Способы повышения быстродействия транзисторного ключа

Известные способы повышения быстродействия ключей и интегральных схем на их основе можно условно разделить на две группы - конструктивно-технологические и схемные.

К конструктивно-технологическим способам повышения быстродействия можно отнести:

¾ Использование быстродействующих транзисторов с малыми паразитными емкостями. Это особенно эффективно реализуется в цифровых ИС, выполненных на кристалле с субмикронными технологическими нормами (малые размеры – малые паразитные емкости). При изготовлении транзисторов обычно используют диффузию атомов золота, что существенно снижает время жизни носителей заряда;

¾ Работа в режиме с большими токами коллектора и базы. Большие токи обеспечивают ускоренный заряд и разряд паразитных емкостей;

¾ Уменьшение перепада напряжения между низким и высоким уровнем также способствует сокращению времени перезаряда емкостей. Стандартная логика использует напряжение питания 5 В. Современная логика переходит на напряжение питание 3.3 В и менее. Особенно эта тенденция отчетливо прослеживается в технике микропроцессоров. Напряжение питания вычислительного ядра процессора Pentium уже снизилось до напряжения порядка 1 В. Здесь уместно напомнить, что при уменьшении напряжения питания необходимо принимать комплекс мер (сложных и дорогих), связанных с поддержанием приемлемой помехозащищенности;

Схемотехнические способы повышения быстродействия позволяют при тех же транзисторах реализовать более быстрое переключение за счет схемных решений:

1) Если сравнивать простые схемы ключей, то ключ (рис 2.3а) более быстродействующий, чем 2.2б, так как рассасывание неосновных носителей в базе происходит более эффективно при наличии отрицательного источника смещения.

2) Простое увеличение тока базы (за счет уменьшения R_б) неэффективно. Конечно же, при этом уменьшается время включения транзистора за счет быстрого накопления носителей. Но при этом транзистор попадает в режим глубокого насыщения, накапливается избыточный заряд в базе, растет время рассасывания носителей при запирании транзистора, увеличивается задержка фронта при выключении. Этого можно избежать, используя ключ с ускоряющим (форсирующим) конденсатором С_УСК (рис 2.5). Подобные схемы широко используются, легко реализуются в ключах на дискретных компонентах.

Рис 2.5. Схема ключа с ускоряющим конденсатором и временные диаграммы его работы

В исходном состоянии при U_вх=Е⁰ транзистор заперт, ток Iк ~0, ток базы I_б ~0, конденсатор С_уск разряжен.

При подаче входного импульса U_вх=Е¹ конденсатор С_уск начинает заряжаться и в первый момент протекает большой ток заряда, равный I_Бmax=Е_г/R_г. В области базы большим током быстро накапливаются неосновные носители, транзистор отпирается. По мере заряда С_уск ток уменьшается и когда конденсатор зарядится (полярность показана на рис 2.5), ток базы определяется лишь резисторами в цепи базы удерживается на грани насыщения I_бн. Оптимально будет, если заряд, накопленный в ускоряющей емкости, будет равен граничному заряду неосновных носителей в базе, при котором транзистор войдет в насыщение.

Этому условию соответствует . Величина С_уск в реальных случаях составляет тысячи пикофарад.

При появлении на входе сигнала низкого уровня U_вх=Е⁰, к базе транзистора оказывается приложенным отрицательное напряжение на конденсаторе С_уск, что вызывает ускоренное рассасывания заряда неосновных носителей и транзистор форсированно закрывается. Иногда для уменьшения времени перезаряда конденсатора включается вспомогательный диод VD.

Этот метод эффективно повышает быстродействие ключа и широко используется в ключах на дискретных компонентах. Однако в интегральной технологии такой способ неприемлем из-за сложности изготовления на кристалле емкости большого номинала.

Повышение быстродействия ключа за счет нелинейной обратной связи