Verhindern Sie die High-Side-BJT-Sättigung

Ich baue einen digitalen "Puffer" / "Inverter" für Hochgeschwindigkeitstransistoren (10-20 ns bei BC847-Transistoren) aus BJTs. Schema ist beigefügt.

Durch Hinzufügen einer Schottky-Diode kann ich zwar die Sättigung von Low-Side-BJT verhindern, aber für High-Side-BJT funktioniert das nicht. Irgendwelche Hinweise außer abnehmendem Widerstand des Basiswiderstandes?

Antisättigungsdioden sind parallel zu der CB-Diode des Transistors geschaltet, der von der Sättigung abgehalten werden soll. Sie tun dies korrekt am npn (Anode an der Basis und Kathode am Kollektor) und es sollte genauso am pnp gemacht werden, nur dass die Diode in diesem Transistor umgekehrt ist: Kathode an der Basis, Anode an Kollektor.

Ich bin mir nicht sicher, wie Sie Ihre Basiswiderstände gewählt haben. Ich gehe davon aus, dass Sie eine Versorgungsspannung von 5 V und ein Rechteck-Basis-Ansteuersignal (0 V, 5 V) haben. Ich würde vorschlagen, dass Sie für beide Basiswiderstände identische Werte verwenden. Mit 5 ist es wahrscheinlich, dass der hohe Wert des Basiswiderstands mehr Schaden anrichtet als eine Anti-Sat-Diode. Etwas im Bereich von 200 ... 500  $\Omega$$\Omega$ für jeden Widerstand scheint mir besser zu sein.

Wenn Sie die Geschwindigkeit noch weiter steigern möchten, können Sie versuchen, die Basiswiderstände mit kleinen Kondensatoren (ca. 22 pF) parallel zu schalten. Der Trick, um den richtigen Wert für den Kondensator zu finden, besteht darin, ihn in etwa gleich der effektiven Kapazität an der Basis zu machen und so einen 1: 1-Spannungsteiler für den Hochfrequenzteil der ansteigenden oder abfallenden Spannungsflanke zu bilden.

Bearbeiten Sie # 1:

Hier ist das Schema, mit dem ich LT Spice überprüft habe. Das Eingangssignal (rechteckig, 0 V und 5 V) wird in drei ähnliche BJT-Wechselrichter eingespeist, die jeweils ein komplementäres BC847- und BC857-Paar verwenden. Der linke hat keine besonderen Tricks, um es zu beschleunigen, der mittlere verwendet Schottky-Dioden zur Sättigungsverhinderung und der rechte verfügt über einen Hochgeschwindigkeits-Bypass an jedem Basiswiderstand (22 pF). Der Ausgang jeder Stufe weist eine identische Last von 20 pF auf, was ein typischer Wert für eine Spurkapazität und eine nachfolgende Eingabe ist.

Die Kurven zeigen das Eingangssignal (gelb), die langsame Reaktion der Schaltung auf der linken Seite (blau), die Reaktion mit Antisättigungsdioden (rot) und die Reaktion der Schaltung, die ebenfalls Kondensatoren verwendet (grün).

Sie können deutlich sehen, wie die Laufzeit immer kürzer wird. Die Cursor sind auf 50% des Eingangssignals und auf 50% des Ausgangs der schnellsten Schaltung eingestellt und zeigen nur eine sehr kleine Differenz von 3 ns an. Wenn ich die Zeit finde, kann ich auch die Schaltung hacken und echte Scope-Bilder hinzufügen. Ein sorgfältiges Layout ist auf jeden Fall erforderlich, um Verzögerungszeiten von weniger als 10 ns in der Realität zu erreichen.

Bearbeiten Sie # 2:

Das Steckbrett funktioniert gut und zeigt eine Verzögerung von <10 ns auf meinem 150-MHz-Oszilloskop. Bilder folgen später in dieser Woche. Musste meine guten Sonden benutzen, weil die billigen nicht viel mehr als ein Klingeln zeigten ...

Bearbeiten Sie # 3:

Ok, hier ist das Steckbrett:

$\Omega$$\Omega$$\Omega$$\mu$

Der erste Screenshot zeigt die Eingangs- und Ausgangswellenformen bei 100 ns / div und mit 2 V / div für beide Spuren. (Umfang ist ein Tektronix 454A.)

Der zweite und dritte Screenshot zeigen die Übergänge von niedrig nach hoch und von hoch nach niedrig am Eingang mit 2 ns / div (20 ns Zeitbasis mit zusätzlicher 10-facher horizontaler Vergrößerung). Die Messkurven werden jetzt vertikal auf dem Bildschirm zentriert, um die Laufzeitverzögerung mit 1 V / Div besser anzeigen zu können. Die Symmetrie ist sehr gut und zeigt einen Unterschied von <4 ns zwischen Ein- und Ausgang.

Ich würde argumentieren, dass wir den simulierten Ergebnissen tatsächlich vertrauen können.

Die Anstiegs- und Abfallzeiten sind in der Realität sehr wahrscheinlich schneller und nur durch die Anstiegszeit des Oszilloskops begrenzt, aber ich kann mir keinen Grund vorstellen, warum die Verzögerung zwischen den beiden Signalen nicht korrekt angezeigt werden sollte.

Eines muss beachtet werden: Bei jedem Übergang von niedrig nach hoch und von hoch nach niedrig neigen die beiden Transistoren dazu, sich sehr kurz zu kreuzen. Bei höheren Frequenzen des Eingangssignals (ca.> 2 MHz) nimmt die Wechselrichterschaltung viel Strom auf und macht seltsame Dinge ...

Solche diskreten Teile bringen keine Leistung von 10 bis 20 ns. Wie Zebonaut sagte, befindet sich die Schottky-Diode für Q9 am falschen Ort. Diese gehen immer zwischen Sammler und Basis.

Mit 5KOhm im Signalpfad kann dies auf keinen Fall mit der von Ihnen gewünschten Geschwindigkeit funktionieren. Beachten Sie, dass die Zeitkonstante von 5 kOhm und 10 pF 50 ns beträgt. In der Praxis wird es einige Serieninduktivitäten und andere Dinge geben, um die Signale ebenfalls zu verlangsamen. Sie müssen viel niedrigere Widerstände verwenden, um eine Schaltgeschwindigkeit von 10 ns zu erreichen. Wie groß ist die Kapazität der Schottky-Dioden? Beachten Sie, dass dies in die Basis multipliziert wird. Die effektive Kapazität, die der Widerstand zur Ansteuerung benötigt, liegt wahrscheinlich deutlich über 10 pF.

Sofern Sie keine Erfahrung mit dem Entwerfen von HF-Schaltkreisen einschließlich Layout haben, sind diese Arten von Geschwindigkeiten die Domäne integrierter Chips.