使用肖特基钳位电路提高三极管开关速度

上期从三极管放大的角度来分析了三极管开关电路的由来，并且将输入信号频率提高后，引发了输出信号延迟的现象，造成开关速度慢。主要讲了通过加速电容来提升速度的方法，这期重点另一种加速开关速度的方法，使用肖特基钳位电路。

关键词：肖特基钳位电路;

为了更好的理解，将三极管开关速度慢重述一遍!

01开关速度慢的原因

1.1、仿真电路结构

图1-1是系统仿真电路图：

图1-1 系统仿真电路

1.2、仿真波形分析

现象：

图1-2是图1-1的电路输入100KHz、0V/+3V方波时的输入输出波形。当输入信号从0V变化到+3V时，晶体管立即由截止变化到导通状态，输出信号也应立即响应，从+ 5V变化到0V。但是，输入信号从0V变化到+3V时，晶体管从导通状态变化到截止状态时却花费了一些时间，输出信号从从0V变化到+5V时滞后了3.34us。

原因：

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，因此，在这种状态下即使输入信号变成了0V，基区中的电子并不能立即消失(电荷存储效应)。而且在基极限流电阻R1的作用下，也不能立即从基区取出全部电子，这就造成时间滞后的原因，在开关调节器之类使负载告诉开关的应用电路中，这种时间滞后是非常不利的。

图1-2 输处信号出现延迟

02提高开关速度

使用晶体管开关时，上述图1-1所示的开关速度往往不能满足要求，许多应用需要更高的开关速度，这里就需要提高速度的基本技术进行试验，这里注重分析两种提高开关速度的方法：使用加速电容、使用肖特基钳位。

2.1、使用肖特基钳位

提高晶体管开关速度的另一个方法是利用肖特基二极管钳位，这种方法是74LS、74ALS、74AS等典型的数字IC TTL的内部电路中所采用的技术。

图1-3是对图1-1电路进行肖特基钳位的电路，所谓肖特基钳位就是在三极管的基极-集电极之间接入肖特基二极管。这种二极管不是PN结，而是由金属与半导体接触所形成具有整流作用的二极管，其特点是开关速度快，正向电压降Vf比硅PN结小，准确地说叫做肖特基势垒二极管。

图1-3 进行肖特基钳位的电路

在仿真电路中加入肖特基电路如图1-4所示：

图1-4 仿真电路

图1-4电路与图1-1电路相比，适当地调整了基极电阻R1，其原因是基极电阻不能太大，否则加了肖特基二极管将起不到什么作用!

图1-5是给图1-3的电路输入100KHz、0V/+5V方波时的输入输出波形。可以看出其效果与接入加速电容时相同，晶体管从到导通状态变化到截止状态时没有看到时间滞后。

图1-5 输出波形与输入波形对比

图1-5是图1-3的电路中晶体管处于导通状态(输出0V)时的动作，如图1-6所示，肖特基二极管的正向电压降Vf比晶体管的Vbe小(图1-3电路中Vf≈0.3V)，所以本来应该流过晶体管的大部分基极电流现在通过二极管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。

图1-6 肖特基二极管的正向电压降Vf

因此，图1-5所示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，所以电荷存储效应的影响小)。图1-5中，输出波形从0V变化到+5V时之所以波形上升沿不是很陡峭，是由于电阻R1与晶体管密勒效应构成低通滤波器的影响，与电荷存储效应没有关系。

03如何提高输出波形的上升速度

图1-7是图1-4所示的电路中基极电阻R1=200时的开关波形(入100KHz、0V/+5V方波)。可以看出当基极电阻R1小时，由于低通滤波器的截止频率升高，所以输出波形从0V变化到+5V的上升速度加快了。

加速电容是一种与减小基极电阻R1等效的提高开关速度的方法(减小基极电阻R1，也会加快输出波形的上升速度)。肖特基钳位可以看作改变晶体管的工作点，减小电荷存储效应的影响，提高开关速度的方法。

图1-7 改变基极电阻R1=200的波形图

由于肖特基钳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。

在设计这种电路时需要注意肖特基二极管的反向电压的最大额定值，肖特基二极管中某些元器件的反向电压的最大额定值非常低(高频电路中应用的某些器件仅为3V)，图1-4的电路中，因为晶体管截止时电源电压原封不动地加载二极管D1上，所以必须使用反向电压最大额定值大于5V的器件。