Prevenire la saturazione BJT high-side


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Sto costruendo "buffer" / "inverter" digitali ad alta velocità (10-20 n su transistor di classe BC847) da BJT. Lo schema è allegato.

Mentre posso prevenire la saturazione del BJT low-side aggiungendo il diodo Schottky, non funzionerà per il lato high. Qualche suggerimento tranne la resistenza decrescente del resistore di base?

inserisci qui la descrizione dell'immagine


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Ingressi? Uscite? Power Rails? - Ripulisci lo schema, quindi chiedi di nuovo.
Connor Wolf,

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Sì, per favore ripulisci lo schema. Metti l'input a sinistra, l'output a destra, la power rail in alto, il ground in basso e sbarazzati di tutti quei punti inutili che in realtà non sono alle giunzioni.
Olin Lathrop,

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quei transistor diventeranno tosti se permetti che l'input fluttui.
segna il

Risposte:


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I diodi anti-saturazione sono collegati in parallelo al diodo CB del transistor che deve essere mantenuto dalla saturazione. Lo stai facendo correttamente all'npn (anodo alla base e catodo al collettore), e dovrebbe essere fatto esattamente allo stesso modo al pnp, solo che il diodo è il contrario in questo transistor: catodo alla base, anodo a collettore.

Non sono sicuro di come hai scelto i resistori di base. Suppongo che tu abbia una tensione di alimentazione di 5 V e un segnale di comando base rettangolare (0 V, 5 V). Suggerirei di utilizzare valori identici per entrambi i resistori di base. Con 5 k , è probabile che l'alto valore del resistore di base faccia più male di quanto un diodo anti-sat farebbe bene. Qualcosa nella gamma di 200 ... 500  per ogni resistenza mi sembra migliore.ΩΩΩ

Se si desidera aumentare ulteriormente la velocità, è possibile provare a mettere in parallelo le resistenze di base con condensatori piccoli (circa 22 pF). Il trucco per trovare il giusto valore per il condensatore sarebbe di renderlo in qualche modo uguale alla capacità effettiva alla base, formando così un divisore di tensione 1: 1 per la parte ad alta frequenza del fronte di tensione ascendente o discendente.

Modifica n. 1:

Ecco lo schema che ho usato per verificare con LT Spice. Il segnale di ingresso (rettangolare, 0 V e 5 V) viene immesso in tre inverter BJT simili, ciascuno dei quali utilizza una coppia complementare BC847 e BC857. Quello a sinistra non ha trucchi speciali per accelerarlo, quello al centro utilizza i diodi Schottky per l'anti-saturazione e quello a destra presenta anche un bypass ad alta velocità lungo ogni resistenza di base (22 pF). L'uscita di ogni stadio ha un carico identico di 20 pF, che è un valore tipico per una certa capacità di traccia e un input successivo.

schematico

Le tracce mostrano il segnale di ingresso (giallo), la risposta lenta del circuito a sinistra (blu), la risposta con diodi anti-saturazione (rosso) e la risposta del circuito che utilizza anche condensatori (verde).

Forme d'onda

Puoi vedere chiaramente come il ritardo di propagazione diventa sempre meno. I cursori sono impostati al 50% del segnale di ingresso e al 50% dell'uscita del circuito più veloce e indicano una differenza molto piccola di soli 3 ns. Se trovo il tempo, potrei anche hackerare il circuito e aggiungere immagini reali. Un layout accurato sarà sicuramente necessario per ottenere in realtà tempi di ritardo inferiori a 10 ns.

Modifica n. 2:

La breadboard funziona bene e mostra un ritardo di <10 ns sul mio ambito a 150 MHz. Le foto seguiranno più avanti questa settimana. Ho dovuto usare le mie buone sonde, perché quelle cheapo non mostravano altro che suonare ...

Modifica n. 3:

Ok, ecco la breadboard:

Breadboard di Inverter con coppia BJT e diodi anti-saturazione

Un'onda quadra da 1 MHz con 5 V (pkpk) entra nella scheda da sinistra attraverso il connettore BNC e viene terminata in 50  (due resistori paralleli 100  , uno superiore nascosto dalla sonda). I resistori di base sono 470  , i condensatori sono 30 pF, i diodi Schottky sono BAT85, i transistor sono BC548 / BC558. L'alimentazione è esclusa con 100 nF (ceramica) e un piccolo condensatore elettrolitico (10  F).Ω Ω μΩΩΩμ

Il primo screenshot mostra le forme d'onda di input e output a 100 ns / div e con 2 V / div per entrambe le tracce. (Scope è un Tektronix 454A.)

Oscillogramma dell'inverter, 100 ns

Il secondo e il terzo screenshot mostrano le transizioni dal basso verso l'alto e dall'alto verso il basso all'ingresso con 2 ns / div (base dei tempi 20 ns con ulteriore ingrandimento orizzontale di 10 x). Le tracce sono ora centrate verticalmente sullo schermo per una visualizzazione più semplice del ritardo di propagazione con 1 V / div. La simmetria è molto buona e mostra una differenza di <4 ns tra input e output.

Oscillogramma dell'inverter, 2 ns, LH Oscillogramma dell'inverter, 2 ns, HL

Direi che possiamo davvero fidarci dei risultati simulati.

I tempi di salita e discesa sono molto probabilmente più rapidi nella realtà e limitati solo dal tempo di salita dell'oscilloscopio, ma non riesco a pensare a nessun motivo per cui il ritardo tra i due segnali non debba essere visualizzato correttamente.

C'è una cosa a cui prestare attenzione: con ogni transizione da basso ad alto e da alto a basso, i due transistor tendono a incrociarsi molto brevemente. A frequenze più alte del segnale di ingresso (circa> 2 MHz), il circuito dell'inverter inizia a prendere molta corrente e fa cose strane ...


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Che risposta perfetta, che ora funziona perfettamente :-) 5k era lì solo perché ho scoperto che c'è un equilibrio tra velocità di carica della capacità e rallentamento della saturazione. Ora valori più bassi danno prestazioni migliori, grazie
mille

Hai aggiunto ancora più bellezza :-) Al momento sto stampando PCB per questo test ...
BarsMonster

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Il tuo terzo aggiornamento rende la tua risposta imbattibile. Avvio di +500 taglie solo per te :-)
BarsMonster,

Sono lusingato. Ma hey, la domanda era bella, e quando c'è un motivo per hackerare una breadboard, sono comunque pronto per il divertimento, tempo permettendo. Soprattutto quando sono coinvolte parti standard che posso prendere dai miei cassetti di schede spazzatura. Inoltre, il breadboarding anche dei semplici circuiti è probabilmente uno dei modi più belli per non dimenticare Jim Williams, il più grande hacker di breadboard di tutti i tempi: edn.com/article/… Triste, triste, notizia ... Questo è uno dei suoi pezzi più belli: cds.linear.com/docs/Application%20Note/AN128f.pdf
zebonaut

Ho appena finito il mio PCB per questo - push-pull + 2 grilletti a T ... Ottenere fronti di 15-20ns ... Ma ho avuto problemi con il rilevamento dei bordi - electronics.stackexchange.com/questions/15979/… - forse avrai alcuni indizi ...
BarsMonster il

6

Non otterrai prestazioni di 10-20 ns da parti discrete del genere. Come ha detto Zebonaut, il diodo Schottky è nel posto sbagliato per Q9. Questi vanno sempre tra collezionista e base.

Non è possibile che funzioni alla velocità desiderata con 5KOhm nel percorso del segnale. Considera che la costante di tempo di 5KOhm e 10pF è 50 ns. In pratica ci saranno alcune induttanze in serie e altre cose per rallentare anche i segnali. Dovrai usare resistenze molto più basse per arrivare ovunque vicino alla velocità di commutazione di 10 ns. Qual è la capacità dei diodi Schottky? Si noti che questo viene moltiplicato nella base. La capacità effettiva che il resistore deve pilotare è probabilmente significativamente superiore a 10pF.

A meno che tu non abbia esperienza nella progettazione di circuiti RF, incluso il layout, questi tipi di velocità sono il dominio dei chip integrati.


Sì, anche questi condensatori di accelerazione sono fantastici, troppo tristi non possono accettare risposte multiple ...
BarsMonster

La capacità dei diodi Schottky non verrebbe aggiunta alla capacità di base? (Dici: "moltiplicato").
zebonaut,

1
La capacità sarebbe aggiunta solo se l'altra estremità di Schottkey avesse un potenziale fisso. Poiché la tensione all'altra estremità è invertita, più corrente scorrerà attraverso il condensatore, facendo apparire il condensatore più grande.
Olin Lathrop,

è Schottky, noSchottkey
stevenvh l'
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