Предотвратить насыщение BJT на высокой стороне

12

Я строю высокоскоростной (10-20 нс на транзисторах класса BC847) цифровой "буфер" / "инвертор" из BJT. Схема прилагается.

Хотя я могу предотвратить насыщение BJT на нижней стороне, добавив диод Шоттки, это не сработает на стороне высокого уровня. Любые намеки, кроме уменьшения сопротивления базового резистора?

введите описание изображения здесь

BarsMonster
источник
3
Входы? Выходы? Силовые рельсы? - Очистите свою схему, затем спросите снова.
Коннор Вольф
6
Да, пожалуйста, очистите схему. Поместите вход слева, выход справа, шину питания сверху, землю снизу и избавьтесь от всех тех бессмысленных точек, которые на самом деле не находятся на стыках.
Олин Латроп
1
эти транзисторы станут слишком сложными, если вы позволите входу плавать.
markrages

Ответы:

32

Диоды против насыщения подключены параллельно CB-диоду транзистора, который должен быть защищен от насыщения. Вы делаете это правильно в npn (анод в основании и катод в коллекторе), и это должно быть сделано точно так же в pnp, просто чтобы диод был наоборот в этом транзисторе: катод в основании, анод в коллекционер.

ΩΩ

Если вы хотите еще больше увеличить скорость, попробуйте подключить базовые резисторы к маленьким (около 22 пФ) конденсаторам. Хитрость в поиске правильного значения для конденсатора заключается в том, чтобы сделать его несколько равным эффективной емкости в основании, тем самым формируя делитель напряжения 1: 1 для высокочастотной части нарастающего или падающего фронта напряжения.

Редактировать № 1:

Вот схема, которую я использовал для проверки с помощью LT Spice. Входной сигнал (прямоугольный, 0 В и 5 В) подается на три одинаковых инвертора BJT, каждый из которых использует дополнительную пару BC847 и BC857. У того, что слева, нет специальных приемов для его ускорения, у середины используются диоды Шоттки для предотвращения насыщения, а у правого также имеется высокоскоростной байпас вдоль каждого базового резистора (22 пФ). Выход каждого каскада имеет идентичную нагрузку 20 пФ, что является типичным значением для некоторой емкости следа и последующего входа.

схема

Следы показывают входной сигнал (желтый), медленный отклик цепи слева (синий), отклик с диодами против насыщения (красный) и отклик цепи, в которой также используются конденсаторы (зеленый).

Волновые

Вы можете ясно видеть, как задержка распространения становится все меньше и меньше. Курсоры установлены на 50% от входного сигнала и на 50% от самой быстрой схемы и показывают очень небольшую разницу только в 3 нс. Если я найду время, я также могу взломать схему и добавить реальные фотографии. Тщательная компоновка, безусловно, будет необходима для достижения времени задержки менее 10 нс в реальности.

Редактировать № 2:

Макет работает хорошо и показывает задержку <10 нс на моем диапазоне 150 МГц. Фотографии будут позже на этой неделе. Пришлось использовать мои хорошие пробники, потому что дешевые показали не намного больше, чем звон ...

Редактировать № 3:

Хорошо, вот макет:

Макет Inverter с парой BJT и диодами насыщения

ΩΩΩμ

На первом снимке экрана показаны формы входных и выходных сигналов при 100 нс / дел и 2 В / дел для обеих трасс. (Область применения - Tektronix 454A.)

Инверторная осциллограмма, 100 нс

На втором и третьем скриншотах показаны переходы от низкого к высокому и от высокого к низкому на входе с 2 нс / дел (основание по времени 20 нс с дополнительным 10-кратным горизонтальным увеличением). Трассы теперь центрированы вертикально на экране для облегчения отображения задержки распространения с 1 В / дел. Симметрия очень хорошая и показывает разницу <4 нс между входом и выходом.

Осциллограмма инвертора, 2 нс, левый Инверторная осциллограмма, 2 нс, HL

Я бы сказал, что мы действительно можем доверять моделируемым результатам.

Время нарастания и спада, скорее всего, быстрее в реальности и ограничено временем нарастания прицела, но я не могу думать ни о какой причине, почему задержка между двумя сигналами не должна отображаться правильно.

Есть одна вещь, на которую следует обратить внимание: при каждом переходе от низкого к высокому и от высокого к низкому уровню два транзистора имеют тенденцию к очень короткому перекрестному поведению. При более высоких частотах входного сигнала (прибл.> 2 МГц) схема инвертора начинает принимать большой ток и делает странные вещи ...

zebonaut
источник
2
Какой прекрасный ответ, он отлично работает сейчас :-) 5k было там только потому, что я обнаружил, что есть баланс между скоростью заряда емкости и замедлением насыщения. Теперь более низкие значения дают лучшую производительность, большое спасибо :-)
BarsMonster
Вы добавили еще больше удивительности :-) Я сейчас печатаю печатную плату для этого теста ...
BarsMonster
2
Ваше третье обновление делает ваш ответ просто непобедимым. Начальная награда +500 только для вас :-)
BarsMonster
Я польщен. Но, эй, вопрос был крутым, и когда есть причина взломать макет, я все равно получаю удовольствие, если позволит время. Особенно, когда речь идет о стандартных деталях, которые я могу взять из своих ящиков с мусорными досками. Кроме того, макетирование даже простых схем - это, вероятно, один из самых хороших способов не забыть Джима Уильямса, величайшего хакера по макетам всех времен: edn.com/article/… Грустно, грустно, новости ... Это одна из его самых приятных вещей: cds.linear.com/docs/Application%20Note/AN128f.pdf
zebonaut
Только что закончил свою печатную плату для этого - push-pull + 2 T-триггера ... Получение фронтов 15-20 нс ... Но возникла проблема с обнаружением фронта - electronics.stackexchange.com/questions/15979/… - возможно, у вас будет некоторые подсказки ...
BarsMonster
6

Вы не получите 10-20 нс производительности от таких отдельных частей. Как сказал Зебонавт, диод Шоттки не в том месте для Q9. Они всегда идут между коллектором и базой.

Нет никакого способа, которым это будет работать на скорости, которую вы хотите с 5 кОм в пути прохождения сигнала. Учтите, что постоянная времени 5 кОм и 10 пФ составляет 50 нс. На практике будут присутствовать некоторые последовательные индуктивности и другие вещи, которые также замедляют сигналы. Вам нужно будет использовать гораздо более низкие сопротивления, чтобы достичь скорости переключения около 10 нс. Какова емкость диодов Шоттки? Обратите внимание, что это умножается на базу. Эффективная емкость, которую должен выдерживать резистор, вероятно, значительно превышает 10 пФ.

Если у вас нет опыта проектирования радиочастотных схем, в том числе схемы, такие скорости являются областью интегрированных микросхем.

Олин Латроп
источник
Да, эти ускоряющие конденсаторы также
хороши
Не добавится ли емкость диодов Шоттки к базовой емкости? (Вы говорите: «умножено»).
зебонавт
1
Емкость будет добавлена ​​только в том случае, если другой конец Шотки был при фиксированном потенциале. Поскольку напряжение на другом конце инвертировано, через конденсатор будет протекать больше тока, в результате чего конденсатор будет казаться больше.
Олин Латроп
это Schottky, неSchottkey
Stevenvh