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晶體管開關電路設計案例分析

鉅大LARGE  |  點擊量:44次  |  2020年08月28日  

摘要
基本的晶體管開關電路飽和開關的問題點:OFF延時時間如圖1所示,使場效應晶體管開關動作時,加給晶體管的基極電流IB:IB=IC/hFE,決定的值大的電流。這是由于晶體管的集電極一發射極飽和電壓VCE(

基本的晶體管開關電路


飽和開關的問題點:OFF延時時間


如圖1所示,使場效應晶體管開關動作時,加給晶體管的基極電流IB:


IB=IC/hFE,決定的值大的電流。


這是由于晶體管的集電極一發射極飽和電壓VCE(set)減小,使晶體管的ON時的電力損耗降低的緣故。


這樣,晶體管飽和動作時,如圖2所示,基極電流IB,即使為0,晶體管也不能立刻OFF,


集電極電流在積蓄(strage)時間tstg+上升時間tr,之后才變為0(toff=tstg=tr)。


圖1基本的晶體管開關電路


圖2為使開關高速,減小toff很重要


用于OFF晶體管的時間莎。toff比用于ON的時間ton要長,而且根據驅動基極的條件變化很大,這在高速開關電路中必需注意。


如上圖,問題是,輸出端的波形下降沿和上升沿不可能是垂直的,有個斜率,


如何減小這個斜率(就是讓邊沿陡一點),我說把基極對地的電阻加大一點,


他說不對,還說讓我加個東西就行了,想不出來,我想了一下不可能是電容,二極管也不太對,


真的沒想到好的答案,暈死,這么簡單的電路想不出來


謝謝各位了,哎,加個電容,我原來還看見過這種電路的,怎么就沒有想起來呢,


說一句,那家單位是做伺服的,重要想想這么簡單的東西不太會問的,疏忽了


BE間的電阻還有個很重要的用途,那就是泄放pN結電容存儲的點荷,


使晶體管很快地從飽和區進入截止區,在高頻或晶體管頻率太低時,


這電阻尤為重要,對輸出上升沿影響很大(假定是反相用法),電阻應該減小,


真正的高頻電路中甚至小到幾十歐。要加個東西,使邊沿陡峭點,又沒說是什么東西,那就再輸出端加個門作緩沖器吧。


在基極限流電阻旁并一小電容,能加速三極管的開關動作。


另把集電極電阻減小,能顯著加速輸出的上升速度。


改變基極的兩個電阻阻值,在特定條件下也有一定的效果。


集電極電阻取小重要是考慮電容負載的問題


根據內阻,要調整參數


有肖特基箝位


無肖特基箝位


電容加速


從上面的討論可否得這樣的結論:


要提高輸出脈沖的前后沿速度,就要加大激勵信號,又要防止晶體管深飽和造成存儲延遲,于是:


1.用電容加速,只在前后沿大激勵,即提高了沿的速度,又不至深飽和


2.整個脈沖大激勵,提高沿的速度,用肖特基箝位來防止深飽和。


就上面的電路參數仿真看,電容對沿的加速用途似乎更明顯。


1、加速電容構成微分電路,利用電容兩端電壓不能突變的特性讓輸入瞬間的變化量直接引入到三極管基極,


用過沖加快三極管的狀態變化。等過渡過程結束后又回歸到兩個電阻的直流分壓,所以電容不影響飽和深度;


2、在基-集間加二極管箝位,可防止深飽和,給三極管節省了從深飽和退出的時間,使整個導通→截止的變化曲線平移提前了。


即使不用二極管箝位,根據輸入電平適當計算兩個基極電阻的比值,也能防止三極管深飽和


下面這個電路中,高速開關二極管(1N4148)與電阻R1的用途是當晶體管截止時,


為反向基極電流供應一個低阻抗的通路。這個為“開關”關的動作供應了盡可能快的支持,因為它迅速讓電荷從三極管的pn勢壘電容里釋放掉。


脈沖電路中最常用的反相器電路


就拿脈沖電路中最常用的反相器電路(圖1)來說,從電路形式上看,它和放大電路中的共發射極電路很相似。


在放大電路中,基極電阻Rb2是接到正電源上以取得基極偏壓;而這個電路中,為了保證電路可靠地截止,Rb2是接到一個負電源上的,而且Rb1和Rb2的數值是按晶體管能可靠地進入飽和區或止區的要求計算出來的。不僅如此,為了使晶體管開關速度更快,在基極上還加有加速電容C,在脈前沿出現正向尖脈沖可使晶體管快速進入導通并飽和;在脈沖后沿出現負向尖脈沖使晶體管快速進入截止狀態。除了射極輸出器是個特例,脈沖電路中的晶體管都是工作在開關狀態的,這是一個特點。


脈沖電路的另一個特點是一定有電容器(用電感較少)作關鍵元件,脈沖的出現、波形的變換都離不開電容器的充放電。


箝位器


能把脈沖電壓維持在某個數值上而使波形保持不變的電路稱為箝位器。它也是整形電路的一種。例如電視信號在傳輸過


會造成失真,為了使脈沖波形恢復原樣,接收機里就要用箝位電路把波形頂部箝制在某個固定電平上。


圖8中反相器輸出端上就有一個箝位二極管VD。


假如沒有這個二極管,輸出脈沖高電平應該是12伏,現在新增了箝位二極管,輸出脈沖高電平被箝制在3伏上。


加速電容器(speed-upcapacitors)


在要求快速切換動作的應用中,必須加快三極管開關的切換速度。


圖7為一種常見的方式,此方法只須在RB電阻上并聯一只加速電容器,


如此當Vin由零電壓往上升并開始送電流至基極時,電容器由于無法瞬間充電,故形同短路,


然而此時卻有瞬間的大電流由電容器流向基極,因此也就加快了開關導通的速度。


稍后,待充電完畢后,電容就形同開路,而不影響三極管的正常工作。


加速電路及其波形


加速電容器C和三極管輸入電阻R組成微分電路。


在輸入信號正跳變時,可供應比無加速電容大得多的正向基極電流,使三極管很快達到飽和,見圖。


在輸入信號下跳時,又可供應很大的反向基極電流,使基區存儲的電荷消散,三極管迅速進入截止狀態。


電容加速電路


電容加速電路也是經常在設計中用到的一種實用電路。如圖1所示:


這是在脈沖放大器電路中的一種的應用。其中的三極管VT1是工作在開關狀態下。


開頭提到的所謂加速,就是加快響應速度,加快對輸入信號的響應速度。


從圖1中的三極管VT1來看,就是要求三極管在截止,飽和兩種狀態之間的轉換速度越快越好。


那么圖1中的電路是如何起到加速用途呢?


為了做一個比較與便于理解,先簡單分析沒有加入加速電容之前的電路,如圖2所示。


在圖2中,當輸入Ui是矩形脈沖信號加到VT1基極時,


若Ui為高,VT1飽和導通,若Ui為低,VT1截止。


在接入C1后,如圖1所示,其可等效成如圖3所示的微分電路:


此時還是加入同樣的輸入信號Ui:


當Ui從低—》高時,由于微分電路的用途,使加到基極的電壓出現一個尖頂脈沖,


使基極的電流很大,從而加快了VT1從截止進入導通的速度,縮短了時間。


在t0之后,對C1的充電很快就結束,這時Ui加到基極的電壓較小,維持VT1導通。


當Ui從高—》低時,即t1時刻,由于C1上原先的電壓極性為左正右負,


這一電壓加到基極為負頂脈沖,加快了從基區抽出電荷,使VT1以更快的速度從飽和轉換到截止,


縮短了VT1的截止時間。


上述的Ui和Uo的波形如圖4所示,直觀反映了電容加速電路的工作原理。


1.分析加速電容電路三要點


分析這一電路工作原理首先要搞清楚下列三個方面的問題,才能做到有的放矢:


(1)脈沖放大器中的三極管工作在開關狀態下,即一種工作狀態是飽和,另一種是截止。


要求三極管從截止、飽和兩種狀態之間轉換的速度愈快愈好,加速電容電路就是用來加速這種轉換的電路,


了解這一點對理解加速電容電路工作原理有益。


(2)了解微分電路工作原理。


(3)掌握電容兩端不能突變的特性,這對分析加速電容的工作原理非常重要。掌握電容充電和放電特性,加速電容在工作過程中就是充電和放電的過程。


2.利用微分電路分析加速電容電路的方法


電路分析的基本方法和思路是:


當輸入電壓Ui是一個矩形脈沖信號,它是加到三極管VT1基極的電壓,當Ui為高》電平時給三極管VT1正向偏置電壓而使之飽和導通,當Ui為低電平時給VT1管反向偏置電壓而使之狀態。


第二步討論接入加速電容C1之后的電路工作原理。


從電路中可以看出,加速如圖14所示是脈沖放大器電路。


電路中,VT1是三極管,構成脈沖放大管,C1并聯在R1上,C1是加速電容。


C1的用途是加快VT1管導通和截止的轉換速度,所以稱為加速電容,許多電路的名稱是根據電路所起用途而來的。


第二步討論接入加速電容C1之后的電路工作原理。


從電路中可以看出,加速電容Cl與三極管VT1的輸入電阻Ri構成微分電路,如下圖所示等效電路和波形示意圖。


根據微分電路的有關特性可知,當輸入信號電壓Ui從OV跳變到高電平時,由于電容c1和Ri微分電路的用途,


使加到VTl管基極的電壓出現一個尖頂脈沖,見輸出電壓UO波形所示,在t0時刻這一尖頂脈沖使VT1管基極電流很大,


這樣VT1管迅速從截止狀態進入飽和狀態,加速了VT1管的飽和導通,縮短了VT1管飽和導通時間。


在t0之后,對Cl的充電很快結束,這時輸入信號電壓Ui加到VT1管基極的電壓比較小,維持VT1管的飽和導通狀態。


當輸入信號電壓Ui從高電平突然跳變到OV時,即t1時刻,由于C1上原先充到的電壓極性為左+右一,見圖中所示,這一電壓加到VT1管基極電壓,


為負尖項脈沖,由于加到VT1管基極的電壓為負,加快了VT1管從基區抽出電荷,使VT1管以更快的速度迅速從飽和狀態轉換到截止狀態,縮短了VT1管截止時間。


3.電路分析方法提示


(1)加速電容電路重要出現在電子開關電路或脈沖放大器電路中,關于音頻放大器電路不用這種電路。在脈沖放大器中的輸入信號為脈沖信號。


(2)通過對電路分析可知,由于接入電容C1,使VT1管以更快的迅速進入飽和狀態,


同樣也是以更快的迅速進入截止,可見電容C1具有加速VT1管工作狀態轉換的用途,所以將C1稱為加速電容。


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