使用肖特基鉗位電路提高三極管開關(guān)速度

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(hào)頻率提高后，引發(fā)了輸出信號(hào)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(diǎn)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：

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(shí)的輸入輸出波形。當(dāng)輸入信號(hào)從0V變化到+3V時(shí)，晶體管立即由截止變化到導(dǎo)通狀態(tài)，輸出信號(hào)也應(yīng)立即響應(yīng)，從+ 5V變化到0V。但是，輸入信號(hào)從0V變化到+3V時(shí)，晶體管從導(dǎo)通狀態(tài)變化到截止?fàn)顟B(tài)時(shí)卻花費(fèi)了一些時(shí)間，輸出信號(hào)從從0V變化到+5V時(shí)滯后了3.34us。

原因：

晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)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(hào)變成了0V，基區(qū)中的電子并不能立即消失(電荷存儲(chǔ)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(shí)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(shí)間滯后是非常不利的。

圖1-2 輸處信號(hào)出現(xiàn)延遲

02提高開關(guān)速度

使用晶體管開關(guān)時(shí)，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(jìn)行試驗(yàn)，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(gè)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(duì)圖1-1電路進(jìn)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(diǎn)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(shì)壘二極管。

圖1-3 進(jìn)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：

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(shí)的輸入輸出波形?？梢钥闯銎湫Чc接入加速電容時(shí)相同，晶體管從到導(dǎo)通狀態(tài)變化到截止?fàn)顟B(tài)時(shí)沒有看到時(shí)間滯后。

圖1-5 輸出波形與輸入波形對(duì)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(shí)的動(dòng)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(shí)流過晶體管的基極電流非常小，所以可以認(rèn)為這時(shí)晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)很接近截止?fàn)顟B(tài)。

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(shí)的時(shí)間滯后非常小(基極電流小，所以電荷存儲(chǔ)效應(yīng)的影響小)。圖1-5中，輸出波形從0V變化到+5V時(shí)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(chǔ)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(shí)的開關(guān)波形(入100KHz、0V/+5V方波)?？梢钥闯霎?dāng)基極電阻R1小時(shí)，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(huì)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(diǎn)，減小電荷存儲(chǔ)效應(yīng)的影響，提高開關(guān)速度的方法。

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(huì)降低電路的輸入阻抗，所以當(dāng)驅(qū)動(dòng)開關(guān)電路的前級(jí)電路的驅(qū)動(dòng)能力較低時(shí)，采用這種方法很有效。

在設(shè)計(jì)這種電路時(shí)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?yàn)榫w管截止時(shí)電源電壓原封不動(dòng)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。