Динамические характеристики ключей на биполярных транзисторах и повышение их быстродействия

Для неискажающей передачи информации транзисторными ключами необходимо, чтобы все гармоники спектра прямоугольных импульсов или импульсной последовательности усиливались с одинаковым коэффициентом усиления и начальные фазовые сдвиги между гармониками не изменялись.

Это обеспечивается равномерной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) в рабочем диапазоне частот и линейно-возрастающей фазово-частотной характеристикой ФЧХ.

Искажения частотных характеристик обусловлено реактивными элементами схемы В области низких частот оказывает влияние емкость разделительных конденсаторов С_Р, в области верхних частот – влияние инерционных свойств самого транзистора. Эти свойства оцениваются его постоянной времени . Постоянная времени определяет граничную частоту усиления транзистора ƒ_ГР. Граничная частота усиления зависит от схемы включения транзистора.

Различают несколько временных интервалов, характеризующих работу транзистора в импульсном режиме (рис. 15.7):

Рис. 15.7. Импульсный режим работы ключа

- время рассасывания неосновных носителей,

- время нарастания выходного напряжения,

- время задержки,

- время спада выходного напряжения.

Можно заметить, что время рассасывания существенно превышает остальные временные интервалы. В течение этого времени происходит запирание предварительно насыщенного транзистора (U_КЭ = U_КЭнас). Если у открытого транзистора обеспечить U_КЭ большее, чем U_КЭнас, то время рассасывания существенно уменьшается. Поэтому, если требуется получить быстродействующую схему ключа, используют различные способы предотвращения глубокого насыщения транзистора. Цифровые схемы, работающие по этому принципу, называют ненасыщенной логикой. Как это достигается схемотехническими средствами, будет показано при рассмотрении конкретных схем.

Обычно частотные свойства цифровых схем характеризуют усредненным параметром, так называемой задержкой распространения сигнала: t_зд = (t_здL + t_здH)/2,где t_здL – интервал времени между точками 50%-ного значения на фронте нарастания импульса входного напряжения и 50%-ного значения на фронте спада выходного напряжения, a t_здН – аналогичный временной интервал для нарастающего выходного напряжения. Рис. 15.8 наглядно иллюстрирует это соотношение.

Повышение быстродействия ключей. Биполярный транзистор является инерционным элементом, причем его инерционность определяется как собственно частотными свойствами транзистора, так и параметрами управляющего сигнала. Последнее обстоятельство имеет большое практическое значение, так как, формируя определенным образом сигнал управления, можно существенно влиять на инерционность электронного ключа на биполярном транзисторе.

Ключ с форсирующим конденсатором широко применят на практике для повышения быстродействия. Суть данного метода заключается в том, что на интервале включения и выключения формируют такие значения управляющего сигнала, которые существенно превосходят аналогичные, необходимые с точки зрения обеспечения стационарно включенного и выключенного состояний биполярного транзистора.

Рис. 15.8. Определение времени прохождения импульса

Наиболее просто эта идея реализуется в схеме с форсирующим конденсатором в управляющей цепи (рис.15.9).

В момент включения управляющего сигнала t₁ в соответствии со вторым законом коммутации входной базовый ток скачкообразно увеличивается от нуля до величины начального импульса базового тока, тем самым ускоряя включение транзистора. По мере заряда конденсатора ток базы постепенно уменьшается до величины тока базы насыщения (момент t₂). По приходу заднего фронта входного импульса t₃ происходит перезаряд конденсатора, вызывающий скачкообразное уменьшение тока базы транзистора и, соответственно, ускорение запирания ключа.

а) б)

Рис.15.9. Схема управления биполярным транзистором с форсирующим конденсатором (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу

Ненасыщенные ключи на биполярных транзисторах. Одним из способов повышения быстродействия является предотвращение насыщения транзистора. Это, как отмечалось ранее, уменьшает время рассасывания. Обеспечить этот режим можно ограничением базового тока на уровне I_Бнас. Непосредственно путем соответствующего выбора элементов управляющей цепи это сделать нежелательно, так как этот способ имеет существенные недостатки, в частности из-за большого разброса параметров реальных транзисторов и их температурной нестабильности работа ключа может быть нестабильна. На практике для ограничения базового тока используют фиксацию минимального напряжения коллекторного перехода транзистора. Так как на границе насыщенного режима напряжение на переходе коллектор – база близко к нулю, то ограничивая это напряжение на низком уровне, можно, ограничить ток базы, т.е. исключить накопление избыточных зарядов в области базы, тем самым исключить интервал рассасывания неосновных носителей при выключении транзистора. Это режим реализуется в схеме, приведенной на рис.15.10.

Рис.15.10. Ненасыщенный ключ на биполярном транзисторе

Схема работает следующим образом. До тех пор, пока режим работы транзистора не приближается к режиму насыщения, диод VD остается закрытым и весь ток источника входного сигнала поступает в базу транзистора, вызывая его быстрое отпирание. На границе активного режима и режима насыщения напряжение перехода коллектор-база уменьшается и диод начинает открываться. После этого часть тока источника входного сигнала ответвляется в цепь диода, ток базы не увеличивается и транзистор не входит в режим насыщения. Таким образом, в схеме имеет место нелинейная отрицательная обратная связь по напряжению. Для высокого быстродействия в схеме должны использоваться высокочастотные диоды, имеющие малую величину прямого напряжения.

Наиболее хорошие результаты дает использование диодов Шоттки для реализации ненасыщенных ключей (рис.15.11).

Рис.15.11. Ненасыщенный ключ с диодом Шоттки

Диоды Шоттки отличаются большим быстродействием и малым падением напряжения (время восстановления может быть порядка 0,1 нс и меньше, прямое напряжение около 0,25 В).

Кроме повышенного быстродействия, ненасыщенные ключи имеют недостатки: повышенное напряжение на открытом ключе, пониженная помехоустойчивость и пониженная температурная стабильность. Несмотря на указанные недостатки, ненасыщенные ключи широко используются на практике.