Способы повышения быстродействия транзисторных ключей

Рассмотрим ряд схемотехнических решений, позволяющих улучшить быстродействие транзисторного ключа.

1. Включение ускоряющей емкости в цепь базы.

Как было показано ранее – время нарастания фронта зависит от тока базы в момент отпирания ключа. Включение ускоряющей цепочки позволяет сформировать скачок тока базы при подаче отпирающего импульса, который обеспечивает ускоренный перезаряд емкости эмиттерного перехода и накопление заряда неосновных носителей в базе.

Величина емкости выбирается так, чтобы ток базы к моменту подачи запирающего импульса успел уменьшиться до уровня, соответствующего границе насыщения с минимально необходимым запасом.

Заметим, что создаваемое на емкости отрицательное напряжение, как результат протекания отпирающего тока, способствует также и более быстрому выключению транзистора.

2. Включение дополнительного сопротивления в цепь эмиттер-база.

Дополнительное сопротивление во входной цепи создает контур для тока на этапе рассасывания избыточного заряда в базе, увеличивая, таким образом, скорость выключения ТК. Однако при использовании этого сопротивления напряжение на базе уменьшается с коэффициентом деления . Поэтому этот способ требует повышения напряжения генератора чтобы обеспечить режим насыщения.

3. Использование нелинейной отрицательной обратной связи. Транзистор Шоттки.

В схеме на рисунке между базой и коллектором БТ включен диод Шоттки, роль которого заключается в следующем. Обладая односторонней проводимостью, этот диод открывается при небольшом прямом напряжении между анодом и катодом, которое для этого типа диода составляет 0,3-0,4В.

В результате отпирания диода создается цепь отрицательной обратной связи, резко уменьшающей коэффициент усиления транзистора по входному току. Это, в свою очередь, уменьшает величину накопленного заряда в базе и время рассасывания. Быстродействие транзисторного ключа повышается.

Очень часто многие быстродействующие транзисторы технологически изготавливают с диодом Шоттки уже на кристалле. Такие транзисторы называют транзисторами Шоттки.

4. Использование транзисторного переключателя тока.

Структурно схема напоминает дифференциальный усилитель, в эмиттерную цепь которого включен источник тока . Параметры транзисторов и резисторов предполагаются одинаковыми. На один вход ключа подается управляющий сигнал , принимающий два значения: низкое и высокое . На второй вход подается постоянное опорное напряжение величиной , что позволяет при низком уровне входного сигнала обеспечить запирание транзистора и направить весь ток источника в коллекторную цепь .

Потенциалы коллекторов соответственно равны: .

Повышение уровня входного сигнала до величины приводит к отпиранию транзистора и запиранию транзистора . Теперь уже весь ток переходит в коллекторную цепь , снижая потенциал его коллектора до величины .

Повышенное быстродействие схемы объясняется следующими факторами:

- отсутствие насыщения;

- возможностью использования малых значений что способствует быстрой перезарядке емкости коллекторного перехода;

- постоянная времени процесса включения и выключения здесь не , а .

Элементы цифровой логики на биполярных транзисторах

В этом разделе будут рассмотрена схемотехника логических элементов, их классификация, характеристики и параметры. Рассмотренный ранее ключ на БТ представляет собой простейший логический элемент, выполняющий функцию логического отрицания, или инверсии. Поэтому в дальнейшем будем именовать его, как простой инвертор.

Большая часть теории в этом разделе будет основой для выполнения курсового проекта по данному курсу.

Построение передаточной характеристики простого инвертора по характерным точкам.

Рассмотрим простой инвертор, работающий на коллекторную нагрузку .

Напряжение на входе ЛЭ может меняться от 0 до . Передаточная характеристика имеет наклонный участок в окрестности точки . Наклон этого участка определяется малосигнальным коэффициентом усиления БТ с нагрузкой :

В стационарном состоянии ЛЭ реализует один из двух крайних режимов: логическая единица, и логический ноль, . В нашем случае , .

Поэтому в цифровых ЛЭ достаточно аппроксимации передаточной характеристики трех участков прямых, соединяющих точки с координатами .

При подключении дополнительной нагрузки (см. рис.) напряжение логической единицы снизится до уровня .

Явление «захвата» тока

Захват тока имеет место при параллельном соединении базовых цепей нескольких ЛЭ к выходу логического элемента.

Захват тока представляет собой неравномерное распределение токов в базах транзисторов , подключенных к общему ЛЭ. Это явление имеет место при существенных разбросах токов баз транзисторов.

Предположим выход ЛЭ, к которому подключены транзисторы находится в состоянии логической единицы. Напряжение приводит транзисторы в насыщенное состояние. Значения для транзисторов примем равными соответственно . Разброс значений напряжений является основной причиной захвата тока.

Для расчетов токов баз транзисторов воспользуемся эквивалентной схемой, где напряжения представим в виде эквивалентных ЭДС, замещающими база-эмиттерные цепи транзисторов . Внутренние сопротивления переходов представим в виде резисторов .

Тогда токи баз буду равны соответственно:

;

…

Из полученных соотношений видно, что разница токов зависит не только от разброса , но и от разброса сопротивлений баз.

Для понимания насколько важным является захват тока приведем пример: , , Сопротивления баз примем равными 20Ом. Из формул выше находим:

Из приведенного примера видно, что транзистор захватил 57% тока , а на долю пришлось всего 10% того же тока.

Следствием захвата тока могут являться нарушения работоспособности аппаратуры из-за снижения запасов от помех и неправильных режимов ().

Некоторое подавление захвата тока возможно при последовательном включении внешних резисторов в базовые цепи. В этом случае величина увеличивается, что уменьшает влияние разбросов и и повышает помехоустойчивость цепи.

8