Методы сокращения длительности переходных процессов

Рассмотрение переходных процессов показывает, что при увеличении импульса тока базы, открывающего транзистор, уменьшается длительность положительного фронта, но транзистор попадает в область глубокого насыщения. Ток в момент выключения также желательно увеличивать, так как это способствует более быстрому рассасыванию заряда. Таким образом, желательно иметь форму базового тока, показанную на рис.3б.

Хорошее приближение к такой форме дает включение в базовую цепь ускоряющего (форсирующего) конденсатора С_у (рис.3а), который позволяет увеличить токи базы и на короткий промежуток времени, в то время как стационарные токи базы практически не меняются.

При отпирании ключа вместо тока

в первый момент будет протекать существенно больший ток

.

Аналогично при запирании ключа в начальный момент вместо тока будет протекать гораздо больший ток .

Форма базового тока показана на рис.3в. Она имеет вид экспоненциальных выбросов тока, как для дифференцирующей цепи. Емкость форсирующего конденсатора С_у выбирают такой, чтобы постоянная времени

.

Необходимо обратить внимание на следующее. После запирания транзистора базовый ток падает до нуля, конденсатор С_у не успевает перезарядиться. На базе транзистора окажется дополнительное динамическое (временное) смещение, которое накладывается на статическое смещение - U_бЗак. Это динамическое смещение затем уменьшается по мере разряда конденсатора через резистор R_б.

Так как постоянная времени перезаряда конденсатора при запирании транзистора (СR_б) больше, чем при его отпирании (Сr_б), то очередной отпирающий импульс может поступить раньше, чем уменьшится до нуля напряжение этого динамического смещения. Соответственно задержка и длительность положительного фронта увеличатся.

Для устранения этого явления используют диодную фиксацию базового потенциала, для чего в цепь базы включают дополнительный диод (рис.3а - пунктир). Он отпирается при подаче запирающего напряжения на базу транзистора. При этом конденсатор С_у быстро разряжается через сопротивление диода, смещенного в прямом направлении, и внутреннее сопротивление R_Г источника R_г. Кроме того, диодная фиксация базового потенциала уменьшает базовое напряжение закрытого транзистора.

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 отрицательную обратную связь так, как это показано на рис.4а. Основной смысл введения обратной связи заключается в фиксировании потенциала коллектора относительно потенциала базы. При этом транзистор находится на границе насыщения.

При достаточно больших напряжениях на коллекторе диод закрыт, и цепь обратной связи отключена. При открывании транзистора ток коллектора увеличивается, и потенциал коллектора падает. Диод откроется, когда напряжение на диоде станет равным пороговому: U_кб = U_к - U_бэ = U_пор.. (Для ненасыщенного режима U_кб > 0).

Диод отпирается при токе коллектора

,

С момента открытия диода ток управления ключом замыкается на коллектор. При этом дальнейший прирост входного тока I_вх равен

D I = D I_б + I_д.

При открытом диоде приращение коллекторного тока D I_к идет практически полностью через низкоомную цепь диода (а не через высокоомную цепь R_к), т.е.

I_д = D I_к = bD I_б.

Таким образом, приращение входного тока равно

D I = D I_б + bD I_б.

Отсюда приращение тока базы D I_б =D I /(1+b).)

В итоге, избыточный заряд, накапливаемый в базе транзистора, много меньше, чем при включении его в схему насыщенного ключа. При подаче отрицательного управляющего напряжения Е^о диод запирается. Практически сразу же начинается отрицательный фронт, т.к. избыточный заряд в базе близок к нулю и стадия рассасывания заряда почти отсутствует.

Если бы диод был идеальным и открывался при близком к нулю прямом напряжении, то источник смещения Е_ф можно было бы не подключать. Учитывая, что диод открывается только при напряжении U =0.5¼0.8 В, приложенном в прямом направлении, ЭДС источника смещения выбирают порядка Е_ф = 0.4¼0.6 В.

В этой схеме источник смещения Е_ф должен быть изолирован от ”земли”. Для того, чтобы реализовать ЭДС, изолированную от "земли", вводят небольшое сопротивление r (см. рис.4б), такое что r×I_Бнас ³ Е_ф» U_пор.

Сопротивление r должен иметь небольшое значение, т.к. в противном случае увеличиваются времена включения и выключения транзистора. Однако при небольшой величине базового тока довольно трудно обеспечить r меньше 1 кОм. В этом случае включают дополнительный источник базового смещения Е_б. Это увеличивает ток через резистор r, в результате удается обеспечить необходимую величину Е_ф даже при небольших значениях r.

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 о.с. будет незначителен.

Для получения максимального быстродействия используют диоды Шотки (рис.4в). Они имеют малое время восстановления (не превышает 0.1 нс), низкое напряжения отпирания (около 0.25 В) и малое сопротивление в открытом состоянии (около 10 Ом). При применении диодов Шотки отпадает необходимость во введении дополнительного напряжения смещения. Это обусловлено тем, что диод отпирается при более низком напряжении между коллектором и базой, когда транзистор еще находится на границе активного режима.

Недостатки ненасыщенного транзисторного ключа, обусловленные особенностями его режима, следующие:

1) падение напряжения U_кэ на открытом ключе больше, чем в насыщенном режиме;

2) ТК имеет плохую помехоустойчивость к воздействию импульсного сигнала. Скачки напряжения питания Е_к могут приводить к переключению ключа при открытом транзисторе. Это объясняется тем, что сопротивление ненасыщенного ключа сравнительно велико: (у насыщенного ключа ). Поэтому скачки напряжения питания проходят через диода на базу и дают кратковременные ”пики” на базе и коллекторе. Величина этих ”пиков” определяется соотношением сопротивлений и , образующих плечи делителя напряжения. В результате уменьшается помехоустойчивость ключа.

3) температурная стабильность ненасыщенного ключа значительного хуже, чем у насыщенного.

/ 8.1(1), 8.1(3), 8.2(4), 8.2(5) /

 

Контрольные вопросы

1. Основные группы базовых элементов логических ИМС.

2. Транзисторно-транзисторные элементы.

3. Для чего используются электронные ключи (ЭК)?

4. Различие режимов работы ключа.

5. Переходные процессы в транзисторном ключе

6. Форма базового тока.

7. Ненасыщенные ключи.

8. Основные недостатки ненасыщенного транзиторного ключа.

 

Лабораторная работа № 8.