Инвертор на биполярном транзисторе
Инвертор реализует функцию НЕ и является простейшим базовым логическим элементом. Свойства инвертора характеризует его передаточная характеристика 
, представляющая зависимость выходного напряжения 
от медленно изменяющегося напряжения на входе 
. Передаточная характеристика инвертора показана на рис. 8.1.1. Высокий уровень напряжения соответствует логической единице, а низкий – логическому нулю.
Передаточная характеристика инвертора на рис. 8.1.1 имеет три области. Область I соответствует логической единице на выходе, область III – логическому нулю. Область II является переходной. В этой области инвертор работает как усилитель.
Рис. 8.1.1
Заметим, что высокий уровень напряжения на выходе инвертора не зависит от точного значения входного напряжения, пока последнее не превысит величину 
. Таким образом, 
– это максимальное значение входного напряжения, соответствующее логическому нулю. Точно так же низкий уровень выходного напряжения не зависит от величины входного напряжения, если оно остается больше величины 
. Следовательно, 
– это минимальное значение входного напряжения, соответствующее логической единице.
Пример. Построить передаточную характеристику инвертора на биполярном транзисторе (рис. 8.1.2, а). Параметры элементов схемы: 
.
Решение. Рассмотрим два режима работы транзистора: насыщения и отсечки.
. При этом 
и напряжение на выходе 
.
. Ток коллектора
.
Ток базы
.
а б
Рис. 8.1.2
Напряжение логической единицы на входе
.
Итак, 
, 
, 
, 
. Передаточная характеристика инвертора показана на рис. рис. 8.1.2, б.
Простейший инвертор на биполярном транзисторе показан на рис. 8.1.3. Резистор 
в цепи базы служит для задания необходимого тока базы. Резистор 
является внутренней нагрузкой ключа, а резистор 
– его внешней нагрузкой. Величина внешней нагрузки может меняться в широких пределах. При 
ключ работает в режиме холостого хода. Предельной нагрузкой, при которой ключ еще должен сохранять свои параметры, считают величину 
.
Схема, показанная на рис. 8.1.3, отличается малой мощностью, затрачиваемой на управление состоянием ключа, и малым напряжением на ключе в открытом состоянии.
Рис. 8.1.3
Рассмотрим статический (по постоянному току) и динамический режимы работы ключа.
В статическом режиме ключ может быть закрыт (транзистор находится в режиме отсечки) либо открыт (транзистор находится в режиме насыщения). Ключ закрыт, когда напряжение на входе меньше напряжения логического нуля 
. Для кремниевого транзистора оно составляет 0.4–0.5 В.
Если входное напряжение равно нулю, транзистор находится в состоянии отсечки. В этом режиме 
, 
. Сопротивление закрытого ключа составляет сотни кОм.
Если на входе действует импульс напряжения такой величины, чтобы транзистор находился в режиме насыщения, то ток базы
.
В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении и ток коллектора возрастает до наибольшего значения:
.
Напряжение 
в режиме насыщения составляет 0.2–0.3 В, а выходное сопротивление – несколько десятков ом. Для насыщения транзистора необходимо, чтобы ток базы стал больше минимального значения, при котором начинается насыщение транзистора:
.
Глубину насыщения транзистора характеризуют коэффициентом (степенью) насыщения, который определяет, во сколько раз реальный ток базы превосходит минимальное значение, при котором имеет место режим насыщения:
.
Величину коэффициента насыщения выбирают от 1.5 до 3.
Транзистор должен входить в режим насыщения, когда входное напряжение превышает напряжение логической единицы 
. Для ключей на биполярных транзисторах 
.
Основной статической характеристикой транзисторного ключа служит передаточная характеристика – зависимость его выходного напряжения от входного. Она приведена на рис. 8.1.4. Рабочими являются участки переходной характеристики, соответствующие отсечке и насыщению.
Рис. 8.1.4
Пример расчета инвертора на БТ. Рассчитать сопротивление в цепи базы транзисторного ключа на рис. 8.1.3, при котором транзистор находится в состоянии насыщения. Значения элементов:
, 
, 
, 
. Коэффициент насыщения 
.
Решение. Поскольку транзистор находится в состоянии насыщения, 
. Ток коллектора
.
Минимальный ток базы, при котором транзистор переходит в насыщение,
.
Сопротивление резистора в цепи базы, обеспечивающее коэффициент насыщения 
,
.
Переходные процессы в ключах на биполярных транзисторах определяются следующими причинами.
Рассмотрим упрощенно процессы в транзисторе при действии на входе прямоугольного импульса (рис. 8.1.5). На интервале времени 
ключ закрыт. Процесс открывания ключа можно разделить на три этапа: задержка фронта, формирование фронта и накопление избыточного заряда в базе.
Задержка фронта коллекторного тока 
– это интервал времени между моментом начала действия импульса и моментом, когда ток коллектора достигает значения, равного 
. Задержка фронта обусловлена зарядом барьерной емкости эмиттерного перехода.
С момента начала отпирания транзистора начинается формирование фронта выходного импульса (интервал 
на рис. 8.1.4). Когда ток коллектора достигает уровня 
, напряжение на коллекторе уменьшается до величины 
. Ток базы достигает величины 
и продолжает увеличиваться, а в базе происходит накопление неосновных носителей.
Рис. 8.1.5
Общее время включения 
складывается из времени задержки и длительности фронта:
.
После окончания действия входного импульса начинается рассасывание избыточного заряда в базе. За счет этого коллекторный ток не меняется в течение времени 
. Затем начинается спад коллекторного тока. Одновременно растет напряжение коллектора. Общая длительность выключения
.
Здесь 
– время спада коллекторного тока.
Для уменьшения задержки, связанной с перезарядкой емкостей биполярного транзистора, сопротивление резисторов выбирают небольшим (порядка нескольких килоом). Однако основным фактором, ограничивающим быстродействие ключа на рис. 8.1.2, является насыщение транзистора. Время рассасывания 
существенно превышает остальные временные интервалы. Поэтому для увеличения быстродействия ключа используют различные способы предотвращения глубокого насыщения транзистора.
Для исключения глубокого насыщения транзистора коллекторный переход шунтируют диодом Шоттки (рис. 8.1.6), имеющим малое время переключения, низкое напряжение отпирания (0.2–0.3 В) и малое сопротивление в открытом состоянии.
Когда транзистор открыт и находится в активном режиме, напряжение коллектор-база положительно (
), и к диоду приложено обратное напряжение. С ростом коллекторного тока напряжение на коллекторном переходе уменьшается и диод открывается. Последующее увеличение тока базы приводит к увеличению тока через диод. Поскольку напряжение отпирания диода Шоттки меньше напряжения отпирания коллекторного перехода, последний остается закрытым и накопление неосновных носителей в базе транзистора не происходит.
Таким образом, увеличение быстродействия транзисторного ключа с диодом Шоттки происходит в результате уменьшения времени нарастания тока коллектора при включении и времени рассасывания при выключении. Следует заметить, что выходное напряжение такого ключа в открытом состоянии больше, чем напряжение насыщенного ключа.
Изготавливаются диоды Шоттки на общем кристалле одновременно
с остальными элементами в едином технологическом процессе. Транзисторы с диодами Шоттки часто называют транзисторами с барьером Шоттки или транзисторами Шоттки.