В статье о различных типах логики и комментариях к ней затрагивались вопросы работы транзисторов в ключевых, импульсных, режимах. Поскольку это достаточно интересный вопрос, появилась статья о классических ключах на биполярных транзисторах и их ненасыщенных вариантах.
Особенности работы ключей, той статье, я проиллюстрировал используя программу моделирования MPLAB Mindi. Однако, в комментариях некоторые читатели выразили сомнения, что моделирование позволяет адекватно оценить процессы в реальных схемах. Мол математика сплошная, далекая от суровой реальности.
Безусловно, математическое моделирование, а программы именно его используют, не может абсолютно точно соответствовать работе реальных схем "в железе". Но оно позволяет с достаточной степенью точности оценить поведение схемы (модели!) и происходящие в ней процессы. Насколько близко результаты моделирования будут к работе реальной схемы зависит от многих факторов.
В первую очередь от того, насколько правильно построена сама модель исследуемой схемы. А схема модели порой весьма существенно отличается от принципиальной схемы. Но при этом их поведение абсолютно идентично. Примеры схем моделей есть во многих моих статьях. Не менее важным является и точность, как следствие - сложность, моделей компонентов, которые используются в модели схемы. Об этом у меня есть статья
О математическом моделировании электронных схем и немного о макетировании
Но сегодня вопросы построения моделей нас интересовать не будут, нас будет интересовать именно практика. В виде собранных на макете, в железе, классических и ненасыщенных ключей на биполярных транзисторах. Тех самых, что мы исследовали в виде моделей в статье
Ненасыщенные ключи на биполярных транзисторах
Вот и посмотрим, насколько адекватно моделирование показало работу реальной схемы. Оценивать будем качественные, а не количественные показатели. Так как в наших моделях не учитывалась ни емкость монтажа, ни разброс параметров элементов.
Все осциллограммы в статье реальные, снятые на реальном макете с использованием реальных измерительных приборов. Сопротивления резисторов соответствуют ранее рассмотренным моделям и выбраны для наглядности процессов на осциллограммах. Предметом рассмотрения является задержка выключения, а не длительности фронтов. И влияние параметров транзисторов и схемотехники на длительность задержки.
Классический ключ на биполярном транзисторе
Схема нашего реального ключа в точности соответствует модели, которую мы исследовали ранее
Собран ключ был на беспаечной макетной плате. "красн" и "желт" это два канала осциллографа, соответствующих цветов. G это генератор импульсов. А вот транзисторы мы сегодня возьмем разные...
Первым будет BC547B, он примерно соответствует BC847B, но в выводном корпусе. Его просто удобнее использовать в макете. Паспортные параметры транзистора такие:
- Максимальная рабочая частота не менее 150 МГц (типовая 300 МГц)
- Входная емкость 9 пф
- Коэффициент передачи тока базы 200-450
Это транзистор общего применения. Другие параметры нам сегодня не важны.
Все изображения по клику открываются в исходном размере. Если не указывается иное, горизонтальный масштаб 500 нс/дел, вертикальный 2 В/дел.
Первый попавшийся под руку экземпляр имеет h21э=424 (измеренный). А вот так выглядит осциллограмма его работы в ключе.
Итак, как и в случае модели, входной импульс (красный луч) имеет амплитуду 5В. Длительность импульса 1.6 мкс, длительность фронта/спада 5 нс.
Отлично видно, что выходной импульс (желтый луч) имеет гораздо большую длительность. Точно так же вел себя и ключ-модель! Давайте рассмотрим основные моменты более подробно. И начнем с открывания ключа, с фронта входного импульса
Прежде всего, мы видим задержку открывания транзистора, 48 нс. Эта задержка связана с зарядом входной емкости транзистора и емкости монтажа. Время открывания транзистора 62 нс. Мы не измеряли эти времена для модели, но если посмотреть на иллюстрации в статье о ненасыщенных ключах, то будет видно, что они примерно того же порядка. Значит, в этом вопросе модель и реальность неплохо соответствуют.
Задержка закрывания транзистора хорошо видна на первой осциллограмме, 2.5 мкс. И в реальности она у нас в пять с лишним раз больше, чем для модели. В чем же дело? h21э нашего реального транзистора существенно выше, чем у используемого в модели. 424 против 120 в модели, практически в четыре раза. А значит и коэффициент насыщения будет существенно выше. Вот и результат.
Давайте, ради интереса, посмотрим, как влияет коэффициент насыщения на задержку выключения. Для этого возьмем еще один транзистор BC547B, h21э которого равен 387 (измеренный). И вот результат
Относительно небольшое снижение коэффициента насыщения уменьшило и задержку выключения, на 100 нс.
И это возвращает нас к вопросу, а всегда ли нужны транзисторы с высоким коэффициентом передачи тока базы (коэффициентом усиления β) в ключевых схемах? Давайте посмотрим
Интересно, правда? Транзистор КТ315Д по своим параметрам близок к BC547B, если не считать h21э. Видно, что время закрывания получилось примерно таким же. А вот время задержки закрывания всего 1 мкс, значительно меньше. С транзистором КТ306А результат еще лучше, задержка практически отсутствует, так как коэффициент насыщения получился малым. Длительность процессов открывания/закрывания тоже заметно меньше, что связана с большей граничной частой и меньшими емкостями этого транзистора.
Поэтому не стоит использовать транзисторы с высоким h21э в схемах работающих в ключевом режиме.
В комментариях к статье о ненасыщенных ключах меня просили показать влияние резистора в цепи эмиттера на работу ключа. Выполняю просьбу, смотрите (схему рисовать не буду, нет необходимости). Транзистор снова BC547B c h21э=424.
Как видите, влияние безусловно есть. Дело в том, что резистор в цепи эмиттера уменьшает коэффициент усиления усилителя с ОЭ. А наш ключ именно таким усилителем и является. Снижается и коэффициент насыщения, что и дает сокращение времени задержки выключения. Однако, это уменьшение не велико, порядка 250 нс. При том, что резистор в цепи эмиттера влияет на выходное напряжение открытого ключа. А значит, его сопротивление должно быть небольшим, много меньше сопротивления резистора в цепи коллектора.
Но такого же результата, причем без влияния на выходное напряжение, можно достичь использовав транзистор с меньшим h21э. Поэтому резистор в цепи эмиттера для повышения быстродействия не используют. Но могут использовать в других целях.
Ключ с форсирующим конденсатором
Да, опять все в точности так, как было в нашей модели. Транзистор будем использовать BC547B с h21э=424, как и раньше. Для модели у нас получалось оптимальное значение емкости конденсатора 30-32 пф. Однако, в реальном ключе к емкости коллектор-база добавится заметная емкость монтажа и емкость щупа осциллографа. Причем суммарная емкость этой "нагрузки" будет выше емкости коллектор-база.
И мы сейчас увидим влияние этой дополнительной емкости. Давайте сначала возьмем форсирующий конденсатор емкостью 270 пф, что существенно больше, чем мы использовали в модели
Напомню, в модели мы использовали конденсатор емкостью 100 пф и получили практически идентичный результат. Это показывает, насколько сильно емкость монтажа и нагрузки влияет на работу транзисторного ключа.
В модели мы видели точно такой же выброс напряжения отрицательной полярности на выходе ключа. Только там его амплитуда была 4 В, а в реальности получилось 3 В. Этот импульс формируется по срезу входного импульса, когда форсирующая емкость создает на базе транзистора отрицательный импульс. Разрядный ток форсирующей емкости протекает через переход коллектор-база.
Амплитуда и длительность отрицательного выброса зависят от соотношения форсирующей емкости и суммарной входной емкости транзистора (с учетом приведенной к базе емкости коллектора, монтажа и нагрузки). Правильно подобранная емкость форсирующего конденсатора будет давать малую амплитуду отрицательного выброса, но несколько большую длительность фронта и среза выходных импульсов. Емкость 270 пф слишком большая.
Теперь уменьшим емкость форсирующего конденсатора до 47 пф
Эта емкость больше той, которую я называл оптимальной для модели. Но теперь, с учетом емкости монтажа и щупа осциллографа, эта емкость оказывается недостаточной. Да, время задержки сократилось на 800 нс но это все еще довольно много. Видим мы и отрицательный выброс, амплитуда которого не велика, как и длительность.
Таким образом, емкость форсирующего конденсатора нужно выбирать для каждого случая в отдельности. А это не очень интересно. Кроме того, может потребоваться устанавливать диод между выходом и общим проводом, параллельно транзистору, что бы убирать отрицательный выброс.
Ненасыщенный ключ
И опять наш реальный ключ в точности соответствует ключу-модели. Используем диод 1N4148. И возьмем сопротивления резисторов из стандартного ряда. А вот результат
Как видим, время задержки сократилось в 10 раз, весьма не плохо. При этом я не подбирал сопротивления резисторов R1' и R1", как и в случае модели, просто взял два одинаковых с сопротивлением в два раза меньшим. Разумеется, сопротивление следовало бы рассчитать для реального устройства. Но у нас макет, на котором мы просто изучаем работу ключа. А формулы я привел в статье о ненасыщенных ключах.
Обратите внимание, что, как в случае с моделью, у нас взросли длительности фронта и среза выходного импульса. И это совершенно естественно, так как возросла емкость монтажа (два резистора, вместо одного, и добавилась емкость диода. За все приходится платить.
Для модели у нас время задержки ненасыщенного ключа получалось меньше. Причина та же, что и в случае классического ключа. h21э нашего реального транзистора существенно выше, чем в модели. Если бы в макете использовали КТ315Д, результат был бы куда лучше. И мы это сегодня уже видели .
В ненасыщенном ключе используется нелинейная отрицательная обратная связь через диод. Это не просто ограничение напряжения входного импульса, это ограничение с привязкой к выходному сигналу. Если резистор в цепи коллектора является нагрузкой ключа, причем нагрузкой переменной, то такая нелинейная ООС будет корректно отрабатывать изменение тока коллектора, удерживая транзистор вблизи активной области работы. И не допуская ни глубокого насыщения, ни выход в активный режим.
Заключение
Надеюсь, теперь вы смогли убедиться, что использованные в статье о ненасыщенных ключах модели были не только корректны, но и достаточно хорошо соответствовали реальным ключам, собранным из реальных компонентов.
Да, эти модели были упрощенными. В реальных моделях я бы учел множество дополнительных факторов. Но даже такое упрощение позволяет оценить поведение реальных схем. Именно оценить, понимая ограниченность модели.
