NPN 晶体管即使在饱和区域之外工作时也缓慢关闭

电器工程 晶体管 npn 时间
2022-01-21 07:08:09

我目前正在研究晶体管对简单信号的反应和行为。我有以下电路:

当前设置

应用大约 83kHz 的方波。使用的晶体管是2N5551电阻值经过仔细选择,以避免晶体管饱和。但是,使用这种设置,仍然会经历缓慢的关闭时间。使用 PC 示波器进行测量,如下所示。完整的数据可以在这里找到。

基地和时钟 收藏家和时钟 收藏家和基地

y轴是电压,x轴是时间。所有电压电平都相对于地。3 幅图像未在同一时间点对齐,但时钟信号应有助于比较图表。一个完整的周期约为12微秒,时钟信号的开启和关闭时间为6微秒。时钟信号是用555定时器产生的,占空比非常接近50%。

正如在集电极和时钟图中可以观察到的那样,当时钟变为 0V 时,晶体管在完全关闭和集电极稳定到 5V 之前保持开启近 3 微秒。这也可以在基极和时钟图中观察到,其中晶体管的基极在 0.75V 左右持续了近 3 微秒,然后才开始转变为 0V。收藏家和基地图表有助于显示晶体管未在饱和区工作,因为 Vb <= Vc。Vc 似乎在很短的时间内低于 Vb,但我认为这不会导致饱和。事实上,肖特基二极管根本无济于事,因为电压彼此非常接近。因此,这不应该是存储时间问题。我还排除了晶体管输入电容(最大 20pf)的问题,因为我相信在这种情况下我会看到类似的开启时间延迟。此外,输入端的 RC 时间常数为 0.3 微秒 (5RC = 1.5us)。

可能是什么问题呢?

编辑/更新

按照公认的答案,在基极电阻上添加一个反向二极管解决了这个问题。更新后的图表可以在同一个文档的 Solved Trace 表下找到。为方便起见,收集器和时钟图的更新图像如下所示:

收集器和时钟已解决

2个回答

主要问题可能是米勒电容(集电极和基极之间的内部 10 pf 左右)和 15 kohm 基极驱动电阻。仅由于这一点,CR 时间将为 150 ns,并且在晶体管试图关闭时,将继续向基极输送电流数次 CR。

尝试在 15 kohm 电阻上放置一个反向二极管,这样当输入变低时,它会通过二极管而不是通过缓慢的 15 kohm 去除电荷。

我还考虑在底座上使用分压器向底座提供较低阻抗的信号。如果你的时钟是 3.9 伏,用 4k7 在基极和发射极之间分压到大约 1 伏,看看有什么改进。

在此处输入图像描述

在 30 毫安集电极电流(5 V / 220 ohms)下,GM(跨导为 1,“reac”为 1/1 = 1,因此电压增益为 220 / 1。

电压增益为 220 时,输入电容为 220 * 10 pf(如果 Cob 为 10 pF)或 2,200 pF。

15,000 ohms 和 2,200 pF 的时间常数接近 40 微秒。

一个时间常数是 63% 的电压变化。我们不需要 63% 的基极电压变化来关闭电源,但我们确实需要 10 倍?在集电极电流中,这需要 58 毫伏 delta-Vbaseemitter(在室温下)。