16.3. Быстродействующие ключи на биполярном транзисторе

В схеме с форсирующей емкостью (см. рис. 16.4) при подаче входного открывающего сигнала сопротивление емкости значительно меньше сопротивления резистора R_ф, в связи с этим ток заряда емкости приводит к возрастанию тока базы и быстрейшему открыванию транзистора. Если емкость зарядилась (транзистор открыт), ток базы уменьшится, поскольку увеличится сопротивление последовательной цепи R_г + R_ф, транзистор переходит на границу режима насыщения, время рассасывания носителей уменьшается.

Рис. 16.4 Ключ с форсирующей емкостью

Для повышения быстродействия ключевых схем необходимо уменьшить время рассасывания избыточного заряда. Для этого необходимо уменьшить отпирающий ток Is^-, т.e. уменьшать степень насыщения транзистора. Но это приводит к увеличению длительности фронта. Чтобы предотвратить насыщение транзистора и в то же время не ухудшить фронтов импульсов коллекторного тока или напряжения, в схему ключа вводят нелинейную обратную отрицательную связь

При открывании транзистора ДБШ закрыт, поскольку потенциал коллектора выше потенциала базы. С возрастанием коллекторного тока потенциал коллектора уменьшается, и на границе перехода транзистора в режим насыщения потенциал коллектора становится ниже потенциала базы, диод открывается. Поэтому транзистор вообще не переходит в режим насыщения.

Рис. 16.5 Ключ с нелинейной обратной связью

Когда транзистор заперт или работает в активном режиме, потенциал коллектора положителен относительно базы, и диод не влияет на работу ключа. Когда в процессе формирования фронта потенциал коллектора относительнобазы проходит через нуль и делается отрицательным, диод отпирается и на нём создается прямое напряжение U. Если это напряжение

меньше 0,5В (что характерно для диодов Шоттки), то коллекторный переход практически заперт, что исключает накопление избыточного заряда, свойственного режиму насыщения. Точно также при запирании ключа будут отсутствовать этапы рассасывания избыточного заряда и задержки среза.

16.4. Ключи на полевых транзисторах

Ключи на полевых транзисторах, схемы которых представлены на рис.16.6, бывают с резистивной нагрузкой (рис.16.6,а,б); динамической нагрузкой (рис. 16.8,а), когда транзистор выполняет роль резистора; на комплиментарных парах (рис7.8,б), т.е. на транзисторах с разными типами проводимости каналов.

В ключах с резистивной нагрузкой (см. рис.7.7.,а,б), когда транзистор закрыт, выходное напряжение стремится к напряжению источника питания (уровень логической единицы U¹). Если транзистор открыт входным сигналом, то на открытом транзисторе остаточное напряжение порядка 0,02…0,04 В.

а б

Рис.16.6. Ключи с резистивной нагрузкой

Для уменьшения остаточного напряжения вместо резистора R_c используют транзистор (см. рис. 7.8,а), затвор которого может соединяться с истоком или стоком.

В этой схеме ключа роль динамической нагрузки выполняет транзистор VT2. В запертом состоянии ключа, когда на затвор транзистора VT1 подано напряжение Е₃^- < U₀, положение рабочей точки определяется пересечением обратных характеристик стоковых p-n-переходов активного (VT1) и нагрузочного (VT2) транзисторов и максимальное выходное напряжение близко к напряжению источника стокового питания U_max ≈ Е_C.

В открытом состоянии ключа, когда на затвор подано напряжение Е₃⁺ > U₀, рабочая точка В лежит на квазилинейном участке характеристики транзистора VТ1, на котором остаточное напряжение U_ост является ничтожно малым. Если бы в открытом состоянии нагрузочный транзистор был закрыт, то выходное напряжение стремилось бы к нулю, и ключ не потреблял бы энергии в статических состояниях.

а б

Рис. 16.7 Ключи с динамической нагрузкой

Это достигается на ключах на комплементарных транзисторах (см. рис16.7,б). Транзистор VT2 – ключевой, а транзистор VT1 – нагрузочный. Затворы обоих транзисторов объединены и являются входом ключа. При нулевом потенциале на затворах транзистор VT2 закрыт, а транзистор VT1 открыт и работает в линейной области. Напряжение на выходе ключа практически равно U_ип. При подаче на затворы напряжения близкого к U_ип транзистор VT1 закрывается, а транзистор VT2 открывается. На выходе формируется уровень напряжения, близкий к потенциалу земли.

Характерной особенностью комплементарных ключей (рис16.8.б) является то, что они практически не потребляют мощности как в закрытом, так и в открытом состоянии. Однако устойчивые состояния различаются чётко по уровню выходного напряжения. При низком значении Е₃⁺, когда транзистор VT1 заперт, напряжение U_сиг на открытом транзисторе VТ2 ничтожно мало и, следовательно, выходное напряжение U_max≈Е_C. При высоком значении Е₃⁺ открыт транзистор VT1, и напряжение на нём мало, что и определяет величину остаточного напряжения U_ост ключа. Быстродействие комплиментарных ключей почти на порядок выше, чем у двух других типов ключей на МДП-транзисторах и сохраняется при уменьшении напряжения питания. Время переключения можно свети к минимальному ,применив транзисторы в комплементарной паре с одинаковым пороговым напряжением.

Для всех трёх типов ключей на МДП-транзисторах главным путем повышения быстродействия является уменьшение суммарной ёмкости, включающей ёмкость затвор-канал, ёмкость сток-подложка, ёмкости затворов относительно областей истока и стока, обусловленные перекрытием затвора и т.д.