С помощью этих двух уравнений можно вычислить форму переднего фронта коллекторного импульса и время нарастания. Если 1/ 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 Гб обычно незначительна.

Здесь верхний индекс указывает последовательность логических состояний.- Прим. ред.

менения 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 д. ? и tl-,p \

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 напряжение на коллекторе начинает возрастать. Два эффекта ограничивают скорость нарастания: а) в сочетании с Сцб и Сд дают постоянную времени, определяющую экспоненциальный рост напряжения до но б) если скорость этого роста достаточно велика, получающийся в результате ток через С„б, выделяясь на сопротивлении источника (/и+Гб), 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 рисунке.

Простой способ расчета поведения схемы состоит в следующем:

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

dU4 бэ-вх.н.у

~~dr ~ С„б (/?и+А^

где 17вх. н. у - низкий уровень входного напряжения.

2. Определяется коллекторное напряжение Vпри котором выходное напряжение переходит от линейного нарастания к экспоненте из уравнения

Упражнение 13.1, Выведите две предшествующие формулы. Указание: для вывода второй формулы приравняйте ток обратной связи, текущий в базу, к току коллекторного резистора за вычетом тока, ответвляющегося в емкостную нагрузку.

Определение времени спада. По истечении короткого времени задержки U после перехода входного сигнала в состояние высокого уровня f/вх. в. у коллекторное напряжение начинает падать к уровню насыщения транзистора. Произведя несложные расчеты, легко увидеть, что ток коллектора определяется выражением

\ /?и + б dt ) Rj dt

где первое выражение - это ток базы, умноженный на /гь, а второе- ток коллектора, определяемый как ток через минус ток, отбираемый зарядом емкости, подключенной к коллектору. Напоминаем, что dUi/dt отрицательно. После преобразования получим

где первый член в скобках соответствует току управления в цепи базы, умноженному на /гь, а второй-току через коллекторный резистор. Теперь вы можете попробовать рассчитать некоторые схемы, вы сможете определить время нарастания и спада, а также, какая емкость доминирует. Сначала, однако, рассмотрим времена рассасывания носителей и задержки.

Времена задержки и рассасывания носителей в базе. Обычно времена задержки очень малы. Главную роль играет постоянная времени, которая определяет снижение заряда емкости базы до

и равна в общем

При очень высоком быстродействии влияние оостоянных времени транзисторных переходов может также оказаться важным.

Гораздо большую роль играет время рассасывания. У транзистора в насыщении заряд накапливается в области базы, и после того, как управляющий сигнал на базе становится близким к потенциалу земли (или даже отрицательным), требуется относительно длительное время, чтобы ранее инжектированные из эмиттера избыточные неосновные носители ушли кз базы под действием тока коллектора. Транзисторы сильно отличаются друг от друга по времени рассасывания; это время можно сделать короче, если уменьшить ток базы во время насыщенного состояния и если при запирании подавать обратное смещение на базу, чтобы обеспечить обратный ток базы, когда транзистор переключается в состояние отсечки. Эти моменты отражены в уравнении для времени рассасывания расс .

б.нас вык л

-С

а

Для мощных низкочастотных приборов - даже десятки микросекунд - Прим.

ред

> При производстве дИоды Шоттки получаются даром там, где они требуются, просто не принимают мер для предотвращения их образования в контакте металл - полупроводник. Однако это требуiT строгого соблюдения технологии. - Прим. ред.

> Ускоряющий конденсатор в цепи базы - палка о двух концах . Дело в том, что его собственный перезаряд отнимает время, что может приводить к существенному снижению общего быстродействия, хотя фронты на выходе будут улучшены (быстродействие по входу падает),- Прим. ред.

где обратный ток базы /б выкл отрицателен при токах базы, обеспечивающих разряд заряда в базе. Коэффициент К. определяется временем жизни неосновных носителей , которое сильно уменьшается при легировании золотом. Однако такое легирование уменьшает /213 и увеличивает ток утечки. Этим объясняется высокое быстродействие ТТЛ, а также их низкое напряжение пробоя (порядка 7 В).

Времена рассасывания могут быть очень большими и составлять несколько сотен наносекунд \ что примерно на порядок превышает времена задержки при включении. Так, например, распространенный прибор общего назначения 2N3904 имеет максимальное время задержки 35 НС, а время рассасывания 200 не при стандартных условиях проверки, когда на базу подается отрицательное смещение, равное падению напряжения на двух прямосмещенных диодах. Поскольку времена рассасывания существенно ограничивают быстродействие переключательных схем, приходится применять меры для решения проблемы насыщения. Один из способов заключается в том, чтобы исключить вовсе состояние насыщения у транзистора. Включенный в обратную связь диод Шоттки ( связь Bakerа ) между базой и коллектором прекрасно выполнит эту задачу, отбирая избыточный ток базы, когда транзистор близок к насыщению и потенциал коллектора ниже, чем у базы. Это предотвращает насыщение транзистора, так как напряжение прямосмещенного диода Шоттки меньше напряжения прямосмещенного перехода коллектор - база. Этот метод использован в ТТЛ-логических схемах с диодами Шоттки (ТТЛ-Ш) 2 Часто небольшой ускоряющий конденсатор (25-100 пФ), параллельный резистору в цепи Рис 13 38. Схемы ключей повышенно-базы, хорошо- дополняет этот при- быстродействия.

а - с диодом [Поттки; б - с ускоряющим

ем, поскольку спосооствует умень- конденсатором шению времени рассасывания, обеспечивая дополнительные импульсы тока, способствующие разряду базы, когда транзистор насыщен, а также быстрому нарастанию тока базы, когда транзистор включается Эти схемы показаны на рис, 13 38.

несколько примеров быстродействующих переключательных схел\

В этом разделе мы проанализируем работу нескольких простых схем, в основе которых лежат только что обсуждаемые методы.

13.23. Высоковольтный усилитель

Начнем со схемы, изображенной на рис. 13.39. Это простой инвертирующий каскад, предназначенный для возбуждения пьезоэлектрического кристалла импульсами 100 В, первоначально гене-

+ 100 В

1,0 кОм

2,4 мА 1,0 кОм

10 йО,и Y 2 Вт

[ Е

6 мА -

i Преобразователь

Рис. 13.39.

ТТЛ выход

вых вых Высокий + 3,0 В 30 Ом Низкий 0.2 В 10 Ом

Возбуждение базы

вх У 1.5 В 500 Ом 0,1 В 500 Ом

2N59S5

CjQ (10 В)=2.7 пФ Ajjgd МГц)=100

рируемыми ТТЛ-логикой. Параметры выхода ТТЛ и, следовательно, сигнала, подаваемого на базу, приблизительно равны указанным на рисунке величинам. В этих расчетах мы не будем учитывать г,

которое мало по сравнению с сопротивлением источника.

Время нарастания. Начнем с определения скорости роста кол лекторного напряжения на выходе из-за интегрирования !

К

бэ ~ вх. и. у

откуда / ар =

и

450 В/мкс,

180 НС.

dUdt

Теперь найдем напряжение на коллекторе, при котором процеса напряжения на выходе из линейного переходит к экспоненте;

f/. = UKK- Rk( °~ --+C ) -50 в.

Это означает, что нарастание коллекторного импульса происходит экспоненциально, так как ток обратной связи (CKbdfK/dt) недоста- точен, чтобы задержать переход базы в состояние проводимости,

задаваемое состоянием источника. Постоянная времени для коллекторной цепи равна R{C-\-Cq), или 0,33 мкс, а время нарастания (по уровню от 10 до 90%) равно 2,2 постоянной времени, т. е. 0,73 мкс. Отсюда ясно, что преобладающим в нарастании оказывается влияние коллекторного сопротивления и емкости нагрузки.

Время спада. Для анализа времени спада используем формулу, полученную ранее, и найдем:

dt С„ + (Й21з + 1)С,б ) iA и / . %

530 В/мкс,

Последний член зависит от U, но он незначителен по сравнению с первым членом в скобках. Если это не так, то вам придется оценивать эту величину при нескольких значениях коллекторного напряжения, чтобы получить правильную картину формы спада. Здесь следует отметить, что рассчитанное время спада соответствует частоте около 3 МГц и, следовательно, используемая нами величина laialOO вполне реальна (/т-300 МГц). Если рассчитанное время нарастания или время спада соответствует частоте более высокой, чем предполагалось первоначально, то необходимо вернуться и пересчитать время переходного процесса с новым laig, полученным из первой оценки времени переключения. Этот метод последовательных приближений обычно дает удовлетворительный ответ уже на втором этапе.

Форма выходного импульса. Для этой схемы форма коллекторного сигнала соответствует приведенной на рис. 13.40. На положи-

100 В

ао =0,73мкс/, *п^ ми. \fcn=0.l5M4u

Рис. 13.40.

тельном фронте преобладает влияние постоянной времени емкости нагрузки и коллекторного сопротивления, в то время как на спаде больше сказывается емкость обратной связи в сочетании с сопротивлением источника. Другими словами, напряжение на коллекторе падает с такой скоростью, что ток через емкость обратной связи почти достаточен, чтобы подавить отпирающий ток базы и вывести базу из состояния проводимости. В наших допущениях мы всюду считали, что фронты импульса на выходе ТТЛ много короче, чем на выходе нашей схемы. Обычно времена нарастания и спада ТТЛ равны ~5 не, что соответствует нашему предположению.

13.24. Усилитель с открытым коллектором при работе на шину

Предположим, мы хотим организовать с помощью схем с открытым коллектором управление шиной ТТЛ с выхода лМОП-схемы. Это можно осуществить, используя п - р - п инвертирующий каскад, как показано на рис. 13.41. пМОП-прибор, работающий от +5В (см.

1,0 нОм

J

Линия шины

выход

10 нОм

10 кОм

Рис. 13.41.

лМОП-выход

вых вых

Высокий +3,5 В ] кОм Низкий 0,0 в 200 Ом

Возбуждение базы

вх у

1,7 В 5,5 кОм

0,0 В 5,1 кОм

2N5t37

С^б (10 В) !6 пФ

2N4IP4 1,8 пФ

разд. 9.10), имеет малую нагрузочную способность, поэтому необходимо, чтобы резистор базы был велик. Для того чтобы подчеркнуть эффекты, связанные с наличием параметров, подобных С^б. ы выбрали два очень распространенных транзистора.

Время нарастания рассчитывается по приведенной выше методике. Для линейного нарастания вследствие интегрирования имеем:

2N5137 2N4I24 dVjdt 8,5 В/мкс 76 В/мкс шр 470 НС 53 НС

2N5137 2N4124 4.4 В ],1 В

66 НС 52 но

Расчет для экспоненты дает:

Постоянная времени Для отрицательного фронта получаем:

2N5137 2N4124

dUjdt -11 В/мко -78 В/мкс

/сл 360 но 51 НС

Выбор транзистора. Ситуация видна из рис. 13.42. Параметры, полученные для 2N5137, полностью определяются действием емкости обратной связи, усиливающимся из-за относительно высокого сопротивления источника сигнала. Переходные процессы для 2N4124, вероятно, оценены чуть-чуть оптимистично, поскольку они соответству-

Высокочашопуиле и быстродействующие приборы

ют частоте около 10 МГц, при которой /laia, скорее всего, несколько ниже предполагаемого значения.

Интересно измерить время достижения напряжения порога ТТЛ (-1,3 В) как основной параметр системы с запуском вентилей ТТЛ

Рис. 13.42.

шинными сигналами. Если не учитывать времена рассасывания и за-дерукки, то времена достижения порогов ТТЛ будут следующие:

р. нар'

р СП1

2N5137 Расчетное

Измеренное 130 3G0

2N4124 Расчетное

Измеренное 30 52

Времена нарастания и спада, измеренные нами, находятся в разумном согласии с предсказанными по нашей несколько упрощенной модели, за исключением, пожалуй, лишь времени нарастания для 2N4124. Имеется несколько возможных объяснений, почему рассчитанное время нарастания в этом случае получилось слишком малым. В расчетах значение /ijia бралось при 10 МГц, в то время как время нарастания 17 не соответствует более высоким частотам и, следовательно, более низким значениям hi. Кроме того, практические измерения для этого транзистора дают Ск5=2,2 нФ при 10 В и Ско=3 пФ прн 2 В. Любопытно, что использовавшийся нами 2N5137 имел реально гораздо меньшее значение С^с пФ), чем указанное в паспорте, и поэтому нам пришлось добавить небольшой кондеисатср в схему, чтобы довести С^б ло паспортной величины . Это, скорее всего, означает, что технологический процесс изменился уже после пубшкацпп данных о параметрах транзистора.

Упражнение 13.2. Проверьте результаты расчетов для dUiydi (нарастание н спад) и Ux-

Снижение питания до -f-J В, Заметим, что время достижения порога ТТЛ прн переходе из состояния ВЫСОКОГО уровня к НИЗКОМУ гораздо больше, чем ири обратном переходе, даже если скорости нарастания и спада выходного сигнала (в случае схемы на 2N4124) почти о;инаковы. Это связано с тем, что пороговое напряжение ТТЛ расположено несимметрично между +5 В и землей, и поэтому коллекторное напряжение на спаде для достижения порога должно измениться на большую величину. По этой причине шины ТТЛ часто подключаются к источ- Рис, и.43.

К

11 № Г2

пику +3 В (для этого иногда используют пару диодов, подключенных к +5 В), или каждая линия шины может быть подключена к делителю напряжения, как показано на рис. 13.43.

Упражнение 13.3. Рассчитайте время нарастания и спада и время задержки распространения для 2N4124, управляющего описанной выше шиной с C =IOO пФ. Ре зультат изобразите графически.

13.25. Пример схемы: предусилитель для фотоумножителя

В гл. 14 будут рассмотрены так называемые фотоэлектронные умножители (ФЭУ), устройства, широко используемые в качестве детекторов света, сочетающих высокую чувстзительность с высоким быстро- лействием. Фотоумножители находят применение п там, где измеря- стоя не собственно световое излучение, как, например, в качестве детекторов частиц высоких энергий, в которых кристалл сцинтиллятора при бомбардировке его частицами дает световые вспышки. Чтобы полиостью использовать все возможности фотоумножителей, необходим зарядово-чувствительный быстродействующий дискриминатор - схема, которая генерирует выходной импульс при условии, что импульс заряда на входе превышает некоторый порог, соответствующий детектируемым световым фотонам.

На рис. 13.44 приведена схема быстродействующего предусилителя для фотоумножителя и дискриминатора, в которую входит ряд высокочастотных и переключательных устройств, обсуждаемых в этой главе. На выходе фотоумножитель выдает отрицательные импульсы зарядов (электроны отрицательны), причем длительность каждого импульса равна 10-20 не. Импульсы большой амплитуды соответствуют детектируемым фотонам (квантам света), но имеется также и множество малых импульсов, которые возникают из-за шумов в самой фотоумножительной трубке и которые должны отсекаться дискри-ьганатором.

Описание схемы. Схема начинается с инвертирующего выход- пого усилителя (Т^-Тс), у которого обратная связь по току (и заряду) осуществляется через и Q. Входной повторитель имеет малое выходное сопротивление и возбуждает Тд (каскад усиления по напряжению), тем самым снижается влияние емкости обратной связи Т'в(Скб)- Повторитель на выходе блока усиления Тс обеспечивает низкое выходное сопротивление, а Тд - достаточное значение коэффициента усиления. Небольшой положительный импульс на эдгаттере Тс соответствует отрицательному заряду, поступившему на вход с ФЭУ; обратная связь по постоянному току стабилизирует выход Тс примерно на уровне 2/бэ- Т- смещен как эмиттерный повторитель класса А и обеспечивает низкоомный мониторный выход для наблюдения усиленных импульсов с фотоумножителя, поступающих на дискриминатор.

7,545 В

Входной усилитель

1 подблр

Пктаниз

Вход от ФЭУ

Суммирую щая точпа

1N5711 Диод Щ0Т1КИ

- иый кабель

Рис, 13.44, Быстродействующий зарядовый усилитель для счета фотонов па фотоумножителе.

Входная цепь должна иметь внешнюю паразитную емкость по крайне мере 10 пФ; для низкоемкостных пходоб (<20 пФ) используют Ci=0,5 пФ; при емкостях источника, достигающих 100 пФ, используют для Ci от 1,0 до 1,5 пФ Фотонный дискриминатор (используется для ФЭУ с высоким усилением): выход для ТТЛ импульсы 20 не, 50 Ом; порог ОД -1,5 пКл, регулируемый; задержка 10 не, разрешение двух импульсов 30 не.

Дифференциальный усилитель на Т. и 7з образует дискриминатор: порог сравнения устанавливается потенциометром R, подключенным к источнику опорного напряжения (7, работающий в режиме диодного стабилизатора ), которое изменяется одинаково с входным напряжением покоя 2<7бэ усилителя. Такое слежение за диодным падением напряжения обеспечивается за счет того, что транзисторы Тд-7е представляют собой монолитную транзисторную матрицу (СА3046) и все находятся при одной температуре. Транзистор вместе с Тз образуют инверсную каскодную схему, обеспечивающую необходимые быстродействие и сдвиг уровня. Два каскада выходных повторителей, построенные на транзисторах с противоположной полярностью н Гй, чтобы компенсировать смещение <7сэ> завершают схему.

В этой схеме следует отметить некоторые интересные особенности. Чтобы получить хорошие характерист[и<и по быстродействию, статические токи транзисторов выбираются сравнительно большими (дифференциальная пара Т„, Тд имеет эмиттерный ток И мА, ток покоя Та равен 20 мА, а выходной транзистор потребляет 120 мА, чтобы обеспечить возбуждение нагрузки в 50 Ом). Заметим, что база каскодного каскада (TJ шунтирована на <7+, а не на землю, так как его входной сигнал связан с U+ через R-. В дифференциальном каскаде в качестве источника эмиттерного тока используется токовое зеркало, отражающее ток опорного источника, что позволяет согласовать эти параметры схемы. Для снятия перегрузок используются Дх и Д^. Хотя это и усложнит схему, ограничивающий диод Дх можно подключить к коллектору Те (вместо земли), чтобы уменьшить отрицательные выбросы (перегрузки) на входе.

Характеристики. На рис. 13.45 показана форма выходных импульсов и зависимость их длительности от величины входных им-

}0 пКл бХСД

га 2 -

О 10 20 30 10 50 60 70 Ш НС Рис, 13.45, Характеристики импульсов усилителя на рис. 13.44,