Сравнение схем ключей на биполярных и полевых транзисторах

А.М. ЛАНСКИХ

ЭЛЕКТРОННЫЕ

УСТРОЙСТВА

Киров 2012

УДК

ББК хх.хх

Л хх

Рекомендовано к изданию методическим советом

ФАВТ ФГБОУ ВПО «ВятГУ»

Допущено редакционно-издательской комиссией методического совета ФГБОУ ВПО «ВятГУ» в качестве учебного пособия для студентов специальности 220201 «Управление и информатика в технических системах» всех форм обучения

В издании излагаются принципы действия, области применения и методы расчета основных элементов схем и устройств аналоговой и импульсной техники в дискретном и интегральном исполнении.

© ФГБОУ ВПО «ВятГУ», 2012

ISBN ххх-хххх-хх-х-х

ВВЕДЕНИЕ

Современное развитие различного рода автоматических устройств и автоматизированных систем во всех сферах человеческой деятельности было бы невозможно без электронной техники, которая позволяет создавать наиболее надежные, миниатюрные, дешевые, быстродействующие элементы и устройства. Разработка, внедрение и использование электронных устройств невозможны без знания принципов построения, особенностей функционирования и технических характеристик электронных элементов, схем и систем. В связи с этим дисциплина «Электронные устройства» занимает важное место в системе подготовки специалистов по специальности 220201 «Управление и информатика в технических системах» и является одной из базовых дисциплин в процессе подготовки студентов к производственной и исследовательской работе в области создания средств и систем автоматики, автоматизированного управления технологическими процессами и гибкими производствами.

В процессе изучения дисциплины «Электронные устройства» студент должен:

· усвоить знания структур, принципов действия, областей применения и методов расчета основных элементов схем и устройств аналоговой и импульсной техники в дискретном и интегральном исполнении;

· получить умение выполнять проектно-конструкторские и расчетные работы по созданию и внедрению в эксплуатацию устройств и систем электроники.

Основной трудностью при изучении данной дисциплины является многоплановость рассматриваемого материала и большой его объем. Поэтому успешное освоение курса невозможно без самостоятельной работы с рекомендуемой литературой и творческого отношения к выполнению заданий. Для успешного освоения курса требуется не только понимание физической сущности процессов, происходящих в схемах и устройствах, но и знания по следующим дисциплинам: высшей математике, физике, электротехнике, программированию, инженерной и компьютерной графике, электрическим измерениям, электронике.

Глава 1. Электронные ключевые элементы и устройства

1.1. Основные понятия

Под ключом понимают элемент, который под воздействием управляющих сигналов осуществляет различные коммутации: включение и выключение пассивных и активных элементов, источников питания и т.д.

Электронный ключ можно считать известной аналогией механического ключа (рис. 1.1).

Рис. 1.1	Рис. 1.2

Ключевой элемент данной схемы (ключ S) замыкается и размыкается под действием внешней силы P. Если считать, что ключ S идеален, т.е. его сопротивление в замкнутом состоянии равно нулю , а в разомкнутом бесконечно велико , то напряжение, действующее на выходе цепи , принимает следующие значения:  при разомкнутом ключе;  при замкнутом ключе. Считая, что точка 1 – точка на ВАХ цепи при разомкнутом ключе, а точка 2 – точка на ВАХ цепи при замкнутом ключе, положение этих точек можно получить, построив нагрузочную прямую методом холостого хода или короткого замыкания (рис. 1.2). При этом ось ординат можно рассматривать как ВАХ замкнутого ключевого элемента, а ось абсцисс – как ВАХ разомкнутого ключевого элемента. Амплитуда изменения напряжения на нагрузке или на ключе равна разности абсцисс точек 1 и 2: . Коэффициент использования напряжения питания для идеального ключа .

Кроме рассмотренных двух статических состояний - включен (замкнут) и выключен (разомкнут) – ключевой элемент имеет два динамических состояния перехода: из включенного состояния в выключенное состояние и из выключенного состояния во включенное состояние, характеризуемые соответствующими временами:  - время перехода из включенного состояния в выключенное состояние и  - время перехода из выключенного состояния во включенное состояние. Для рассматриваемого идеального ключа .

В действительности даже механический ключ не является идеальным. Он имеет сопротивление  во включенном состоянии и сопротивление  в выключенном состоянии. При анализе цепи с замкнутым ключом указанный ключ можно заменить сопротивлением ; при анализе цепи с разомкнутым ключом ключ можно заменить сопротивлением .

Режим включения соответствует точке пересечения 2 нагрузочной прямой с ВАХ включенного ключа (рис. 1.3). Однако при неидеальном ключе эта характеристика уже не совпадает с осью ординат, а изображается наклонной прямой, наклон которой зависит от .
	Рис. 1.3

Аналогично, точка 1 получается в результате пересечения нагрузочной прямой с прямой . В данном случае , , т.е.  и .

1.2. Ключи на биполярных транзисторах

Схема простейшего транзисторного ключа изображена на рис. 1.4. Здесь входной управляющий сигнал , задающий базовый ток транзистора, выполняет ту же функцию, что и сила P в схеме на рис. 1.1, а сам транзистор VT выполняет функцию ключевого элемента S. При положительной полярности входного
	Рис. 1.4

сигнала транзистор заперт, в его выходной цепи течет только малый ток . При отрицательной полярности входного сигнала в базовой цепи транзистора создается ток, достаточный для его насыщения.

Используя выходные ВАХ запертого и насыщенного транзистора, с помощью построений, приведенных на рис. 1.5, определяем положение точек 1 и 2. Как и ранее, точка 1 соответствует выключенному состоянию ключа (в данном случае транзистора
	Рис. 1.5

VT), точка 2 – включенному состоянию ключа, т.е. насыщенному транзистору.

Как следует из рис. 1.5, напряжение  близко к напряжению питания Е. Напряжение  численно равно напряжению  на коллекторе насыщенного транзистора. Поскольку значение  мало, то амплитуда изменения напряжения на нагрузке при переключении близка к Е, т.е. коэффициент  близок к единице. В этом смысле ключ на биполярном транзисторе близок к идеальному.

Данный простейший ключ должен управляться знакопеременным напряжением на входе . Транзистор p-n-p-типа запирается при действии положительной полуволны входного сигнала и насыщается при действии отрицательной полуволны. Однако условия запирания и насыщения транзистора в схеме будут обеспечены только при определенных соотношениях между параметрами входящих в схему элементов. Выявление этих условий обеспечения статических состояний ключа и является первой задачей анализа ключевого каскада.

Если транзистор заперт, то его ток (как входной, так и выходной) мал и равен . Этот ток в схеме протекает от положительного зажима источника входного сигнала через сопротивление , коллекторный переход запертого транзистора, сопротивление  к отрицательному зажиму источника питания . Далее он замыкается через источник питания  и источник входного сигнала. Условие запирания транзистора в схеме с общим эмиттером имеет вид . Для получения минимально возможного выходного тока  требуется создать положительное напряжение на базе транзистора. Уравнение для базовой цепи, соответствующее второму закону Кирхгофа, имеет вид , где  - амплитуда положительной полуволны входного сигнала . Отсюда . Условие  равносильно  или . Указанное условие должно выполняться во всем диапазоне рабочих температур ключевого каскада, включая максимальную температуру, при которой ток  максимален и равен . Тогда . Это выражение является условием надежного запирания транзистора в ключевом каскаде. При его выполнении токи транзистора и напряжения на его электродах можно найти из следующих соотношений: ; ; ; . Ток нагрузки также равен , напряжение на нагрузке  определяется равенством . Так как значение тока  мало, особенно для кремниевых транзисторов, то им иногда пренебрегают. При  можно считать, что ; ; ; .

Эквивалентная схема каскада при действии отрицательной полуволны входного напряжения приведена на рис. 1.6. Предполагается, что транзистор насыщен и для его входной и выходной цепей использованы простейшие схемы замещения: отрезки база – эмиттер и коллектор – эмиттер стянуты в точки.
	Рис. 1.6

Для входной цепи по закону Ома . Для выходной коллекторной цепи . Условие насыщения транзистора в общем виде записывается как , где  - коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером. Подставляя в это условие найденные значения  и , получаем , откуда . В частном случае, когда , это условие упрощается и принимает вид . Это условие насыщения транзистора в ключевом каскаде. Условие насыщения должно выполняться для всех значений коэффициента  транзистора выбранного типа, включая и минимально возможное. С учетом этого условие для расчета  может быть записано следующим образом: . Транзистор будет насыщен, если это условие выполнено. Однако этот случай соответствует границе насыщенного режима. Незначительные изменения параметров схемы (увеличение  или уменьшение ) могут привести к выходу транзистора из режима насыщения. Поэтому граничное значение  обычно не используют, а берут несколько меньшие значения , создавая тем самым некоторый запас по степени насыщения транзистора. Степень насыщения транзистора оценивается коэффициентом насыщения . Смысл коэффициента насыщения  состоит в следующем. Пусть  - значение коллекторного тока насыщенного транзистора. Из условия насыщения  получаем, что для насыщения транзистора при заданном токе  достаточно создать ток базы . Этот ток называют базовым током насыщения. Естественно, что транзистор будет насыщен и при . Отношение  и называется коэффициентом насыщения. На границе насыщенного режима ; в области насыщения ; значений  быть не может, так как это свидетельствует о том, что транзистор не насыщен. Используя коэффициент насыщения, соотношение для выбора  можно записать в виде . Обычно стараются создать ; при больших коэффициентах насыщения статические состояния ключа (включено - выключено) также обеспечиваются, однако при этом снижается быстродействие каскада. Считая, что условие насыщения выполняется, можно записать значения напряжений и токов на элементах ключевого каскада: ; ; ; ; ; .

Амплитуда изменения напряжения на нагрузке равна разности уровней выходного напряжения для запертого и насыщенного режимов работы транзистора: . Соответственно амплитуда изменения тока в нагрузке при переключении .

Переходные процессы при переключении

Как уже отмечалось, транзистор является инерционным прибором, и переход ключевого каскада из включенного состояния в выключенное и наоборот происходит не мгновенно.

Будем считать, что входное напряжение  имеет идеально крутые перепады (рис. 1.7а). Рассмотрение переходных процессов начнем с интервала времени, который предшествует окончанию положительной полуволны входного сигнала. В это время транзистор заперт:  (рис. 1.7б);  (рис. 1.7в);  (рис. 1.7г);  (рис. 1.7д).
	Рис. 1.7

Далее входное напряжение скачком изменяется и принимает значение . Базовый ток транзистора задается резистором . По закону Ома ток  и потому также скачком принимает значение .

Отпирающий (вытекающий) ток базы положителен (рис. 1.7б). Напряжение на базе транзистора при отпирающем токе базы мало (рис. 1.7в). Транзистор переходит из режима отсечки в активный режим. Инерционность транзистора в активном режиме оценивается его постоянной времени . Коллекторный ток транзистора начинает возрастать, стремясь к уровню  с постоянной времени . В ключевом режиме при  уровень  не может быть достигнут, так как раньше коллекторный ток достигнет своего предельного значения , ограниченного значением сопротивления коллекторной цепи каскада. Дальнейшее изменение коллекторного тока прекращается, и он принимает максимально возможное значение для данного каскада. Транзистор переходит из активного режима в насыщенный режим. Напряжение на его коллекторе принимает малое значение . Время изменения выходного напряжения каскада от значения  до значения  называется временем включения каскада . Учитывая экспоненциальный характер изменения коллекторного тока на этапе включения (рис. 1.7г), время включения можно выразить как . При большом управляющем токе  степень насыщения  транзистора велика. При большом  значение  оказывается малым. Известно, что для малых значений  справедливо соотношение . Применяя это приближенное соотношение, получим . Время включения каскада тем меньше, чем выше быстродействие используемого в каскаде транзистора, т.е. чем выше его граничная частота или чем меньше его постоянная времени . Кроме того, время включения  зависит и от режима использования транзистора, т.е. от степени насыщения  транзистора во включенном состоянии. Чем больше , тем меньше .

После окончания интервала  транзистор насыщается. Его насыщение вызовет отпирание коллекторного перехода транзистора, который в активном режиме был смещен в обратном направлении. Начинается накопление заряда в базе насыщенного транзистора. Внешне, на графиках коллекторного тока и напряжения, процесс накопления не отражается. Через время  процесс накопления заряда закончится: в базе накоплен установившийся заряд дырок, соответствующий заданному значению отпирающего базового тока . Транзистор окажется в статическом насыщенном режиме: ; ; ; . Каких-либо изменений токов, напряжений или зарядов в транзисторе до окончания действия отрицательной полуволны входного сигнала уже не будет.

Далее входное напряжение  скачком изменяется от  до  (рис. 1.7а). В силу накопления большого избыточного заряда неосновных носителей в базе транзистор в течение некоторого времени после изменения входного напряжения остается насыщенным и потому проводящим. По закону Ома входной ток  примет значение . Так как этот ток теперь является втекающим, изменившим направление, то на графике базового тока (рис. 1.7б) он имеет отрицательное значение. Запирающий базовый ток  начинает рассасывание избыточного заряда в базе транзистора. Степень насыщения транзистора уменьшается. Транзистор выйдет из режима насыщения только спустя время  после скачка входного напряжения. Поэтому время рассасывания  иногда называют временем задержки выключения каскада. Время рассасывания  тем меньше, чем большее значение запирающего тока базы создает положительная полуволна входного сигнала, и чем меньше степень насыщения транзистора во включенном состоянии.

Таким образом, требования к выбору степени насыщения  транзистора оказываются противоречивыми: для уменьшения времени  включения степень насыщения  желательно увеличивать, однако при этом увеличивается время рассасывания .

После завершения процесса рассасывания транзистор ключевого каскада переходит в активный режим. Начинается формирование среза выходного импульса напряжения. На этом этапе происходит два процесса: уменьшение коллекторного тока до его отсечки и заряд коллекторной емкости  через  от источника питания . Процесс уменьшения коллекторного тока от  до  происходит быстро, особенно при большом запирающем токе базы. Длительность этого процесса составляет лишь малую долю от длительности среза выходного импульса. Существенно большую длительность имеет процесс заряда емкости . После отсечки коллекторного тока эта емкость продолжает заряжаться от источника питания  через . Так как транзистор при этом заперт и практически не шунтирует цепь заряда, то постоянная времени этой цепи с учетом емкости нагрузки  равна . Длительность среза импульса напряжения на коллекторе транзистора . Общее время выключения равно .

Таким образом, в отличие от входного выходное напряжение ключевого каскада:

- имеет конечные длительности фронта и среза, соответствующие значениям  и ;

- моменты переключения выходного напряжения не совпадают с моментами переключения входного напряжения (время задержки выключения каскада равно );

- выходное напряжение однополярно, т.е. принимает только отрицательные значения от  до  или приближенно от  до ;

- выходное напряжение противофазно входному напряжению, поскольку при изменении входного сигнала от  до  выходное напряжение изменяется от  до .

Разновидности ключевых каскадов на биполярных транзисторах

Рассмотренная простейшая схема транзисторного ключа (рис. 1.4) имеет целый ряд недостатков. К ним можно отнести:

- необходимость использования биполярного сигнала для управления, что затрудняет сопряжение однотипных ключей, так как выходной сигнал ключа однополярный;

- стремление к сокращению времени  включения за счет более глубокого насыщения транзистора приводит к увеличению времени рассасывания  и, как следствие, к увеличению времени , т.е. к снижению быстродействия ключа;

- зависимость длительности фронта и среза выходных импульсов от степени насыщения транзистора, т.е. при прочих равных условиях от коэффициента усиления транзистора по току . Так как значения  у транзисторов одной группы имеют существенный разброс, то значения  и  при смене транзистора будут изменяться, что создает дополнительные трудности при серийном производстве аппаратуры.

Для устранения этих недостатков применяют усовершенствованные схемы ключевых каскадов.

Ключевой каскад с внешним источником смещения (рис. 1.8). Входной сигнал ключа, управляющий работой ключа, может быть однополярным.

При нулевом или небольшом отрицательном значении входного сигнала  транзистор ключевого каскада заперт, при появлении достаточно большого отрицательного напряжения – насыщен. Положительное напряжение на базе, необходимое для обеспечения запертого состояния транзистора, создается не внешним управляющим сигналом, а источником постоянного напряжения смещения , питающего базовую цепь каскада.
	Рис. 1.8

Будем считать, что входной сигнал имеет форму прямоугольных импульсов с нулевым начальным уровнем, отрицательную полярность и амплитуду .

При отсутствии входного импульса транзистор должен быть заперт, во время действия импульса – насыщен.

При отсутствии входного импульса, когда напряжение на входных зажимах равно нулю и зажимы в силу малости выходного сопротивления источника входных импульсов можно считать короткозамкнутыми, транзистор должен быть заперт. Базовая цепь транзистора для этого случая показана на рис. 1.9. Для определения напряжения на базе запертого транзистора используем теорему об эквивалентном генераторе. Для этого источник напряжения смещения  и делитель , т.е. элементы, выделенные на рис. 1.9. пунктиром, заменим по отношению к участку база – эмиттер транзистора эквивалентным источником напряжения с ЭДС  и эквивалентным сопротивлением . Полученная в результате такого преобразования схема приведена на рис. 1.10.

Рис. 1.9	Рис. 1.10

Уравнение для этой цепи, соответствующее второму закону Кирхгофа, запишется в виде  или . Условие запирания транзистора имеет вид . В данном случае . Подставляя известные значения  и , полученное неравенство можно переписать в виде

,

откуда . Данное условие должно выполняться при всех значениях обратного тока транзистора, в том числе и при , что соответствует максимальной рабочей температуре устройства. Условие  является условием надежного запирания транзистора в ключевом каскаде с внешним источником смещения. Если указанное условие выполнено, то каскад характеризуется следующими параметрами:

; ;

; .

Заметим, что при использованных допущениях значение сопротивления , связывающее базу транзистора с источником управляющих импульсов, не входит в условие запирания. Вызвано это следующим обстоятельством: при уменьшении значений  запирающее напряжение на базе транзистора уменьшается, однако при этом уменьшается и значение , на котором ток  создает напряжение, снижающее плюс на базе транзистора. По этой причине условие запирания можно выполнить в широком диапазоне значений . Однако значение  строго регламентируется исходя из условий обеспечения второго статического состояния транзистора – условия насыщения.

Транзистор будет насыщен при действии на входных зажимах импульса напряжения отрицательной полярности . Заменяя входную и выходную цепи насыщенного транзистора простейшими статическими схемами замещения, каскад с таким транзистором можно привести к виду, показанному на рис. 1.11.
	Рис. 1.11

Как следует из этой эквивалентной схемы, базовый ток насыщенного транзистора равен алгебраической сумме тока , создаваемого входным импульсом, и тока , создаваемого источником смещения . Ток  является вытекающим из базы (положительным), ток  - втекающим (отрицательным). Поэтому . По закону Ома ; . Тогда . Коллекторный ток насыщенного транзистора  ограничен значением коллекторного сопротивления . Как уже отмечалось, условие насыщения транзистора в схеме с общим эмиттером имеет следующий вид . Подставляя найденные значения  и  в это условие, получаем . Отсюда . При  это неравенство принимает вид . Условия для определения ,  и , выведенные ранее, справедливы и для рассматриваемого ключевого каскада.

Ключевой каскад с ускоряющим конденсатором в базовой цепи. Уже отмечалось, что в простейшем транзисторном ключе (рис. 1.4) увеличение базового тока, насыщающего транзистор, приводит к уменьшению , но вызывает одновременно увеличение  и, как следствие, увеличение . Последний недостаток можно уменьшить, сделав базовый ток не постоянным в течение действия отпирающей полуволны входного сигнала, а изменяющимся. Во время включения каскада базовый ток должен быть большим, чтобы уменьшить . Перед выключением транзистора, т.е. перед появлением положительной, запирающей полуволны входного сигнала, базовый ток должен лишь немного превышать уровень , чтобы уменьшить .

Эти соображения по созданию изменяющегося тока базы реализованы в ключевом каскаде, схема которого приведена на рис. 1.12. В ней резистор  разделен на два  и , а резистор  зашунтирован ускоряющим (форсирующим) конденсатором  небольшой емкости. Входной сигнал, как и для простейшего ключевого каскада, имеет форму, изображенную на рис. 1.13, с амплитудой  и длительностью , существенно превышающей как  и , так и постоянную времени заряда и разряда форсирующего конденсатора .

Рис. 1.12	Рис. 1.13

При действии положительной полуволны входного напряжения транзистор заперт. В его базовой цепи протекает ток . Этот ток создает на резисторе  падение напряжения . Напряжение на конденсаторе  равно напряжению на резисторе , т.е. .

Отрицательная полуволна входного напряжения отпирает транзистор. После скачка входного напряжения базовый ток транзистора ограничен только значением сопротивления : . По мере заряда конденсатора  базовый ток уменьшается, стремясь к установившемуся уровню  с постоянной времени . Через интервал времени  базовый ток примет установившееся значение. Для того, чтобы насыщенный режим работы транзистора сохранялся до окончания отрицательной полуволны, необходимо обеспечение неравенства , однако в данном случае  может лишь немного превышать .

В рассматриваемом ключевом каскаде включение транзистора производится большим базовым током . Непосредственно перед выключением базовый ток мал, и степень насыщения  транзистора невелика. После изменения полярности входного сигнала напряжение на конденсаторе , равное , будет складываться с напряжением положительной полуволны, увеличивая запирающий ток базы, что приведет к ускорению процесса выключения. Именно поэтому конденсатор  и называется форсирующим. После выключения транзистора его входное сопротивление оказывается очень большим. На конденсаторе  еще существует остаточное напряжение. Он начнет разряжаться через резистор . Емкость форсирующего конденсатора  должна быть, с одной стороны, достаточно большой, чтобы создать значительное приращение базового тока в течение всего времени включения транзистора, но, с другой стороны, не очень большой, чтобы емкостная составляющая тока успела уменьшиться до нуля при длительности отрицательной полуволны , а в течение длительности положительной полуволны конденсатор успевал бы разрядиться, т.е. ; . С учетом последнего, более жесткого неравенства .

Этот же принцип повышения быстродействия ключа можно использовать и в ключевом каскаде с внешним источником смещения (рис. 1.8).

Ключевой каскад с цепью нелинейной отрицательной обратной связи. Рассмотренные схемы ключевых каскадов, обладая существенным достоинством - большим, приближающимся к единице коэффициентом использования питающего напряжения , в то же время имеют и недостаток - большую задержку выключения. В ключевых каскадах с форсирующим конденсатором (рис. 1.12) этот недостаток только ослаблен, но не устранен, так как перед выключением , и выключение, как и в других схемах, начинается с этапа рассасывания неосновных носителей. Этап рассасывания, а, следовательно, и задержку включения можно было бы устранить, если создать транзистору во включенном состоянии не насыщенный, а активный режим работы. Однако непосредственное использование активного режима транзистора в схеме рис. 1.4 вызывает новые трудности. Дело в том, что в активном режиме транзистора . Остаточное напряжение на выходе включенного каскада . Остаточное напряжение может быть значительным, что приводит к уменьшению амплитуды выходного импульса и снижению коэффициента . Но этот недостаток не единственный. Более существен тот факт, что  зависит от коэффициента усиления  транзистора. Если отпирающий ток , создаваемый входным источником сигнала неизменен, то ток  оказывается прямо пропорционален . Соответственно напряжение  будет тем меньше, чем больше . Так как разброс значений  биполярных транзисторов велик, то повторяемость выходных параметров ключевого каскада оказывается неудовлетворительной. Даже в том случае, когда осуществляется индивидуальная подстройка режимов каскадов по уровню , например за счет регулировки включающего тока  путем подбора значений , что само по себе крайне нежелательно при серийном производстве аппаратуры, температурные отклонения  приведут к разбросу значений  в заданном диапазоне температур. Поэтому ненасыщенный режим транзистора в простейшей схеме включения (рис. 1.4) обычно не используют, а применяют каскады с дополнительными цепями обратной связи, стабилизирующими выходное напряжение в широком диапазоне изменения . Для повышения значений коэффициента  остаточное напряжение на выходе включенного каскада стараются поддерживать малым. Желательно, чтобы транзистор работал в ненасыщенном режиме, но на грани насыщения. Амплитуда выходного импульса в этом случае получается почти такой же, как в ключевом каскаде с насыщенным транзистором, но задержка выключения отсутствует.

Принципиальная схема ключевого каскада на ненасыщенном транзисторе с цепью нелинейной отрицательной обратной связи показана на рис. 1.14. В базовую цепь транзистора VT последовательно с
	Рис. 1.14

 включен дополнительный источник постоянного напряжения (батарея) . Напряжение  мало - порядка 1В. Между отрицательным полюсом этой батареи и коллектором VT включен диод нелинейной обратной связи VD.

Входной сигнал  как и в схеме рис. 1.4, биполярный с амплитудой каждой из полуволн . Во время действия положительной полуволны входного сигнала транзистор VT и диод VD заперты. На выходе каскада установится уровень напряжения , где  обратный ток запертого диода VD. Так как  и  малы, выходное напряжение можно считать равным . Напряжение в точке а, соответствующей отрицательному полюсу источника , равно  Видим, что . Запирающее напряжение на диоде равно . Запирающее напряжение на базе VT равно . Пренебрегая обратным током запертого диода , можно считать, что введение дополнительных элементов практически не изменило режим выходной цепи транзисторного ключа при запертом транзисторе.

С появлением отрицательной полуволны входного напряжения транзистор включается и напряжение на его коллекторе уменьшается. Поскольку уменьшение напряжения происходит не мгновенно, а с постоянной времени , то в течение времени включения напряжение на коллекторе еще отрицательно, диод заперт этим напряжением по аноду и не влияет на значение включающего базового тока . Коллекторный ток возрастает, напряжение на коллекторе с той же постоянной времени  стремится к нулю. Напряжение в точке а относительно корпуса устройства можно считать равным . В процессе включения каскада напряжение на коллекторе VT не сможет достичь нулевого значения: когда отрицательное напряжение на коллекторе превысит уровень  отпирается диод VD, который фиксирует напряжение на коллекторе включенного транзистора. Остаточное напряжение на коллекторе , где  напряжение отсечки открытого диода VD. Используя найденное значение , получаем . Напряжение на коллекторе зафиксировано на малом уровне , лишь немного превышающем значение .

Отпирание диода VD приводит не только к фиксации коллекторного напряжения, но и к существенному уменьшению базового тока транзистора. Дело в том, что после отпирания диода VD напряжение в точке а схемы практически не изменилось, оно по-прежнему определяется равенством . Поэтому ток, протекающий через , также не изменился: . Если до включения диода весь этот ток замыкался через базу транзистора, то теперь он оказывается равным сумме двух токов - тока базы и тока включенного диода, т.е. базовый ток уменьшился на ток включенного диода.