Ключевой режим работы транзистора.

1. Теоретическая часть.

• Транзисторные ключи (ТК) являются основой логических элементов ЭВМ. Дня отображения двоичных символов используются статические состояния ТК, в которых транзистор работает в режимах отсечки или насыщения. Во время переходных процессов при переключении из одного статического состояния в другое транзистор работает в нормальном и инверсном активных режимах. Основными параметрами статических состояний ТК являются напряжение насыщения Uкэн и обратный ток Jко. Режим отсечки ТК (рис. 1) характеризуется низким уровнем напряжения 

Uвых=-Ек+IкоRк ≈ -Ек.

     В режиме насыщения через ТК протекает ток

           I кн = (Ек - Uкн)/ Rк ≈ Ек/Rк
           Uвых = Uкэ ≈ 0.



 Рис. 1   Принципиальная схема транзисторного ключа.

Основными параметрами переходных процессов являются: при включении ТК tз - время задержки и tф - длительность фронта, а при выключении tрас - время рассасывания накопленного в базе заряда и tc - длительность среза.

На рис. 2 представлены временные диаграммы, иллюстрирующие переходные процессы в ТK. 

Время задержки τ_з ≈ τ _вх ln(1 + Uб0 / E_{б0 ), где  τ вх = RбСвх ; Uб0- начальное напряжение;} С_вх  = С_бэ  + С_{бк  . 
Длительность фронта определяется по формуле:}  τ_ф = τ_{в  ln(S/(S+1))
         Для удобства измерения фронта его часто определяют как время нарастания тока от уровня 0.1Iкн до уровня 0.9Jкн ; В этих формулах  τ в = 1/2πfв (fв} - верхняя граничная частота каскада ОЭ), а S = I_б1  / Iбн =   I_б1 BRк / Е_к - коэффициент насыщения. Ток базы, соответствующий границе насыщения, I_бн  = I_кн / В .   
         Время рассасывания заряда в базе tрас = τ_нас ln (SI_бн + I_б2  )/ (I_бн +I_б2 )  , где τ_нас - время
жизни неосновных носителей в базе в режиме насыщения.
         Время рассасывания характеризуется интервалом времени от момента подачи запирающего входного напряжения  до момента, когда заряд в базе уменьшается до граничного значения Q_гр=I_бн τ_нас , при котором транзистор переходит из насыщенного состояния в активный режим. Если коллекторный переход запирается раньше эмиттерного (t_к<t_э) то транзистор переходит в нормальный активный режим, если наоборот то в инверсный активный режим. В последнем случае на графике I_к и U_к появляется характерный выброс (рис. 2, штриховые линии).                               Заканчивается переходный процесс при выключении транзистора срезом выходного напряжения (задним фронтом). Длительность t_с можно оценить, считая, что процесс формирования заднего фронта заканчивается

при Q≈0. Тогда τ_с = τ_в ln((I_б1 /S + I_б2 )/I_б2 )).    

Однако в реальных схемах большая часть среза выходного напряжения происходит, когда транзистор находится в режима отсечки. Поэтому длительность среза определяется постоянной времени τ_к=(R_к + Rген )Ск или τ_к=(R_к + R_ген )(С_к+С_н) с учетом емкости нагрузки С_н.



Конденсатор С1 в схеме ТК (рис. 3. пунктир) является форсирующим. Он позволяет увеличить токи базы I_б1 и I_б2 нa короткий промежуток времени, в то время как стационарные токи базы практически не меняются, это приводит к повышению быстродействия ТК. Другим способом увеличения быстродействия ТК является введение нелинейной обратной связи. Диод с малым временем восстановления (диод Шоттки), включенный между коллектором и базой, предотвращает глубокое насыщение ТК, фиксируя потенциал коллектора относительно потенциала базы. Такие ТК называют ненасыщенными.