Вопрос 20. Повышение быстродействия ключа

В схемах на дискретных элементах для повышения быстродействия и удовлетворения противоречивых требований к отпирающему току часто применяют форсирующую ёмкость, которая ускоряет включение и выключение транзистора, не увеличивая степени насыщения.

Рис.13. Включение форсирующей емкости. Диаграммы управляющего напряжения и тока.

Ёмкость может не успеть разрядиться до окончания запирающего напряжения, что приведёт к последующему уменьшению открывающего перепада и затягиванию процесса включения. Для устранения этого недостатка включают фиксирующий диод D. Он отпирается во время действия отрицательного импульса и ускоряет перезаряд ёмкости. Кроме того, ограничивается напряжение запирающей полярности, что уменьшает время задержки включения.

Дальнейшего повышения быстродействия можно достичь при исключении режима насыщения ключа. Простейший способ сделать это – ограничить отпирающий ток базы, фиксируя его на уровне недостаточном для насыщения. Из-за разброса параметров такой способ, реализуемый в т.н. токовых переключателях очень трудно реализовать в схеме с ОЭ.

Альтернативным вариантом может быть использование диодной коллекторной фиксации рис.14.

Н

Рис.14. Схема диодной коллекторной фиксации.

а анод диода подаётся напряжение смещения E_к>E_o>U_кэнас.

Схема эффективна лишь в том случае, если рассасывание в диоде происходит быстрее, чем в базе транзистора.

Г

Рис.14. Фиксация коллекторного напряжения.

ораздо эффективнее ограничение коллекторного потенциала относительно потенциала управляющего электрода, т.н. метод нелинейной обратной связи. E_см≈U_{д откр} – компенсирует падение напряжения на открытом диоде. При падении напряжения на коллекторе до U_б и идеальном диоде, дальнейшего изменения напряжения на коллекторе не происходит при любом увеличении входного тока. Приращение входного тока будет определяться нижеследующими выражениями:

	∆I=∆Iб+Iд, Iд=∆Iк=β∆Iб. И тогда ∆I=∆Iб(β+1), или через ток диода Iд: ∆I=Iд+ Iд/ β= Iд((β+1)/ β)= Iд/α, где ∆I=I-I΄, I΄ - ток соответствующий порогу открывания диода I΄б=((Eк-Uб)/ βRк)-Iко. Подадим запирающий импульс ∆I при этом, т.к. диод ещё открыт: ∆Iб=∆I-Iк=∆I- β∆Iб, или ∆Iд(p)= ∆I-∆Iб= β(p)∆Iб (p)=α(p)∆I
Рис.15. Нелинейная ОС в ключе.

Т.к. выключение начинается при I_д=0, то отсюда можно определить длительность задержки выключения

I_д=0= I_{д нач}-∆I_д(p)=α(p)(I₁- I^’)- α(p)∆I_i

I_д(t)=0=α[(I₁- I^’)-∆I(1-exp(-t/τ_α))]

t_з=τ_αln(∆I/(∆I-(I₁- I^’)))

Второй метод повышения быстродействия транзисторного ключа заключается в применении отрицательной обратной связи (рис. 8.10, б). Сущность способа заключается в предотвращении насыщения транзистора за счет использования в цепи отрицательной обратной связи диода VD. Пока напряжение база-коллектор больше падения напряжения на сопротивлении Ro, этот диод заперт, обратная связь отсутствует. При увеличении входного сигнала (и соответственно входного тока) увеличивается и ток коллектора. При достаточно большом входном сигнале напряжение база-коллектор становится равным падейию напряжения на сопротивлении резистора Ro, диод VD отпирается и начинает действовать отрицательная обратная связь. Теперь рост базового тока мало влияет на режим транзистора, так как значительная часть входного тока протекает в этом случае непосредственно через диод и транзистор не переходит в режим насыщения.

Рассмотренный метод применительно к интегральным микросхемам реализуется с помощью диодов Шотки, подключаемых параллельно переходу база-коллектор транзистора, при этом такая комбинация в интегральном исполнении составляет единую структуру — транзистор Шотки.