Усилители. Режим класса D (ключевой режим)

1. Транзисторный ключ. Общая характеристика. Режимы работы.
Транзисторные ключи являются одним из наиболее распространенных элементов импульсных устройств. На их основе создаются триггеры, мультивибраторы, коммутаторы, блокинг-генераторы и т. д.
В зависимости от целевого назначения транзисторного ключа и особенностей его работы схема ключа может несколько видоизменяться. Но несмотря на это, в основе всех модификаций лежит изображенная ниже транзисторная ключевая схема.
В транзисторных ключах транзисторы работают в нескольких, качественно различных режимах, которые характеризуются полярностями напряжений на переходах транзистора.
Принято различать следующие режимы работы ключа:
режим отсечки;
нормальный активный;
инверсный активный;
режим насыщения.
Транзисторный ключ по своей схеме подобен транзистор­ному усилителю с ОЭ. Однако по выполняемым функциям и, соответственно, режимам работы активного элемента он существенно отличается от усилительного каскада.
Транзисторный ключ выполняет функции быстродействующего ключа и имеет два основных состояния: разомкнутое, которому соответствует режим отсечки транзистора (транзистор закрыт), и замкнутое, которое характеризуется режимом насыщения транзистора или режимом, близким к нему.
В течение процесса переключения транзистор работает в активном режиме. Процессы в ключевом каскаде носят нелинейный характер.
1.1. Режимы работы транзисторного ключа.

Схема простейшего ключа
1.2. Статические характеристики транзисторного ключа.
Поведение транзисторного ключа в статическом режиме полностью определяется статическими характеристиками транзистора. При их анализе обычно используют семейство выходных статических характеристик = f() и семейство входных статических характеристик = f(), на рисунке ниже.

Выходные и входные статические характеристики транзисторного ключа
1.3. Режимы отсечки и насыщения транзисторного ключа.

В режиме отсечки оба перехода биполярного транзистора смещены в обратном направлении. Различают режимы глу­бокой и неглубокой отсечек. В режиме глубокой отсечки к p-n-переходам приложены напряжения, превышающие (3÷5)m .
где: = kT/q — температурный потенциал;
При этом для кремниевых транзисторов вместо следует подставлять m ,
где коэффициент m - учитывает влияние токов реального p-n-перехода (m=2÷5).
Полярность напряжений такова, что коллекторный и эмиттерный переходы смещены в обратном направлении. В этом режиме токи электродов транзистора имеют наимень­шие значения, что характеризует разомкнутое состояние транзисторного ключа. В режиме неглубокой отсечки модуль напряжения на одном из переходов меньше (3÷5)m . Оба перехода смещены в обратном направлении. Однако токи электродов несколько больше, чем в режиме глубокой отсечки, и их значения существенно зависят от приложенного напряжения. Область глубокой отсечки практически совпадает с самой нижней кривой семейства выходных статических характеристик, которую иногда называют характеристикой отсечки.
Характеристика отсечки снимается при разорванной цепи эмиттера (Iэ = 0), когда ток коллектора
Iк = IКБО = - IБ .Токи и напряжения электродов биполярного транзистора в режиме глубокой отсечки
Ввиду того что обычно << , часто считают, что 0. Так как напряжение в закрытом состоянии (точка «а» на схеме транзисторного ключа) определяется из выражения
тогда сопротивление транзистора
Оно, как правило, достаточно велико (не менее 100 кОм).
В быстродействующих ключах сопротивление RK берут небольшим (порядка нескольких кОм) для уменьшения задержки, связанной с перезарядкой барьерной Ск и паразитных емкостей. Поэтому выходное сопротивление рассматриваемого цифрового ключа определяется сопротивлением Rк :

=
С уменьшением до нуля напряжения, приложенного к базе ( = 0), транзистор продолжает оставаться закрытым, но его токи несколько изменяются. При этом ток базы остается практически неизменным и равным ≈-
Ток эмиттера на границе отсечки существенно увеличивается и изменяет свой знак. Его значение равняется:
Ток коллектора будет равен:
Изменение трех токов в области отсечки иллюстрируется кривыми, приведенными на рисунке ниже.
Графики токов транзистора в области отсечки и в начале активной области

Важно подчеркнуть, что глубина отсечки, а также токи эмиттера и коллектора зависят от значения сопротивления, включенного в цепь базы. Это обусловлено тем, что в базовой цепи протекает ток обратносмещенных переходов транзистора, который создает дополнительное падение напряжения на со­противлении R6. В итоге напряжение, приложенное между базой и эмиттером транзистора, отличается от напряжения :
Для нахождения UБЭ воспользуемся графоаналитическим методом, который используется при построении линии нагрузки. Для этого из точки, соответствующей UBX , проведем прямую, тангенс угла наклона которой равен 1 /R6 , причем для уяснения влияния сопротивления R6 проведем прямые, соответствующие двум сопротивлениям в цепи базы:
Точки пересечения этих прямых с Iб определяют дей­ствительный режим работы транзистора. При сопротивлении б транзистор находится в режиме отсечки, хотя и не­достаточно глубокой, как можно было бы ожидать, судя по значению UBX.
При сопротивлении б транзистор переходит в активный режим, хотя Uвx и отрицательно. Это объясняется тем, что ток базы создает на сопротивлении б падение напряжения, которое вычитается из Uвx и изменяет режим работы тран­зистора. Поэтому сопротивление базы во избежание подобных нежелательных явлений следует выбирать из условия
т. е. ток короткого замыкания источника UBX с внутренним сопротивлением R6 должен значительно превосходить мак­симальный обратный ток коллекторного перехода.
Соответственно сопротивление в цепи коллектора должно удовлетворять неравенству
При этом в выражениях, приведенных выше, следует брать максимальное значение тока при наивысшей температуре.

В режиме насыщения оба p-n -перехода транзистора смещены в прямом направлении. При этом падение напряже­ния Uкэ мало и при малом токе Iк составляет десятки мВ.
На выходных статических характеристиках транзистора область насыщения характеризуется линией насыщения ОН, на рисунке выше. Каждой точке этой линии соответствует некоторое значение напряжения UK3=UKнас и тока Iк = Iкнас. Ток Iкнас называется коллекторным током насыщения. Как видно из характеристик, эти величины связаны между собой линейной зависимостью
где — сопротивление насыщенного транзистора.
Значения Rнас определяются крутизной линии насыщения. Обычно оно достаточно мало (десятки — сотни Ом).
Каждой точке линии ОН соответствует некоторое граничное значение тока базы = при котором транзистор входит в насыщение. Этот режим появляется вследствие того, что максимальный ток коллектора транзистора ограничен напряже­нием источника питания и параметрами внешних цепей. В рассматриваемом случае
Если ток базы задать таким, что то при данном источнике напряжения и
параметрах внешней цепи такой ток Iк получить нельзя. Транзистор откроется полностью, но и через него будет протекать ток Iкmax который меньше Iк. Это максимальное значение тока кол­лектора и называют коллекторным током насыщения. Значение его обычно оценивают приближенно с помощью уравнения
Из сказанного следует, что в режиме насыщения наруша­ются соотношения между точками электродов транзистора, характерные для активного режима. Поэтому критерием на­сыщения является неравенство или

Для количественной оценки глубины насыщения вводят параметр степень насыщения. Степень насыщения определяется как относительное превышение базовым током IБ того значения тока Iбнас , которое характерно для границы насыщения:
Иногда оценку глубины насыщения производят с помощью коэффициента насыщения, который показывает, во сколько раз ток, протекающий в цепи базы, больше базового тока, при котором транзистор входит в насыщение:
При насыщении сопротивление транзистора минимально и практически не зависит от значений IБ и RK. Оно и является выходным сопротивлением транзисторного ключа в стационарном замкнутом состоянии.
С увеличением базового тока напряжение на эмиттерном переходе UБЭ меняется мало. Напряжение на коллекторном переходе и модуль напряжения UКЭнас уменьшаются. Значение UКЭнас зависит от типа транзисторов и обычно находится в пределах 0,08÷1 В.
При изменении температуры окружающей среды напряжения UKБ и UЭБ изменяются приблизительно также, как и в диодах. В то же время напряжение UКЭнас, являющееся разностью этих двух напряжений, изменяется мало. Температурный ко­эффициент напряжения (ТКН) ключа обычно порядка 0,15 мВ/град.
Следует подчеркнуть, что начиная от значений степени насыщения N=3÷5 и выше межэлектродные напряжения транзистора мало зависят от тока базы. Поэтому более высокую степень насыщения применять нецелесообразно.
Важным преимуществом режима насыщения является прак­тическая независимость тока коллектора от температуры окружающей среды и параметров конкретного транзистора.
Входную цепь транзисторного ключа характеризуют сле­дующие параметры:
входной ток закрытого транзистора;
напряжение управления, необходимое для надежного закрытия транзистора;
минимальный перепад управляющего сигнала, необходимый для обеспечения надежного открывания транзистора;

входное сопротивление транзистора в открытом состоянии (или напряжение, необходимое для обеспечения надежного открытого состояния).
Выходными параметрами транзисторного ключа являются:
выходное со­противление ключа (RK при закрытом и при открытом транзисторе);
максимальный ток открытого ключа (равен току насыщения);
минимальное (остаточное) напряжение на коллекторе транзистора в открытом состоянии (деся­тые—сотые доли В);
максимальное напряжение на коллек­торе закрытого транзистора
коэф­фициент использования напряжения питания

При анализе переходных процессов в транзисторе удобно использовать метод заряда базы, в основе которого лежит принцип ее электрической нейтральности. Согласно этому методу в любой точке базы положительный и отрицательный заряды одинаковы и изменяются с одинаковой скоростью. В базе n -типа положительный заряд обусловлен ионами донорной примеси и дырками, а отрицательный — только электронами. На основании уравнения нейтральности можно записать
Дифференцируя по времени, получим
Каждое слагаемое выражения имеет размерность тока.
При учете основных составляющих, вызывающих изменения зарядов, уравнение запишем в виде
где Q и - заряд и время жизни неосновных носителей заряда в базе.
Это дифференциальное уравнение называется уравнением заряда базы и является исходным для анализа длительности переходных процессов. Оно показывает, что ток базы ᵢб «расходуется» на пополнение убыли зарядов, исчезнувших в результате рекомбинаций (член Q/), а также на накопление заряда, соответствующего данному току (член dQ/dt). В установившемся режиме, в котором dQ/dt = 0, уравнение примет уже знакомый вид () = .
В общем случае оно нелинейно, так как время жизни неосновных носителей заряда в базе изменяется в зависимости от режима работы. Однако можно полагать, что время жизни имеет два
2. Переходные процессы в ключевых схемах с биполярными транзисторами.

постоянных значения: — в активном режиме, — в режиме насыщения. Следовательно, уравнение заряда базы можно рассматривать как кусочно-линейное. Для его решения необходимо знать как закон изменения тока базы , так и начальное значение заряда в ней () в момент t=0.
В том случае, если ток базы изменяется скачкообразно и при этом принимает новое постоянное значение = IБ = const, общее решение уравнения, приведенного выше, имеет вид
() = () – [() – ()] .
где ()— заряд в базе при = ; () — заряд в базе после окончания переходного процесса; () — текущее значение заряда.
На границе активной области и области насыщения, когда справедливо выражение h21эIБнас = IКнас, в базе транзистора имеется заряд, называемый граничным и определяемый из следующего соотношения:
Значение граничного заряда широко используется как крите­рий перехода ключа из активной области в область насыщения. Соответственно степень насыщения определяют из выражения
=
Разность называется избыточным зарядом.
Избыточный заряд в отличие от граничного распределен равномерно по длине базы, а градиент его равен нулю.
Метод заряда позволяет определить значения необходимых величин в статическом и динамическом режимах работы транзистора.
2.1 Процесс открывания транзисторного ключа.
Процесс открывания транзисторного ключа можно раз­делить на три стадии: задержка фронта; формирование фронта; накопление избыточного заряда в базе.

Задержка фронта обусловлена перезарядкой барьер­ных емкостей Сэ и Ск под действием входного сигнала. В исходном состоянии, когда ключ закрыт, на базе транзистора имеется напряжение смещения - обусловленное входным сигналом -еу. Когда сигнал еу скачком принимает значение +еy1, транзистор остается закрытым, так как напряжение на его входной емкости не может измениться скачком. Через сопротивление R6 начнет протекать ток перезарядки входной емкости, хотя транзистор в это время будет закрыт. Время задержки можно приближенно оценить используя выражение
= ,
где = RбСвх — постоянная входной цепи; UБЭпор— напряжение между базой и эмиттером, при котором открывается эмиттерный переход.
Входную емкость Свх можно считать приблизительно равной емкости параллельно соединенных емкостей коллекторного и эмиттерного переходов: СВХ = СЭ+СК.
Значение времени задержки обычно сравнительно невелико. Так, например, при Сэ+ Ск = 30 пФ;
\ey1 | = | UБO\ = 2 В; R6 = 2 кОм; ≈4 нс.
Так как задержка сдвигает только переходную харак­теристику ключа, и не влияет на форму фронта, в дальнейшем, если нет специальной оговорки, будем считать, что поступи­вший входной сигнал сразу открывает транзистор.
2.1.1 Задержка фронта.
2.1.2 Формирование фронта.
Условимся, вне зависимости от типа электропроводности транзистора и соответственно направ­ления тока, протекающего через него, считать, что этап открывания ключа характеризуется положительным фронтом, а этап закрывания — отрицательным.
Пусть в момент t = 0 возникает перепад тока и этот ток достаточен для последующего насыщения транзистора: > /.

Диаграммы процессов открывания и закрывания транзисторного ключа
Увеличение коллекторного тока идет по экспоненциальному закону, как и в усилительном каскаде. При достижении им значения ≈ изменение тока коллектора, а соответ­ственно и формирование фронта заканчиваются.
Для определения длительности фронта подставим, в предыдущую формулу, начальные условия: () = 0; () = . Тогда

Как показано на рисунке выше, окончание положительного фронта соответствует тому моменту, когда заряд в базе становится равным граничному значению. Подставив вместо Q(t) значение граничного заряда, найдем длительность положитель­ного фронта по формуле:
Например, если а = 2мкс, h21э = 50, Iб1 = 1 мА, IКнас = 5 мА, то tф = 0,2 мкс.
Если учесть задержку, то общая длительность переходного процесса установления тока iK несколько больше — порядка 0,3 мкс. Для уменьшения длительности фронта необходимо использовать высо-кочастотные транзисторы, у которых а имеет малое значение, и увеличивать управляющий ток Iб1.
Из вышеуказанного рисунка (б), иллюстрирующего процесс увеличения за­ряда в базе, видно, что если бы время жизни н в режиме насыщения было равно а , заряд в базе был бы значительно больше. Заметим, что при дальнейшем анализе методом заряда в этой области необходимо использовать время жизни неосновных носителей заряда н .
2.1.3 Накопление избыточного заряда в базе.
Начиная с момента tф токи коллектора, эмиттера и базы практически не изменяются (при управляющем сигнале Iб1 (рис. в). Однако заряд в базе продолжает нарастать. Этот процесс заканчивается через промежуток времени когда заряд в базе
При этом падение напряжения на транзисторе изменяется вплоть до своего статического значения в режиме насыщения.
2.2 Процесс закрывания транзисторного ключа.
Теперь рассмотрим по­ведение транзисторного ключа при изменении скачком входного тока от поло-

жительного значения Iб1 до отрицательного —Iб2, на рисунке выше диаграмма (г). При отрицательном токе Iб2 начинается экстра­кция зарядов из базы. Процесс закрывания включает два этапа:
рассасывание избыточного заряда;
формирование от­рицательного фронта.
2.2.1 Рассасывание избыточного заряда.
жительного значения Iб1 до отрицательного —Iб2, на рисунке выше диаграмма (г). При отрицательном токе Iб2 начинается экстра­кция зарядов из базы. Процесс закрывания включает два этапа:
рассасывание избыточного заряда;
формирование от­рицательного фронта.
Заряд, находящийся в базе, не может измениться скачком, так же как и в случае заряженной емкости. Следовательно, в течение некоторого времени концентрации дырок у обоих переходов остаются выше равновесной. Ток коллектора при этом практически не меняется (на рисунке выше диаграммы б, д). Ток эмиттера в начальный момент скачком уменьшается на величину ΔIэ = ΔIб, где ΔIб = |Iб1 |+ |Iб2 |, а затем на протяжении некоторого времени остается неизмен­ным. Для анализа процесса рассасывания подставим значение заряда: ()= Iб2 н :
Рассасывание закончится, когда избыточный заряд в базе исчезнет и будет выполняться равенство Q(t) = Qгр. Подставляя вместо Q(t) граничный заряд и учитывая, что (0)= Iб1 н, найдем время рассасывания:
Используя соотношения, связывающие между собой заряды и токи, и считая длительность открывающего сигнала значитель­но больше н, получим упрощенное выражение для времени рассасывания, которое часто используют на практике:

2.2.2 Формирование от­рицательного фронта.
В ряде случаев при большом закрывающем сигнале можно использовать еще более упрощенное выражение:
где: N — степень насыщения.
Время рассасывания и связанная с ним задержка уменьша­ются с увеличением закрывающего сигнала и убыванием степени насыщения. Поэтому большие открывающие токи Iб1, которые выгодны с точки зрения длительности положительного фронта, нежелательны с точки зрения закрывания ключа. После рас­сасывания избыточного заряда в базе транзистор оказывается в активной области.
Рассасывание из­быточного заряда может произойти одновременно у коллек­торного и эмиттерного переходов, а также окончиться раньше у коллекторного или эмиттерного перехода. В зависимости от того, где раньше произойдет рассасывание, картина переход­ного процесса несколько меняется.
2.2.2.1 Рассасывание из­быточного заряда у коллекторного перехода.
Пусть к моменту времени tк избыточные носители, накопив­шиеся у коллекторного перехода, рассасываются (на рисунке ниже, диаграммы а — в). При этом коллекторный переход смещается в обратном направлении и транзистор начинает работать в активном режиме. Ток коллектора изменяется, вызывая соответствующее уменьшение тока эмиттера. К моменту времени tэ рассасыва­ются избыточные заряды у эмиттерного перехода. Тогда и эмиттерный переход смещается в обратном направлении и транзистор начинает работать в режиме отсечки токов. После tэ рассасывается заряд, оставшийся в глубине базы, и токи эмиттера коллектора и базы уменьшаются до установив­шихся значений по экспоненциальному закону. Этап, на котором оба p-n - перехода смещены в обратном направлении, но в базе еще имеется некоторый остаточный заряд, отличный от равновесного, носит название области динамической отсечки транзистора.

Длительность отрицательного фронта можно оценить также используя метод заряда. При этом считается, что процесс формирования фронта заканчивается при Q = 0. Время от­рицательного фронта, полученное на основе метода заряда,
Диаграммы процесса закрывания транзисторного ключа - при нормальном рассасывании базового потенциала

Если рассасывание заряда сначала завершается у эмиттер­ного перехода, то временные диаграммы
г — е имеют вид, приведен­ный на рисунке ниже.
Диаграммы процесса закрывания транзисторного ключа при инверсном рассасывании.
Здесь закрывающий импульс, поступающий в момент времени t0 , изменяет скачком токи эмиттера и базы, а ток коллектора оставляет почти без изменения. В момент tэ избыточные носители, накопленные у эмиттерного перехода, рассасываются и он смещается в обратном направлении.
2.2.2.2 Рассасывание из­быточного заряда у эмиттер­ного перехода.

Транзистор оказыва­ется в инверсной активной области. Ток эмиттера уменьшается. Однако это не вызывает изменения тока базы, так как теперь та часть тока, которая ответвлялась в эмиттерную цепь, направляется в цепь коллектора. С уменьшением эмиттерного тока ток коллектора увеличивается. Это способствует более быстрому рассасыванию избыточных носителей заряда, накоп­ленных у коллекторного перехода. В момент времени tк закан­чивается рассасывание избыточных носителей у коллекторного перехода. Транзистор оказывается в области динамической отсечки. По мере рассасывания оставшихся в базе носителей происходит окончание переходного процесса.
В этом случае транзистор при переходе из области насыщения в область отсечки проходит через инверсную активную область. Инверсное рассасывание наблюдается при большом запирающем токе базы Iб2 .
2.2.2.3 Рассасывание из­быточного заряда одновременно у коллекторно-го и эмиттерного переходов.
Если рассасывание избыточных носителей заряда происходит одновременно у эмиттерного и коллекторного переходов, то транзистор из области насыщения переходит в область ди­намической отсечки минуя активную область.
Выводы:
1. При увеличении импульса тока базы, открывающего транзистор, уменьшается длительность поло­жительного фронта, но транзистор попадает в область глу­бокого насыщения. Последнее приводит к увеличению времени обратного переключения. Ток в момент выключения также желательно увеличивать, так как это способствует более быстрому рассасыванию заряда. Однако этот ток приводит к инверсному рассасыванию, что нежелательно из-за выбросов тока коллектора, имеющих место во время переходного процесса.
2. Удовлетворить эти противоречивые требования удается путем введения в цепь управления форсирующего конденсатора, который позволяет увеличить токи базы Iб1 и Iб2 на короткий промежуток времени, в то время как стационарные токи базы практически не меняются.

3. Конденсатор С, увеличивая базовые токи, усложняет кар­тину работы ключа. Это связано с тем, что во время динамической отсечки ток базы быстро падает до нуля и не успевает разрядить конденсатор. После закрывания транзистора на его базе окажется дополнительное динамическое смещение, которое затем уменьшается по мере разрядки конденсатора через резистор R6. Так как постоянная времени цепи CR6 срав­нительно велика, то очередной открывающий импульс может поступить раньше, чем уменьшится до нуля напряжение этого динамического смещения. Соответственно, задержка и длительность положительного фронта увеличатся.
Для устранения явления, описанного выше, используют диодную фик­сацию базового потенциала, для чего в цепь базы включают дополнительный диод. Схема приведена на рисунке ниже.
3. Ненасыщенные ключи на биполярных транзисторах.
Схема ключа с диодной фиксацией базового потенциала
3.1. Диодная фик­сация базового потенциала.

Диод открывается при подаче закрывающего напряжения на базу транзистора. При этом конденсатор С быстро разряжается через сопротивление диода, смещенного в прямом направлении, и
внутреннее сопротивление Rи источника eу. Кроме того, диодная фиксация базового потенциала уменьшает напряжение на базе закрытого тран­зистора. Тем самым уменьшается заряд входной емкости транзистора и снижается время задержки.
У реальных транзисторных ключей картина переходного процесса отличается от рассмотренной. Это обусловлено тем, что у коллекторного перехода имеется емкость изменяющая ток резистора RK. При грубой оценке можно считать, что к коллектору транзистора подключена интегрирующая RC-цепь, имеющая постоянную времени
Эта цепь дополнительно увеличивает длительности фронта и среза выходного импульса. Для уменьшения ее влияния стремятся применять высокочастотные транзисторы, имеющие малые емкости , а в цепь коллектора включают небольшие сопротивления RK.
3.2. Нелинейная обратная связь в ненасыщенных ключах.
При необходимости получить максимально достижимое быстродействие транзистор не вводят в режим глубокого насыщения. Такие ключи называют ненасыщенными. В них транзистор работает на границе активной области. Для предотвращения насыщения вводят нелинейную обратную связь так, как показано на рисунке ниже.
Основной смысл введения обратной связи заключается в фиксировании потенциала кол­лектора относительно потенциала базы.
Если бы диод был идеальным и открывался при близком к нулю прямом напряжении, то источник смещения Еф (рисунок выше) можно было бы не подключать. Учитывая, что диод открывается только при напряжении U = 0,3 - 0,4 В, приложенном в прямом направлении, ЭДС источника смещения Еф выбирают порядка 0,4—0,6 В.
При открывании транзистора диод закрыт до момента, пока вследствие уменьшения коллекторного тока напряжение на нем не станет равным пороговому.

С момента открытия диода ток управления ключом замыка­ется на коллектор, что приводит к уменьшению тока базы приблизительно в 1+ раз. В итоге избыточный заряд, накапливаемый в базе транзистора, много меньше, чем при включении его в обычную схему насыщенного ключа. При подаче управляющего напряжения -еу диод закрывается. Прак­тически сразу же начинается отрицательный фронт, так как избыточный заряд в базе близок к нулю.
Схемы ненасыщенного ключа с нелинейной обратной связью
Существенного повышения быстродействия можно добиться только при использовании диодов, имеющих малое время восстановления. Если применять низкочастотные диоды, у ко­торых велико время рассасывания заряда, накопленного в базе, то эффект от введения нелинейной ОС будет незначителен.
3.3. Использование диодов Шоттки в ненасыщенных ключах.