеристиках этому режиму запертого состояния соответствует область > 0; на выходных характеристиках область отсечки практически совпадает с самой нижней характеристикой семейства, называемой характеристикой отсечки. Характеристика отсечки снимается при разорванной цепи эмиттера ( = 0), когда ток коллектора = - . В область не очень близкой к области лавинного умножения, этот ток = , называемый начальным (обратным) током коллекторного перехода, почти не зависит от . Таким образом, если принять = const, то можно считать, что параметром характеристики отсечки является ток базы = - .

Режим отсечки  соответствует стационарному разомкнутому состоянию ТК, так как в этом режиме выходное сопротивление ТК имеет  наибольшую возможную величину.

Режим насыщения  имеет место при прямом смещении обоих переходов транзистора. Область  насыщения в плоскости входных  характеристик прилегает к ветви  с параметром = 0 (при < 0); в плоскости выходных характеристик она

 

сжата в очень  узкую область, в которой характеристики с разными значениями параметра  почти сливаются в одну прямую – линию насыщения OH; такая идеализация реальных характеристик применяется при технических расчётах. Каждой точке линии OH (например, точке ) соответствуют некоторые значения напряжения = и тока = , называемого током насыщения. Эти величины связаны линейным уравнением = ∙ – уравнение прямой OH.                   Здесь = – сопротивление насыщенного транзистора; оно определяется крутизной линии насыщения. Сопротивление весьма мало (например, у германиевого транзистора типа МП40 ≈ 5 Ом). Каждой точке линии насыщения соответствует также некоторое граничное значение тока базы = , при котором транзистор входит в насыщение. Так, в точке ток = 0,5 мА.

Пусть сопротивление  задано и положение нагрузочной прямой определено. Если постепенно повышать ток базы, то рабочая точка будет перемещаться вверх по нагрузочной прямой; соответственно будет возрастать ток и уменьшаться напряжение . При = рабочая точка достигнет точки , в которой ток = . При дальнейшем увеличении тока базы ( >> ) положение рабочей точки почти не меняется, так как все характеристики с параметром > практически проходят через точку . С возрастанием тока > повышается лишь степень насыщения транзистора, характеризуемая коэффициентом насыщения:

s = ≈ ≥ 1.

Активный  режим транзистора имеет место  при нормальном смещении его переходов (эмиттерный переход смещён в прямом направлении, а коллекторный – в  обратном). Активная область характеристик транзистора расположена между областями отсечки и насыщения. Нормальное смещение переходов транзистора ключевой схемы получается только в кратковременной переходной стадии работы ТК, когда он переходит из одного стационарного состояния в другое.

 

 

 

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%BB%D1%83%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%B8%D0%BA

http://do.gendocs.ru/docs/index-51467.html?page=4

Фролкин В. Т., Попов Л. Н., Импульсные устройства, 3 изд., М., 1980

Ицхоки Я. С., Импульсные и  цифровые устройства, М., 1972

Хоровиц П., Хилл У., Искусство  схемотехники, М., 1998