Искусство схемотехники. Том 3 (Изд.4-е)

Хоровиц Пауль

Варикапы, диоды с накоплением заряда (SNAP-диоды). Варикап — это диод с отрицательным смещением, используемый в качестве переменной емкости для настройки или в параметрических усилителях. Нелинейность характеристики позволяет использовать варикапы и в генераторах гармоник, т. е. как умножители частоты. SNAP-диоды также широко используются для генерации гармоник, поскольку они обладают субпикосекундным временем нарастания.

Диоды Шоттки, обращенные диоды. О диодах Шоттки мы говорили и раньше как о быстродействующих диодах с низким прямым падением напряжения. Их часто используют в качестве смесителей, как и обращенные диоды - разновидность туннельных диодов. Посмотрите разд. 13.13 о применениях прекрасных обращенных диодов (квадратичный детектор).

Быстродействующие ключи

Те же самые

эффекты, которые ограничивают возможности линейных высокочастотных усилителей (ёмкости переходов, ёмкость обратной связи (проходная) с её эффектом Миллера, а также паразитные емкости в комбинации с конечными сопротивлениями источника и нагрузки), налагают ограничения по скорости и на быстродействующие цифровых схемы. Многие из этих проблем непосредственно конструктора не касаются, поскольку они удачно разрешены при построении самой цифровой ИМС. Трудности возникают при использовании схем ТТЛ, например, только если в конструкции требуются дискретные транзисторы. Тем не менее часто необходимо знать, как работают быстродействующие переключающие схемы. Например, при работе на внешнюю высоковольтную или сильноточную нагрузку (или нагрузку, требующую ток противоположной полярности) от логического выхода очень легко может ухудшиться быстродействие (например, раз в 100), если при конструировании допустить небрежность. Более того, бывают ситуации, когда используются бескорпусные цифровые логические схемы и вам приходится все делать самому.

Этот раздел мы начнем с рассмотрения простых моделей транзисторов, полезных при расчете схем переключения. На нескольких примерах покажем, как эти модели работают (и как важно правильно подобрать транзистор). В заключение рассмотрим построение транзисторных переключающих схем на примере одной быстродействующей схемы (фотоумножительный предусилитель — дикриминатор).

13.23. Модель транзистора и ее уравнения

На рис. 13.50 изображена ключевая схема на насыщенном транзисторе, включенном инвертором, сигнал на которую подается от источника импульсов с чрезвычайно короткими временами нарастания и спада, ^-сопротивление источника, r'_б — относительно небольшое внутреннее распределенное сопротивление базы транзистора (около 5 Ом), С_кб — наиважнейшая емкость обратной связи (проходная) и R_K — сопротивление нагрузки, имеющей емкость С_н.

Рис. 13.50.

Эффекты, связанные с конечной величиной нагрузочного сопротивления, можно учесть, если считать, что R_K представляет собой суммарное сопротивление при соответствующем пересчете U_KK. Емкость между коллектором и эмиттером входит в С_н, а С_бэне учитывается, поскольку благодаря эффекту Миллера С_кб всегда доминирует на входе.

На рис. 13.51 изображена типичная для этой схемы форма выходного импульса, если на вход ее подается хорошо сформированный отрицательный сигнал.

Рис. 13.51. Форма импульса на выходе транзисторного ключа.

Время нарастания t_нap определяется как промежуток между моментами времени, когда значение сигнала равно соответственно 10 и 90 % конечного значения. Так же определяется и время спада t_сп. Особо отметим относительно длительный период рассасывания неосновных носителей в базе t_расс, который требуется, чтобы транзистор из насыщения перешел в линейное состояние проводимости, по сравнению с соответствующим более коротким временем задержки t₃, требующимся для выхода из состояния отсечки. Эти параметры общепринято брать между 10 %- и 90 %-ными точками. В цифровой логике более полезно знать времена распространения t_р.нар и t_р.сп, определяемые как времена от момента изменения состояния входа до момента, когда выходной

сигнал проходит через логический порог (соответственно на нарастающем и спадающем фронтах). Для этих величин обычно пользуются другими обозначениями, например, t^1.0_з.др и t^0,1_з.др.

Попробуем применить модель схемы для определения времени нарастания и спада в данной цепи. В процессе расчета станет понятным, почему нарастающий фронт выходного сигнала иногда заканчивается по экспоненциальному закону.

Определение времени нарастания. После перехода входного сигнала в состояние низкого уровня и окончания — времени t_расс  напряжение на коллекторе начинает возрастать. Два эффекта ограничивают скорость нарастания: a) R_Kв сочетании с С_кб и С_н дают постоянную времени, определяющую экспоненциальный рост напряжения до U_KK, но б) если скорость этого роста достаточно велика, получающийся в результате ток через С_кб, выделяясь на сопротивлении источника (R_и + r'_б), вызывает прямое смещение базы, и оно может возбуждать базу, что тормозит рост коллекторного напряжения (отрицательная обратная связь). Если это происходит, то схема оказывается интегратором, а сигнал на коллекторе — линейно нарастающим. В целом (в зависимости от параметров схемы и самого транзистора) импульс на коллекторе сначала имеет линейное нарастание, переходящее затем в экспоненту, как показано на рис. 13.51.

На рис. 13.52 приведены осциллограммы этих эффектов.

Рис. 13.52. Импульсы переключения напряжений затвора и стока. а — сопротивление стока 10 кОм; б — сопротивление стока 200 кОм. Видно, как с источником, имеющим преувеличенное сопротивление 100 кОм, динамический эффект Миллера способствует фиксации уровня. Цена деления по вертикали 2 В/дел.; частота сигнала 6 кГц.

Вместо n-p-n– транзистора мы воспользовались n– канальным полевым МОП-транзистором, работающим в режиме обогащения. Он ведет себя также, но большее напряжение отпирания затвора существенно улучшает форму импульсов. Кроме того, полевые МОП-транзисторы не имеют эффектов, связанных с временами рассасывания носителей и задержки, и у них отсутствует постоянный входной ток, при котором все упрощается. На рис. 13.53 приведена схема, в которой импеданс источника сигналов нами намеренно сделан преувеличенным.

Рис. 13.53.

Заметьте, как емкость обратной связи поддерживает напряжение затвора на уровне порога отпирания во время переключения стока. Обратите внимание также на то, что нарастание сигнала стока изменяется экспоненциально, если R_c велико.

Простой способ расчета поведения схемы состоит в следующем:

1. Рассчитывается скорость нарастания напряжения на коллекторе для «ограничения вследствие интегрирования» с использованием уравнения

где U_вх.н.у — низкий уровень входного напряжения.

2. Определяется коллекторное напряжение U_x, при котором выходное напряжение переходит от линейного нарастания к экспоненте из уравнения

С помощью этих двух уравнений можно вычислить форму переднего фронта коллекторного импульса и время нарастания. Если U_x окажется отрицательным, то это означает, что нарастание коллекторного напряжения носит чисто экспоненциальный характер: емкостная нагрузка преобладает и ток через емкость обратной связи вообще не возбуждает базу. Величина r'_б обычно незначительна.