СИ (О происходит по линейному закону и d CH/d<= (Уп-[СИвкл)/<вка. Из этих условий находим

Лг(п-СИвкл)

Таблица 3.1. Временные параметры ключа на МДП-транзнсторе КП701

!0,8С:

= вх -о-(п-/сИвкл)/2/?н5

(3.2)

Здесь коэффициент равен 0,8 потому, что при расчетах длительность /вкл принято оценивать как интервал времени изменения йен (t) от 0,1 (Ua- -[/сИия) ДО 0,9 (Уп-[СИ вкл). Это увеличивает точность расчета, поскольку при расчете <вкл исключаются участки нелинейного изменения иси (О при переходе ключа из закрытого состояния в открытое.

На третьей стадии (установление включения) иСН (0~УсИвкл н почти ие меняется. Это означает выключение механизма внутренней обратной связи и заряд емкости (Сзи + Сзс) до напряжения иЗи(0 Увхм. Длительность этой стадии ty вкл~3/?г(Сз11-ЬСзс).

Следующие три стадии характеризуют выключение прибора. На четвертой стадии значение Utx{t) падает скачком до нуля и происходит разряд емкости (Сзн-ЬСзс) от начального напряжения изи(0 = Ув1м до порогового уровня входа в активный режим работы U3Hkp - Uo+(U-UcHaKn)IRbSq, по экспоненциальному закону

изи(/) = Увх м ехр (-</т,), где т1=/?г(Сзн-ЬСзс). Длительность этого интервала

звыкл = /?г(Сзи-ЬСзс) In (Увхм/УзИ кр). (3.3)

На пятой стадии ключ вновь переходит в активный режим работы и возникает отрицательная обратная связь через емкость Сзс При этом Твх возрастает и спад изи (t) резко замедляется при изн {t) = U3Ho- Длительность стадии выключения находим, приравняв средний входной ток вх= УзИо ?г (так как теперь 1/вх = 0) току Тезе =Сзсйиси(0/<~Сзс (Уп-

-УсИвкл)Авыкл:

п -СИвкл

(3.4)

На заключительной шестой стадии (установления выключения) напряжение иси (О падает из-за разряда емкости (Сзн + Сзо) через Re до напряжения иси (оо)=0. Обратная связь при этом ие действует, поскольку иси (О =Уп=соп51 и dUcH/dt=0. Длительность этой стадии <увыкл~

3/?г(Сз -1-Сзс).

Выполненный анал1из предсказывает следующие закономерности переходных процессов: независимость крутизны спада н роста и Си (t) от напряжения Уп (она задается током Uz), пропорциональность <вкл и /вым перепаду Уп-Уси вкл, наличие задержек вкл и <з выкл. пропорциональных постоянной времени /?г(Сзн-1-Сзо), слабое влияние иа /вкл и /вым емкостей Сзи и Сси и доминирующее влияние Сзс. При этом вкл и <выкл пропорциональны постоянной времени RrCac.

Типовые параметры ключа иа мощном ключевом МДП-транзисторе КП701 с Уо=6 В, Сзн = 10-9 Ф, Сзс = 30-10-12 ф, So=l А/В, /?сн = 2 Ома прн Rr=l5, 25 и 50 Ом, /?в = 82 Ома, Уп=400 В и Увхм=20В приведены в табл. 3.1. Несмотря иа приближенность полученных расчетных соотношений данные расчета соответствуют экспериментальным.

На рис. 3.3 приведены осциллограммы импульсов на входе и выходе ключа, а также на затворе транзистора для разных Rr и Уп. Они сняты с помощью стробоскопического осциллографа С7-8. Нетрудно заметить, что даже для этого силового высоковольтного транзистора (Уси макс = 700 В) времена включения и выключения не превышают 50... 55 не (при малых /?г<50 Ом они значительно меньше).

Примечание В числителе указаны расчетные значения параметров, в знаменателе экспериментальные (в наносекундах).

30/ie

и =зоов

Рис. 3.3. Осциллограммы импульсов в схеме ключа на высоковольтном ключевом мощном МДП-транзисторе КП702 при разных /?г [а) и Уп (б)

К недостаткам ключей на мощных МДП-траизисторах можно отнести наличие заметного неуправляемого тока /с нач. Значения /снач в паспортных данных обычно завышены, но разработчики схем вынуждены ориентироваться на паспортные значения. Другой недостаток-большие остаточные напряжения несмотря на наличие отдельных приборов с рекордно малыми сопротивлениями /?он (до 0,01 Ом при токах до 50 А). В целом по остаточному напряжению мощные МДП-транзисторы уступают биполярным. Динамические входные токи (заряда-разряда входной емкости) значительны, и для их достижения могут потребоваться специальные схемы управления. Однако при высоких частотах переключения (свыше 30... ... 50 кГц) общие статические и динамические потери в ключевых схемах на мощных МДП-транзисторах меньше, чем в схемах на мощных биполярных транзисторах.

3.2. Быстродействующие ключи на мощных ВЧ- и СВЧ-полевых

транзисторах

В ключах могут использоваться не только специальные ключевые, ио и мощные ВЧ и СВЧ МДП-транзисторы, первоначально разработанные для усилителей мощности ВЧ и СВЧ. Более того, эти приборы имеют намного меньшие входные Сзи и проходные Сзс емкости и поэтому могут иметь на 1 ... 2 порядка меньшие времена переключения, чем у ключевых

В се D. Н

пС S

x 3 в

о £

- о о о

00

3oo<ngo

2; -i- см -

см со я.°°.оо - см 00

§ Й S cqoo 2

г-- этсмоо 1£5 о>я °Г

:::)

о ?=

н - 2-

О = S л S =

о о са

s о

ра cq cq

Z. S го m

о н о

се s

се ш в

4L* tU

* S

о се

а. с

< s о о

со S

< со в-

к се

°1

о се s ts

се д

ts s 5 S к = л S

л * я се

S II

я н

и о о р.

мощных ПТ. Это обстоятельство впервые было отмечено в [II -16] и привело к широкому применению мощных МДП-транзисторов в импульсных схемах высокого быстродействия, таких как генераторы импульсов для накачки лазерных диодов, измерительные генераторы и др.

Импульсные свойства активных приборов принято характеризовать импульсной добротностью р=К ф, где К - коэффициент усиления в линейном режиме; /ф - длительность фронта импульсов, формируемых прн переключении прибора.

Общее выражение для Q, пригодное для оценки как маломощных, так и мощных приборов, имеет вид (3 = .t/2,2(l-I-ti)!, где р - подвижность носителей в канале; ц-поправочный коэффициент; L - длина канала. Из этого выражения следуот, что добротлость быстро растет (а падает) по мере укорочения капала. Поэтому можно ожидать резкого уменьшения при использовании в ключевых схемах мощных МДП-транзисторов ВЧ и СВЧ с малой длиной канала. Большие зиачеаия Q характерны для GaAs мощных ПТШ в связи с тем, что у этих приборов не только малы значения L (приблизительно до I мкм), ио и выше подвижность р носителей в канале.

Особенности характеристик мощных ПТ позволяют пспользсвать для описания их импульсных свойств ламповое выражение для добротности (Э = 5о/2,2(Сз1! + Сзс-ьСси), где 5о -крутизна транзисторов. Если запускать ключ от источника с то предельное значение добротности Смаьс =

=5о/2,2(Сзс-ЬСси), так как при /?г-0 время заряда входной емкости Си стремится к нулю. В табл. 3.2 приведены типовые электрические и импульсные параметры ряда мощных МДП-транзисторов ВЧ и СВЧ. Максимальная скорость изменения напряжения на стоке оценивается как

Смакс

Сел + Сз

Данные табл. 3.2 указывают на возможность получения субнаносекундных времен переключения с помощью приборов КП902, КП905 и КП907, сочетающих высокие Q с относительно малыми емкостями структуры.

Для снятия импульсных параметров приборов использовалась установка, приведенная на рис. 3.4. Кл;оч запускался от генератора импульсов

C7-S

\ 2= SO Oft

Рис. 3.4. Установка для исследования импульсных параметров быстродействующих ключей

Г5-45 через аттенюатор. Перемычки в цепи затвора позволяли получать ?г=10; 25 и 75 Ом. Контроль выходных импульсов осуществлялся с помощью запоминающего стробоскопического осциллографа С7-8.

- сон

На рис. 3.5 представлены сравнительные осциллограммы процессов переключения ключа на транзисторах КП902, КП905 н КП907. Они показывают, что времена переключения приборов КП902 менее 1 не, КП905 менее 0,6 НС (при токах 0,15... 0,3 А), а КП901 е более 3,5 не для включения и 12 НС для выключения (ток 1...1,5 А). Субнаносекундными временами переключения обладают н мощные СВЧ МДП-транзнсторы КП907 (токн до 2... 2,5 А), КП908 и КП911.

Таблица 3.3. Импульсные параметры мощных GaAs ПТШ

Аналогичное исследование было проведено для GaAs мощных ПТШ [59, 127]. Приборы этого типа с fMaKC 8...18 ГГц имеют очень малую длину канала L (до =1 мкм). В табл. 3.3 приведены основные данные об их импульсных параметрах. По значениям Q и (Змакс приборы почти на 2 порядка превосходят мощные кремниевые МДП-транзисторы, а по параметру (ыСи/Омакс в несколько раз.

Для приборов с субнаносекундными временами переключения крутизна S является функцией времени, что учитывается ее переходной характеристикой /is(0 =S(0/So= 1-ехр (- то), где то -время пролета основными носителями области канала. Известно, что To=KpueeoWLfHYX, где К - коэффициент, учитывающий конфигурацию приборов; еео - диэлектрическая постоянная материала; рм -удельное сопротивление металлизации затвора; X=(U snlUo); -ширина канала.

Для мощных GaAs ПТШ с 1=1 мкм расчетные значения то= = 5... 13 пс. Если длительность фронта входного импульса bi> (2 ... 3)то, то зависимость S{t) можно не учитывать. Получение bi<50 пс в настоящее времи проблематично, поэтому S{t) не учитывается, а реальные значения времен переключения ключей на мощных ПТШ в 2... 3 раза выше ожидаемых их предельных оценок.

Схема ключа на мощных ПТШ показана на рис. 3.6. Источник -U3 используется для запирания мощного ПТШ, так как нормально он открыт.

Рис. 3.5. Осциллограммы входного (/) импульса и импульсов на стоке для транзисторов КП902 (2), КП905 (3) и КП901 (4)

Рис 3.6 Схема ключа на мощном GaAs ПТШ

Ключ отпирается входным импульсом положительной полярности с амплитудой, примерно равной \U3 (. Все элементы ключа (Ra, разделительный конденсатор С1 и Rc) выполнены безвыводными н припаиваются к соответствующим точкам схемы непосредственно. Это уменьшает их паразитные индуктивности. Индуктивность, например, резистора Rc порядка 3... 5 нГн уже ведет к появлению заметного выброса напряжения на стоке.

На рис. 3.7 представлены осциллограммы импульсов на затворе и стоке транзистора ЗП602А в схеме ключа для разных Uc. Время включения оказалось равным 0,1 НС, а время выключения до 0,24 НС. Возрастание времени выключения связано с затяжкой среза входного импульса. Закономерности переходного процесса (в частности, влияние емкости C=.cJ оказываются аналогичными описанным в § 3.1. Приборы ЗП602А переключали токи

Рис. 3.7. Осциллограммы импульсов на затворе (верхний луч) я стоке (нижний луч) для схемы ключа рис. 3.6 при (/п = 2, 3 и 6 В (сверху вниз), /? =100 Ом и Rr=l6 Ом

до 0,1 А, ЗП602 до 0,16 А н ЗП603 до 0,28 А (при этом оценка их /?с я вкл в Импульсном режиме дала значения 7,5; 6 и 4,7 Ом соответственно). Заметной завиоимости /вкл и /выкл от Rt нб эблюдалось, что, очевидно, связано с относительно большой длительностью фронтов запускающего импульса, которая в 2 ... 3 раза превышала значения /вкл и /выкл.

Оценка предельных возможностей ключей на мощных ПТШ и учет влия-нич паразитных реактивностей структуры транзисторов и схемы возможен только при использовании машинных методов расчета (в связи со сложностью эквивалентных схем). Некоторые данные о таких расчетах приведены в гл. 10. В целом следует отметить уникальное быстродействие ключей (времена переключения менее 0,1 не), позволяющее использовать их в. схемах субнаносекундного диапазона времен.

3.3. Графоаналитический метод расчета ключей

Из приведенных данных вытекает, что при рациональном монтаже влияние паразитных индуктивностеп схем и транзисторов мало. На это указывает, в частности, отсутствие заметных выбросов на осциллограммах. Приближенные методы расчета (§ 3.1) не позволяют корректно учесть влияние нелинейности ВАХ транзисторов на характер переходных процессов. Поэтому для инженерного проектирования ключевых схем (наряду с их довольно сложным моделированием на ЭВМ) представляет интерес простой графоаналитический метод расчета переходных процессов, описанный в [61].

Рассмотрим упрощенную схему ключа (рис. 3.8) на мощном МДП-тран-

♦ ,0-{ к7

О) ff)

Рис. 3.8. Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы ключа

4* 51