Что может быть проще и скучнее обычного ключа на биполярном транзисторе? Работа биполярного транзистора в ключевом режиме мало у кого вызывает затруднения и вопросы. Что там может быть сложного? Достаточно обеспечить ток базы достаточный для требуемого тока коллектора открытого транзистора. И конечно выбрать подходящий транзистор.
Любой, даже самый начинающий любитель, знает, как рассчитать ключ на биполярном транзисторе. Правда разброс параметров транзисторов довольно большой, поэтому используют минимальное значение коэффициента передачи тока базы из документации на транзистор. Предусматривают некоторый запас, что бы транзистор гарантированно входил в насыщение. Вот и вся премудрость. Так? Не совсем так...
Нет, если стоит задача управлять включением реле, или другой нагрузкой, когда не требуется высокая частота переключения, то действительно все просто. А если речь идет именно о высокой частоте переключения? Например, в тех же самых логических элементах, о который я рассказывал в статьях
Типы цифровой логики. Не только ТТЛ и КМОП
Феррит-транзисторная динамическая логика. История цифровой схемотехники
Или в других высокочастотных импульсных каскадах, в генераторах, в быстродействующих компараторах, и т.д. Здесь уже становится важным быстродействие ключа. А оно зависит не только от выбора транзистора, но и от режима его работы.
Статья рассчитана в основном на начинающих любителей электроники. Но не совсем начинающих, а имеющих небольшой опыт. Основное внимание уделяется объяснению работы транзисторных ключей и повышению их быстродействия. В статье есть расчетные формулы, но простые.
Классический ключевой каскад на биполярном транзисторе
Прежде, чем мы перейдем к собственно теме статьи - ненасыщенным ключам на биполярных транзисторах, нам нужно немного вспомнить ключи классические. Поскольку расчет статического режима ключа действительно очень прост и всем известен, я не буду приводить формулы. Сразу перейдем к моделированию.
Как и во многих других статьях, для моделирования будет использоваться MPLAB Mindi. Давайте посмотрим на модель
Все действительно просто. Источник V1 обеспечивает питание схемы напряжением 5 В. Источник V2 определяет входной сигнал для нашего ключа. В данном случае это положительный импульс длительностью 1 мкс и амплитудой 5 В. Фронт и спад заданы очень короткими, 0.1 нс, что бы не оказывать влияния на процессы в схеме.
В модели установлено 5 зондов.
- Input показывает входной сигнал.
- Q1-base_U показывает изменение напряжения на базе транзистора
- Q1-base_I показывает изменение тока базы транзистора
- Q1-collector_I показывает изменение тока коллектора транзистора
- Q1-collector_U показывает изменение напряжения на коллекторе транзистора
Транзистор BC847A нам уже знаком. Это весьма популярный и дешевый транзистор, мы его его уже использовали в статье "Источники (генераторы) тока, стабилизаторы тока, токовые зеркала". Это транзистор общего применения с максимальной рабочей частотой не менее 100 МГц и коэффициентом передачи тока базы от 110 до 220. Напряжение коллектор-эмиттер насыщенного транзистора не превышает 400 мВ (при токе коллектора 5 мА), типовое значение 200 мВ. Напряжение насыщения база-эмиттер не превышает 770 мВ. Другие параметры нас сегодня не интересуют.
Таким образом, ток коллектора (ток нагрузки) у нас будет примерно равен
( 5 - 0.2 ) / 1000 = 4,8 мА
При этом ток базы должен быть не менее (h21э = 110)
4.8 / 110 = 43.6 мкА
А сопротивление резистора в цепи базы не более
(5 - 0.7 ) / 0.0436 = 98.6 кОм
Таким образом, в нашей модели коэффициент насыщения примерно равен 10 для минимального коэффициента передачи тока базы и 20 для максимального. Немного многовато, о вполне типичные значения.
А теперь посмотрим на работу ключа, на результат моделирования
Классические картинки, как по учебнику, не правда ли? Давайте немного посмотрим на процессы открывания и закрывания транзистора.
По переднему фронту входного сигнала ток базы транзистора скачком возрастает до значения определяемого сопротивлением резистора в цепи базы. Напряжение база-эмиттер при это равно 0, что и дает пиковое значение тока базы равное 500 мкА. Далее входная емкость транзистора (нам сегодня не нужно ее точно определение и ее составляющие) начинает заряжаться, а напряжение на базе нарастает. Выброс на графике тока базы длительностью примерно 27 нс как раз и соответствует заряду входной емкости
Когда напряжение на базе возрастет примерно до 0.6 В транзистор начнет открываться. Время между фронтов входного сигнала и началом открывания транзистора является временем задержки включения и в нашем случае составляет примерно 29 нс.
Процесс открывания транзистора (формирования фронта напряжения на нагрузке) во многом определяется постоянной времени транзистора. Но важное значение имеет и коэффициент насыщения. Для больших коэффициентов насыщения можно упрощенно считать, что время открывания
t ≈ Θ / s
Здесь Θ - постоянная времени транзистора, s - коэффициент насыщения. Во время открывания транзистор работает в активном режиме.
То есть, для сокращения времени открывания транзистора нужно выбирать высокочастотные транзисторы, что довольно очевидно. Кроме того, нужно повышать коэффициент насыщения. А вот это уже имеет прямое отношение к теме сегодняшней статьи.
После открывания транзистора его постоянная времени изменяется, так как переход база-коллектор оказывается смещен в прямом направлении. Но для нас важнее не это, а то что начинается процесс накопления носителей заряда в базе транзистора. Накопленный заряд
Q ≈ Iб * Θн
Здесь Iб - ток базы, Θн - постоянная времени транзистора в состоянии насыщения. Для важно, что накопленный в базе заряд пропорционален току базы. Обратите внимание, что здесь есть связь с коэффициентом насыщения. При прочих равных условиях, чем выше коэффициент насыщения, тем выше ток базы. А значит и накопленный заряд.
Накопление заряда можно увидеть на графике напряжения на базе транзистора
Видите этот небольшой "бугорок"? Он соответствует накоплению заряда в базе.
Далее ничего интересного не происходит. Транзистор открыт и насыщен, заряд в базе неизменен. Ровно до тех пор, пока не заканчивается входной импульс.
Но с окончанием входного импульса транзистор закрывается не сразу. Мешает тот самый накопленный в базе заряд. А он избыточен, так как ток базы превышал необходимый в коэффициент насыщения раз. И этот избыточный заряд нам надо убрать
Обратите внимание, ток базы стал отрицательным. На самом деле просто изменилось направление протекания тока. Теперь он не втекает в базу, а вытекает из нее. Это эквивалентно разряду заряженного конденсатора, входной емкости транзистора.
Рассасывание избыточного заряда заканчивается когда транзистор выходит их насыщения и оказывается в активном режиме. На иллюстрации выше это соответствует "перелому" графика напряжения на базе. Практически линейное снижение напряжения сменяется экспоненциальным. На графике изменения напряжения на базе этот момент видно не очень хорошо, но именно здесь начинается процесс закрывания транзистора. А интервал времени между окончанием входного импульса и началом закрывания транзистора называется задержкой выключения
Когда напряжение на базе падает ниже примерно 0.6 В, транзистор закрывается. Однако, процессы в ключе не заканчиваются. Процесс заряда емкости коллектора (и нагрузки) продолжается. Это видно по графикам напряжения на безе и тока базы. На графике тока коллектора этот процесс не виден, так как ток базы в h21э раз меньше тока коллектора.
Обратите внимание, что в нашем примере полное завершение всех процессов связанных с закрыванием ключа примерно в 2 раза дольше, чем время видимого закрывания (по напряжению на коллекторе).
Время рассасывания, то есть, время задержки закрывания, пропорционально коэффициенту насыщения. Таким образом, если мы увеличим коэффициент насыщения, что бы уменьшить время открывания, мы получим большее время задержки закрывания. А уменьшая коэффициент насыщения, что бы уменьшить время задержки, мы тем самым увеличим время открывания.
То есть, выигрывая в одном, мы неизбежно проигрываем в другом. Поэтому повышение быстродействия ключа на биполярном транзисторе не так просто, как может показаться на первый взгляд. Но все таки способы есть. И именно об этих способах сегодняшняя статья.
Кстати, время закрывания в большей степени определяется постоянной времени цепи коллектора, которая включает в себя сопротивление нагрузки, сопротивление собственно коллекторной области, емкость коллектора, емкость нагрузки. Влияние коэффициента насыщения незначительно. И мы это еще увидим.
Повышение быстродействия ключа с помощью форсирующего конденсатора
Использование форсирующего конденсатора мы рассмотрим очень кратко. Его использование уходит корнями еще в ламповые схемы.
Небольшое лирическое отступление. Еще учась в школе (в начале 70-х годов прошлого века) я слышал от одно старого электронщика интересное название такой вот цепочки из параллельно включенных резистора и конденсатора, правда на входе усилительного каскада на лампах - ГРИНДИК. Это же термин я еще пару раз встречал в старых книгах годов так 50-х - 60-х. Это очень редкий термин. И запал он мне в память скорее как некий артефакт, иноязычный.
Как оказалось, память меня немного подвела... правильно - ГРИДЛИК. Спасибо Андрею Мао, который уточнил это в комментарии.
Форсирующий конденсатор включается параллельно резистору в цепи базы. То есть, параллельно R2 в нашей модели. Этот конденсатор позволяет получить броски тока по фронту и спаду входного импульса. Это и позволит повысить быстродействие. Давайте подключим параллельно R2 конденсатор емкостью 100 пФ (я не буду приводить схему)
Действительно, результат выглядит неплохим. Но обратите внимание, что появились выбросы. А это не всегда допустимо. Но самое главное не это. Время восстановления исходного напряжения на базе транзистора (равное нулю) не только не уменьшилось, но даже увеличилось.
На самом деле выбор емкости формирующего конденсатора несколько противоречив. С одной стороны, его емкость должна быть достаточной для получения значительных приращений тока базы. Но с другой стороны, емкость не должна быть большой, что бы емкостная составляющая тока базы быстро спадала после закрывания транзистора.
Если говорить о нашей модели, то оптимальной будет емкость конденсатора порядка 30-32 пФ. Это обеспечит максимальное быстродействие ключа. Но цена такого ускорения может оказаться слишком большой. Дело в том, что при открывании ключа пиковое значение тока источника сигнала (тока базы) составит порядка 57 мА. А при закрывании целых 120 мА, только уже вытекающего из базы. Эти импульсы тока будут очень короткими, но могут негативно отразиться на источнике сигнала.
Ненасыщенный ключ. Ограничение степени насыщения транзистора с помощью нелинейной обратной связи
Использование активного (линейного) режима работы транзистора ключа позволит значительно повысить быстродействие, но создаст и новые проблемы. Мы фактически получим обычный усилитель. А это означает, что снизится помехоустойчивость. Повысится напряжение на коллекторе транзистора (снизится напряжение на нагрузке). Возрастет рассеиваемая транзистором мощность.
Лучшим вариантом было бы удержание транзистора в насыщении, но на границе с активной областью. Однако, это не такая простая задача, так как разброс параметров транзисторов очень большой. А значит, каждый ключ потребуется настраивать отдельно, вручную. И замена транзистора приведет к необходимости новой настройки. Да и изменение температуры будет сильно влиять.
Кроме того, связанное с этим снижение коэффициента насыщения увеличит время открывания ключа. А значит, нам потребуется нелинейная отрицательная обратная связь. Она позволит сохранить высокий коэффициент насыщения при открывании ключа, но ограничит его после окончания открывания. Что не позволит накопиться с базе большому избыточному заряду.
Ограничение тока базы после открывания транзистора можно осуществлять ограничением напряжения. Если связать это ограничение с напряжением на коллекторе. А для этого можно использовать диод. Давайте посмотрим на схему (модель) ненасыщенного ключа
Это классическая схема ненасыщенного ключа на биполярном транзисторе. Хотя такое название и не совсем корректно, так как транзистор все таки насыщен, но удерживается на границе с активной областью. Давайте посмотрим, как такой ключ работает.
Мы разделили резистор в цепи базы на две части. При этом суммарное сопротивление осталось неизменным. А точку соединения половинок резистора подключили к коллектору через диод. Именно диод и обеспечивает нелинейную обратную связь.
В исходном состоянии диод закрыт, так как на его аноде напряжение равно 0, а на катоде напряжению источника питания. После фронта входного импульса диод по прежнему остается закрытым. На его катоде все еще напряжение источника питания, а на аноде
Для нашего случая R2=R3 это примерно 2.8 В. Когда транзистор начнет открываться, напряжение на коллекторе будет снижаться. И когда оно станет на 0.6 В ниже (в нашем случае, кремниевый диод) напряжения на аноде диод начнет открываться. Нетрудно заметить, что в нашем случае это произойдет при снижении напряжения на коллекторе ниже 2.2 В.
Теперь напряжение в точке соединения резисторов и диода будет на 0.6 В выше напряжения на коллекторе. И именно это напряжение, а не напряжение входного сигнала, будет определять ток базы транзистора. Вместе с резистором R3.
В случае кремниевого диода падение напряжения на нем будет примерно равно падению напряжения на переходе база-эмиттер. В случае диода Шоттки это уже будет не так. Но у нас использован именно кремниевый диод.
Таким образом, ток базы будет определяться
Обратите внимание, в этой формуле нет резистора R2. Таким образом, ток базы транзистора до насыщения будет определяться напряжением сигнала и суммарным сопротивлением резисторов. А когда ключ откроется, приведенным выше выражением.
Давайте проведем расчет нашей схемы.
Iб = (5 - 1000 * 0.0048) / 5000 = 0.04 мА
Таким образом, наш транзистор должен иметь коэффициент передачи тока базы равный 120, что бы получить коэффициент насыщения равный 1. И наш транзистор этому требованию соответствует. Правда на грани, так как минимальное значение h21э для BC847A равно 110. Если честно, так получилось случайно. Я действительно не подбирал сопротивление R3. Просто так повезло :)
А теперь результаты моделирования
Итак, результат действительно такой, как мы и ожидали. И соответствует расчетному. Давайте посмотрим подробнее.
Во первых, чуть возросло время открывания ключа. Это связано с тем, что емкость диода не равна 0. И эту емкость тоже надо зарядить. Именно это и дает некоторое увеличение времени открывания и небольшой пик тока коллектора транзистора на фронте сигнала (и выброс напряжения на коллекторе).
Обратите внимание, что график напряжения на коллекторе хорошо показывает, что транзистор находится практически на грани активной области и области насыщения. Не только несколько возросло напряжение на коллекторе открытого транзистора, но и видно, что снижение напряжения в области малых напряжений происходит более плавно.
Но самый интересный график тока базы. Видно, что начальное значение тока в момент прихода фронта импульса сигнала такое же, как было без диода. Это естественно, диод закрыт и не влияет на работу. А вот дальше диод начинает открываться, что приводит к снижению тока базы. Ступенька на участке снижения тока базы вызвана тем, что постоянные времени заряда емкости диода и входной емкости транзистора различны. Кроме того, ВАХ диода и перехода база-эмиттер транзистора различны. И существует влияние коллектора на ток базы, включая влияние емкости коллектора.
Можно составить систему уравнений, которая учтет все эти факторы и их влияние на переходные процессы. Именно это и сделала программа моделирования. В данной статье я не буду приводить эти уравнения. Тем более, не буду их составлять и выводить. Это выходит далеко за рамки статьи. А о причинах я уже рассказал.
Спадание тока базы плавное, И практически повторяет характер спадания напряжения на коллекторе. Именно так, как мы и рассчитывали. Ток базы устанавливается на уровне порядка 34 мкА, что несколько меньше расчетного. Причина расхождений проста. В расчетах мы принимали падение напряжения на открытом диоде и на переходе база-эмиттер одинаковым и равным 0.6 В. А на самом деле для диода и перехода база-эмиттер они различны. И результат моделирования весьма близок к нашему расчету.
Обратите внимание, что теперь увеличился ток коллектора. Это естественно, так как теперь к току через R1 добавился ток через диод.
Но самое главное, из-за чего мы все это и затевали, значительно сократилось время задержки выключения. Оно не исчезло полностью, но стало весьма малым. Остальные процессы практически не изменились. Об этом я говорил при рассмотрении классического ключа на биполярном транзисторе. И теперь мы увидели подтверждение этим словам в результатах моделирования.
Так же интересно, что теперь мы можем увеличить ток базы для ненасыщенного состояния транзистора. Например, уменьшим R2 до 2 кОм
Открывание транзистора стало немного быстрее. Ускорилось и закрывание. А вот время задержки осталось без изменений, так как сопротивление R3 мы не изменяли. Возрос и ток коллектора, так как вырос ток через диод создаваемый источником сигнала. Но ключ стал более быстрым.
Заключение
На сегодня все. Ненасыщенные транзисторные ключи в любительских схемах встречаются не часто. Ни в том виде, как это показано в статье, ни в виде более сложных двухтактных каскадов. Доступные сегодня транзисторы обладают несравнимо большим быстродействием, чем ранее. А ключи на полевых транзисторах имеют свои особенности и требуют иной схемотехники.
Но все таки понимание работы ненасыщенных транзисторных ключей полезно. Вы не обязательно будете рассчитывать их и использовать в своих конструкциях. Но такие ключи могут встретиться в других устройствах. И вы будете знать, что это такое и как работает.