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使用肖特基鉗位電路提高三極管開關(guān)速度

CHANBAEK ? 來源:小陳是個工程師 ? 作者:xiaoxiaodawei ? 2023-01-13 16:30 ? 次閱讀

上期從三極管放大的角度來分析了三極管開關(guān)電路的由來,并且將輸入信號頻率提高后,引發(fā)了輸出信號延遲的現(xiàn)象,造成開關(guān)速度慢。主要講了通過加速電容來提升速度的方法,這期重點另一種加速開關(guān)速度的方法,使用肖特基鉗位電路。

關(guān)鍵詞:肖特基鉗位電路;

為了更好的理解,將三極管開關(guān)速度慢重述一遍!

01開關(guān)速度慢的原因

1.1、仿真電路結(jié)構(gòu)

圖1-1是系統(tǒng)仿真電路圖:

poYBAGPBFfSAZJCEAAD0FBlodmE372.png

圖1-1 系統(tǒng)仿真電路

1.2、仿真波形分析

現(xiàn)象:

圖1-2是圖1-1的電路輸入100KHz、0V/+3V方波時的輸入輸出波形。當(dāng)輸入信號從0V變化到+3V時,晶體管立即由截止變化到導(dǎo)通狀態(tài),輸出信號也應(yīng)立即響應(yīng),從+ 5V變化到0V。但是,輸入信號從0V變化到+3V時,晶體管從導(dǎo)通狀態(tài)變化到截止?fàn)顟B(tài)時卻花費了一些時間,輸出信號從從0V變化到+5V時滯后了3.34us。

原因:

晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時有基極電流流過,所以在基區(qū)內(nèi)積累有電子,因此,在這種狀態(tài)下即使輸入信號變成了0V,基區(qū)中的電子并不能立即消失(電荷存儲效應(yīng))。而且在基極限流電阻R1的作用下,也不能立即從基區(qū)取出全部電子,這就造成時間滯后的原因,在開關(guān)調(diào)節(jié)器之類使負(fù)載告訴開關(guān)的應(yīng)用電路中,這種時間滯后是非常不利的。

poYBAGPBFgiAca65AAGTUu6ebo8563.png

圖1-2 輸處信號出現(xiàn)延遲

02提高開關(guān)速度

使用晶體管開關(guān)時,上述圖1-1所示的開關(guān)速度往往不能滿足要求,許多應(yīng)用需要更高的開關(guān)速度,這里就需要提高速度的基本技術(shù)進行試驗,這里注重分析兩種提高開關(guān)速度的方法:使用加速電容、使用肖特基鉗位。

2.1、使用肖特基鉗位

提高晶體管開關(guān)速度的另一個方法是利用肖特基二極管鉗位,這種方法是74LS、74ALS、74AS等典型的數(shù)字IC TTL的內(nèi)部電路中所采用的技術(shù)。

圖1-3是對圖1-1電路進行肖特基鉗位的電路,所謂肖特基鉗位就是在三極管的基極-集電極之間接入肖特基二極管。這種二極管不是PN結(jié),而是由金屬與半導(dǎo)體接觸所形成具有整流作用的二極管,其特點是開關(guān)速度快,正向電壓降Vf比硅PN結(jié)小,準(zhǔn)確地說叫做肖特基勢壘二極管。

poYBAGPBFheABJz2AAC8HbsrjG4312.png

圖1-3 進行肖特基鉗位的電路

在仿真電路中加入肖特基電路如圖1-4所示:

poYBAGPBFiOAAI0eAADx__LjBqY247.png

圖1-4 仿真電路

圖1-4電路與圖1-1電路相比,適當(dāng)?shù)卣{(diào)整了基極電阻R1,其原因是基極電阻不能太大,否則加了肖特基二極管將起不到什么作用!

圖1-5是給圖1-3的電路輸入100KHz、0V/+5V方波時的輸入輸出波形。可以看出其效果與接入加速電容時相同,晶體管從到導(dǎo)通狀態(tài)變化到截止?fàn)顟B(tài)時沒有看到時間滯后。

poYBAGPBFjOACndSAAF9qTBUBd0286.png

圖1-5 輸出波形與輸入波形對比

圖1-5是圖1-3的電路中晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)(輸出0V)時的動作,如圖1-6所示,肖特基二極管的正向電壓降Vf比晶體管的Vbe小(圖1-3電路中Vf≈0.3V),所以本來應(yīng)該流過晶體管的大部分基極電流現(xiàn)在通過二極管D1被旁路掉了,這時流過晶體管的基極電流非常小,所以可以認(rèn)為這時晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)很接近截止?fàn)顟B(tài)。

poYBAGPBFj-AIL9DAAFsj0kYMnU087.png

圖1-6 肖特基二極管的正向電壓降Vf

因此,圖1-5所示從導(dǎo)通狀態(tài)變化到截止?fàn)顟B(tài)時的時間滯后非常小(基極電流小,所以電荷存儲效應(yīng)的影響小)。圖1-5中,輸出波形從0V變化到+5V時之所以波形上升沿不是很陡峭,是由于電阻R1與晶體管密勒效應(yīng)構(gòu)成低通濾波器的影響,與電荷存儲效應(yīng)沒有關(guān)系。

03如何提高輸出波形的上升速度

圖1-7是圖1-4所示的電路中基極電阻R1=200時的開關(guān)波形(入100KHz、0V/+5V方波)。可以看出當(dāng)基極電阻R1小時,由于低通濾波器的截止頻率升高,所以輸出波形從0V變化到+5V的上升速度加快了。

加速電容是一種與減小基極電阻R1等效的提高開關(guān)速度的方法(減小基極電阻R1,也會加快輸出波形的上升速度)。肖特基鉗位可以看作改變晶體管的工作點,減小電荷存儲效應(yīng)的影響,提高開關(guān)速度的方法。

poYBAGPBFkyAMzMnAAFzU4md_wk145.png

圖1-7 改變基極電阻R1=200的波形圖

由于肖特基鉗位電路不像接入加速電容那樣會降低電路的輸入阻抗,所以當(dāng)驅(qū)動開關(guān)電路的前級電路的驅(qū)動能力較低時,采用這種方法很有效。

在設(shè)計這種電路時需要注意肖特基二極管的反向電壓的最大額定值,肖特基二極管中某些元器件的反向電壓的最大額定值非常低(高頻電路中應(yīng)用的某些器件僅為3V),圖1-4的電路中,因為晶體管截止時電源電壓原封不動地加載二極管D1上,所以必須使用反向電壓最大額定值大于5V的器件。

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