Методы повышения быстродействия ключей и мощности импульсов

Характеристики быстродействия электронных ключей.

Быстродействие ключей является их наиболее важной характеристикой, особенно для измерительных и высокоскоростных импульсных систем.

Быстродействие электронного ключа определяется минимальной длительностью импульса Таблица 2.5.

где т_р — длительность рассасывания зарядов; т_ф — длительность фронта; т_с — длительность среза импульса.

Максимальная (предельная) частота F_n, с которой может происходить переключение ключа, зависит от минимальной длительности импульса:

Длительности фронта и спада транзисторных ключей определяются паразитными емкостями // —//-переходов и сопротивлениями тоководов. Современные транзисторные ключи имеют длительности фронта и спада примерно равные 0,1 мкс и, следовательно, обеспечивают частоту переключения F_n = 1/(0,2 • 10″⁶) = 5 МГц. Транзисторные ключи в интегральных микросхемах обеспечивают частоты переключений до 1 ГГц.

Обычные ключевые каскады включают в себя паразитные емкости С/, С2, СЗ, сопротивления /?/, R2 и сопротивление нагрузки R_H, а также и индуктивности электрических цепей (рис. 2.20). Поэтому частота переключений определяется этими элементами. Длительность переходного процесса в /?С-цепях определяется постоянной времени 0 = RC. Следовательно, для уменьшения длительности переходных процессов, определяющих фронт и спад импульса при переключении ключевого каскада, необходимо, чтобы паразитные емкости и входящие в цепь сопротивления были как можно меньше.

Для повышения быстродействия ключевого каскада (ключа) на транзисторе необходимо выполнить следующие операции:

Рис. 2.20. Транзисторный ключ с общей базой: а — динамическая модель с учетом емкостей и сопротивлений; б — эпюры напряжений применить быстродействующие транзисторы с малым периодом переключения и большой предельной частотой переключения;

увеличить отпирающий ток базы для уменьшения длительности фронта и спада импульса;

снизить ток базы в режиме насыщения транзистора для уменьшения времени рассасывания заряда;

увеличить обратный ток базы для уменьшения времени рассасывания зарядов и уменьшения длительности среза импульса.

Для реализации этих противоречивых требований необходимо, чтобы токи базы в разных режимах (при открытии и закрытии ключа) были разными. Это можно сделать с помощью различных схемных решений с применением линейных (форсирующих) конденсаторов и нелинейных (диодных) элементов, создающих одностороннее увеличение тока базы.