如何消除BJT的關(guān)斷延時

SCD----加速BJT開關(guān)

引言：BJT從導(dǎo)通到關(guān)閉存在一定的延時，在特定的場景中比如BJT電平轉(zhuǎn)換，高頻信號調(diào)理，這種延時存在很大的隱患，本節(jié)簡述如何消除BJT的關(guān)斷延時。

1.延時的產(chǎn)生機(jī)理

類似于 圖15-1，晶體管從截止?fàn)顟B(tài)切換到導(dǎo)通狀態(tài)，輸出out會立即響應(yīng)，但晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時有基極電流流過，所以在基區(qū)內(nèi)積累有電子，此時晶體管從導(dǎo)通切換到關(guān)閉狀態(tài)，基區(qū)內(nèi)的電子并不能立即消失（電荷儲存），而且在基極限流電阻的作用下，也不會馬上從基區(qū)取出全部電子，這就造成導(dǎo)通到關(guān)閉存在時間滯后。在開關(guān)調(diào)節(jié)器之類的負(fù)載高速開關(guān)的應(yīng)用中，這種時間滯后是很不利的。

圖15-1：NPN的常見使用電路

這里其實有兩個時間需要注意，一個是延時，一個是緩時。如圖15-2是輸出Vout相對于輸入Vin的響應(yīng)延時，Vin從低到高，Vout會及時響應(yīng)，速度快，但Vin從高到低，Vout會隔一段延時才能響應(yīng)，圖15-3則演示了輸出Vout本身的上升時間差異，即緩時。

圖15-2：輸入輸出之間的響應(yīng)延時

上升波形不陡峭的原因一般是由于R1與晶體管密勒效應(yīng)構(gòu)成低通濾波器的緣故，增大了晶體管輸入電容，與電荷存儲效應(yīng)沒有關(guān)系。

圖15-3：上升速度的差異

2.提高開關(guān)速度

1.加速電容

如圖15-4所示，R1并聯(lián)一個小容量電容，當(dāng)Q1從截止?fàn)顟B(tài)切換到導(dǎo)通狀態(tài)，即輸入信號從低電平切換到高電平時，電容可以使R1瞬間被旁路并提供基極電流。當(dāng)Q1從導(dǎo)通狀態(tài)切換到截止?fàn)顟B(tài)，即輸入信號從高電平切換到低電平時，晶體管由導(dǎo)通到截止時能夠迅速從基區(qū)取出電子，消除開關(guān)滯后。這個電容的作用就是提高開關(guān)速度，稱之為加速電容。但是使用加速電容也會給輸出波形帶來下過沖，對一般的晶體管來說，加速電容的容量取值為幾十pF到幾百pF。

圖15-4：添加加速電容

實際上晶體管由截止?fàn)顟B(tài)到導(dǎo)通狀態(tài)的時間縮短了，由于使用所使用的晶體管以及基極電流、集電極電流的不同，加速電容的最佳值是各不相同的，因此加速電容的值需要通過觀測實際開關(guān)電路的開關(guān)波形決定。

肖特基鉗位：

如圖15-5通過肖特基鉗位，接入肖特基二極管的效果與接入加速電容的效果相同，晶體管從導(dǎo)通狀態(tài)變化到截止?fàn)顟B(tài)沒有時間滯后。

肖特基二極管的正向壓降VF比晶體管的Vbe小，大約0.3V，所以本來應(yīng)該流過晶體管的大部分基極電流I1現(xiàn)在都通過D1被旁路掉了。這時流過晶體管的基極電流非常小，所以可以認(rèn)為這時晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)很接近截止?fàn)顟B(tài)。從導(dǎo)通狀態(tài)變化到截止?fàn)顟B(tài)時的時間滯后非常小（基極電流小，所以電荷存儲效應(yīng)影響?。?/p>

圖15-5：肖特基鉗位加速

3.小結(jié)

1：當(dāng)R1減小時，由于低通濾波器的截止頻率升高，所以輸出波形上升速度會加快。即減小R1的值可以使響應(yīng)波形的上升速度加快。

2：加速電容是一種與減小R1值等效的提高開關(guān)速度的方法，肖特基箍位可以看作是改變晶體管的工作點，減小電荷存儲效應(yīng)，提高開關(guān)速度的方法。

3：由于肖特基箍位電路不像接入加速電容那樣會降低電路的輸入阻抗，所以當(dāng)驅(qū)動開關(guān)電路的前級電路的驅(qū)動能力較低時，采用這種方法很有效。在設(shè)計這類電路時需要注意肖特基二極管的反向電壓VR的最大額定值，有的肖特基二極管的VR最大額定值非常低。