引言:BJT从导通到关闭存在一定的延时,在特定的场景中比如BJT电平转换,高频信号调理,这种延时存在很大的隐患,本节简述如何消除BJT的关断延时。
€1.延时的产生机理
类似于图15-1,晶体管从截止状态切换到导通状态,输出out会立即响应,但晶体管处于导通状态时有基极电流流过,所以在基区内积累有电子,此时晶体管从导通切换到关闭状态,基区内的电子并不能立即消失(电荷储存),而且在基极限流电阻的作用下,也不会马上从基区取出全部电子,这就造成导通到关闭存在时间滞后。在开关调节器之类的负载高速开关的应用中,这种时间滞后是很不利的。
图15-1:NPN的常见使用电路
这里其实有两个时间需要注意,一个是延时,一个是缓时。如图15-2是输出Vout相对于输入Vin的响应延时,Vin从低到高,Vout会及时响应,速度快,但Vin从高到低,Vout会隔一段延时才能响应,图15-3则演示了输出Vout本身的上升时间差异,即缓时。
图15-2:输入输出之间的响应延时
上升波形不陡峭的原因一般是由于R1与晶体管密勒效应构成低通滤波器的缘故,增大了晶体管输入电容,与电荷存储效应没有关系。
图15-3:上升速度的差异
€2.提高开关速度
#1.加速电容
如图15-4所示,R1并联一个小容量电容,当Q1从截止状态切换到导通状态,即输入信号从低电平切换到高电平时,电容可以使R1瞬间被旁路并提供基极电流。当Q1从导通状态切换到截止状态,即输入信号从高电平切换到低电平时,晶体管由导通到截止时能够迅速从基区取出电子,消除开关滞后。这个电容的作用就是提高开关速度,称之为加速电容。但是使用加速电容也会给输出波形带来下过冲,对一般的晶体管来说,加速电容的容量取值为几十pF到几百pF。
图15-4:添加加速电容
实际上晶体管由截止状态到导通状态的时间缩短了,由于使用所使用的晶体管以及基极电流、集电极电流的不同,加速电容的最佳值是各不相同的,因此加速电容的值需要通过观测实际开关电路的开关波形决定。
肖特基钳位:
如图15-5通过肖特基钳位,接入肖特基二极管的效果与接入加速电容的效果相同,晶体管从导通状态变化到截止状态没有时间滞后。
肖特基二极管的正向压降VF比晶体管的Vbe小,大约0.3V,所以本来应该流过晶体管的大部分基极电流I1现在都通过D1被旁路掉了。这时流过晶体管的基极电流非常小,所以可以认为这时晶体管的导通状态很接近截止状态。从导通状态变化到截止状态时的时间滞后非常小(基极电流小,所以电荷存储效应影响小)
图15-5:肖特基钳位加速
€3.小结
1#:当R1减小时,由于低通滤波器的截止频率升高,所以输出波形上升速度会加快。即减小R1的值可以使响应波形的上升速度加快。
2#:加速电容是一种与减小R1值等效的提高开关速度的方法,肖特基箍位可以看作是改变晶体管的工作点,减小电荷存储效应,提高开关速度的方法。
3#:由于肖特基箍位电路不像接入加速电容那样会降低电路的输入阻抗,所以当驱动开关电路的前级电路的驱动能力较低时,采用这种方法很有效。在设计这类电路时需要注意肖特基二极管的反向电压VR的最大额定值,有的肖特基二极管的VR最大额定值非常低。