Исследование переходных процессов в электронных ключах на биполярном транзисторе с комбинированной обратной связью

УДК 621.318.57

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРОННЫХ КЛЮЧАХ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ С КОМБИНИРОВАННОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

Ю.Б. Нечаев, В.П. Дудкин, С.В. Портных

Данная работа посвящена исследованию переходных процессов в ключе на биполярном транзисторе с комбинированной обратной связью. В работе проводится численное моделирование классического ключа, ключа с форсирующим конденсатором, с диодом Шоттки и комбинированной обратной связью в среде Micro-Cap 9

Ключевые слова: переходной процесс, отрицательная обратная связь, классический ключ

Классический ключ является наиболее простым по своей конструкции и дешевым в изготовлении, именно поэтому он получил очень широкое применение [1]. Но быстродействие классического ключа составляет десятки наносекунд. С этим сейчас связан большой интерес к созданию и исследованию быстродействующих ключей на базе классического ключа, которые обладают значительно большим быстродействием, при этом не значительно усложняя схему ключа. Существуют несколько методов повысить быстродействие классического ключа. В данной статье рассматриваются три метода: введение форсирующего конденсатора, введение отрицательной обратной связи, введение комбинированной обратной связи. Эти методы позволяют увеличит быстродействие до нескольких наносекунд [1,2].

Для увеличения быстродействия необходимо понять из-за чего происходит замедление, для этого рассмотрим работу классического ключа. Чаще всего он собирается на биполярном транзисторе по схеме общий эмиттер рис. 1.

+ Ек

При использовании биполярного транзистора в виде ключа, он работает в двух режимах: в режиме насыщения (замкнутый ключ) и режиме отсечки

Нечаев Юрий Борисович - ВГУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, тел. 8-960-112-91-30, (4732) 78-25-62 Дудкин Валерий Петрович - ВГУ, канд. физ.-мат. наук, доцент, тел. (4732) 77-32-25 Портных Сергей Викторович - ОАО «Концерн “Созвездие”», инженер, тел. 8-980-341-49-23

(разомкнутый ключ). В режиме насыщения оба перехода (коллектор-база и эмиттер-база) открыты, а в режиме отсечки - заперты. Резисторы ЯБ и ЯК должны обеспечивать надежное запирание транзистора при низком уровне управляющего сигнала во всем диапазоне рабочих температур и насыщение при высоком уровне управляющего сигнала. Если

напряжение Еб имеет отрицательную полярность, то эмиттерный переход смещен в обратном направлении, транзистор заперт, и остаточный ток в цепи нагрузки очень мал. Соответственно напряжение на ключе икэ близко к Ек . Если напряжение Еб

имеет положительную полярность и достаточно велико, то транзистор открыт, в цепи нагрузки протекает ток IК и остаточное напряжение на ключе может быть близким к нулю [1]. Таким образом работа ключа сопровождается: перезарядкой емкостей (емкости р-п переходов) и рассасыванием неосновных носителей в базе. Это и есть две основные причины снижения быстродействия.

Классический ключ. Для начала рассмотрим моделирование переходных процессов в классическом ключе рис.2.

На рис.3 хорошо видны все недостатки классического ключа: большое время задержки включения и формирования фронта, которое обусловлено зарядом входной ёмкости. Большое время задержки выключения и формирования среза, из-за рассасывания неосновных носителей в базе [1,2].

Время формирования фронта равно 1ф=55 нс, время формирования среза равно 1с=112 нс, время рассасывания заряда 1р=87 нс.

у<1НУ)

КЭес*)

Рис.3

у(4)(У1

к^і)

Рис.4

Ключ с форсирующим конденсатором. Теперь рассмотрим введение форсирующей емкости. Она ставится в базовую цепь рис.5.

Ключ с диодом Шоттки. Это классический ключ, у которого между коллектором и базой транзистора сделана отрицательная обратная связь в виде диода рис.6.

Принцип работы форсирующего конденсатора очевиден: при отпирании транзистора ток базы определяется процессом заряда форсирующей емкости (быстрый переход в режим насыщения), в открытом состоянии ток базы определяется резистором, величина которого выбирается таким образом, чтобы обеспечить неглубокое насыщение транзистора. Таким образом, уменьшается время рассасывания неосновных носителей в базе. На рис.4 приведены результаты моделирования переходных процессов этого ключа [1].

Из рис.4 видно что благодаря введению форсирующего конденсатора уменьшились времена переходных процессов, они стали: 1ф=40 нс, ^=92 нс, 1р=39 нс.

Запертый диод не влияет на работу схемы, когда ключ открывается, диод оказывается смещенным в прямом направлении, а транзистор оказывается охваченный глубокой отрицательной обратной связью, что не дает ему входить в режим глубокого насыщения и приводит к уменьшению времени рассасывания заряда. Чаще всего используют диод Шоттки, что обусловлено его уникальными свойствами: протекание через него прямого тока не связано с инжекцией неосновных носителей и эффектом их накопления, как это имеет место в диоде с р-п переходом [1,3].

Выход

1

Вход I

у<4НУ)

у

4000

Т (ЗеС5>

Рис.7

Выход

'

Вход

ООООи ш ІОи 2000и ЗОООи 4 ОС Юи

Т Оєсї)

Рис.8

у«)М

Рис.9

На рис.7 приведены результаты моделирования переходных процессов в ключе с диодом Шоттки, из которых видно что введение отрицательной обратной связи значительно уменьшило время рассасывания заряда, оно стало 1р=1 нс.

Ключ с комбинированной обратной связью.

Представляет собой одновременное использование форсирующего конденсатора и отрицательной обратной связи рис.10.

Тип ключа нс tc нс 1р нс

Классический ключ 55 112 S7

Ключ с форсирующим конденсатором 40 92 39

Ключ с диодом Шоттки 60 127 1

Ключ с комбинированной обратной связью 1 17 1

Введение комбинированной обратной связи приводит к заметному снижению времени формирования фронта и среза (использование форсирующего конденсатора) и уменьшению времени рассасывания заряда (введение диода Шоттки). На рис.8 приведены результаты моделирования переходных процессов в таком ключе, из которого видно, что у этого ключа практически отсутствуют времена переход-

ных процессов. Время формирования фронта составляет 1ф=1 нс, а время формирования среза ^=17 нс, время рассасывания заряда 1р=1 нс.

На рис.9. для сравнения приведены переходные характеристики всех выше описанных ключей. Из рисунка видно, что ключ с комбинированной обратной связью превосходит все остальные ключи, а так же это очень хорошо видно из таблицы, в которой приведены данные о быстродействии исследуемых ключей, полученные при моделировании.

В результате моделирования переходных процессов различных схем быстродействующих ключей, было выявлено явное превосходство ключа с комбинированной обратной связью, времена его переходных процессов равны 1ф=1 нс, ^=17 нс, 1с=1 нс, что на порядок выше чем у классического ключа. При этом введение комбинированной обратной связи не значительно усложняет схему ключа.

Литература

1. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника (полный курс): Учебник для вузов. Под ред. О.П.Глудкина. - М.: Горячая линия - Телеком, 2007. - 768с.

2. Дудкин В.П. Быстродействующие электронные ключи на полевом транзисторе с активной обратной связью/ Дудкин В.П., Портных Д.В., Портных С.В., Охремчик С.А. // Радиолокация, навигация, связь: сб.научн.тр. XIII Междунар. Научн.-техн.конф., Воронеж, 2007, Т.2. -с.1318-1327.

3. Дудкин В.П. Быстродействующие электронные ключи на комплементарных элементах/ Дудкин В.П., Портных С.В., Портных Д.В., Охремчик С.А. // Радиолокация, навигация, связь: сб.научн.тр. XIII Междунар. Научн.-техн.конф., Воронеж, 2007, Т.2. - с.1309-1317.

4. Быстров Ю.А., Мироненко И.Г. Электронные цепи и микросхемотехника.- М: Высшая школа, 2002.- 384с.

Воронежский государственный университет ОАО «Концерн „Созвездие”», г. Воронеж

THE RESEARCH ON THE TRANSIENT PROCESSES IN THE BIPOLAR TRANSISTOR ELECTRONIC SWITCH WITH THE COMBINED FEEBACK U.B. Nechaev, V.P. Dudkin, S.V. Portnykh

This work describes the research on the transient processes in the bipolar transistor electronic switch with the combined feedback. Numerical simulation of the classic switch, speedup capacitor switch, Schottky diode switch and switch with combined feedback in the Micro-Cap environment is described

Key words: transient process, degenerative feedback, classic key