如何使NPN晶体管的关断和导通时间相等？

我有一个简单的NPN开关，见图。

我将100KHz方波（TTL）馈入此晶体管的基极，它的导通速度非常快（几个nSec），但它的关闭速度却不如之前快，它关闭几乎需要2uSec。（我正在看这个电路的收集器）。二极管是激光，晶体管在磨NPN之外运行（数据表）。我还尝试了ONSemi的另一个NPN，它能使同一个故事更快（至少在我看来是这样）。

为什么晶体管关断速度不那么快？

如何在几个nSec中关闭它？

在这种情况下，使用MOSFET比使用NPN更好吗？

**更新**

我添加了一个1K而不是那个NA电容器垫，并使用了更快的BJT，情况有所改善。（实际上，我发现BJT的速度相似，但集电极输出电容较低，为2pF和6pF）。无论如何，现在我看到关闭了120nSec。我将添加一个上限，并从此处报告结果。

一旦理清了基础知识，更快的BJT可能会有所帮助。

您应该结识两个（可能是）新的奇迹般的工作朋友。

• 抗饱和肖特基钳位

• 加速电容器。

• （1）从基极到集电极连接一个小的肖特基二极管
  （阳极到基极，阴极到集电极），以便当晶体管关闭时二极管反向偏置。

  当晶体管导通时，集电极的降幅不能超过基极以下的肖特基“结”降幅。该晶体管不会进入饱和状态，累积的电荷要小得多，因此可以更快地消除导通关断。从这里的例子

查看肖特基TTL的内部框图。注意这是如何比较的。这主要是因为Shottky TTL可以比标准TTL更快。

• （2）将一个小电容器与电阻并联。
  这就是所谓的“加速电容器”。
  听起来不错 ：-）。开通比开通更好，但同时具有两种作用。
  它有助于在关断时从基极发射极结电容中“清除电荷”，并在开通时在其中获取电荷。按下面的例子在这里。此页面非常值得一看。

他们指出（页面上更有价值的材料）

• 减少存储时间。最大的整体延迟是存储时间。
  当BJT处于饱和状态时，基极区域将充满电荷载流子。当输入变低时，这些电荷载流子会花费很长时间离开该区域并允许耗尽层开始形成。这花费的时间是三个因素的函数：

  设备的物理特性。

  Ic的初始值

  施加在基极上的反向偏置电压的初始值。

  再一次，我们不能对第一个因素做很多事情，但是我们可以对其他两个因素做些事情。如果我们可以保持在饱和以下，则基极区域中的载流子数量将减少，因此也将减少。我们还可以通过对晶体管施加较高的初始反向偏置来降低该误差。

  下降时间。像上升时间一样，下降时间（）是晶体管物理特性的函数，我们无法采取任何措施来降低其值。

  将所有这些语句放在一起，我们看到可以通过以下方式减少延迟和存储时间：

  施加一个较高的初始值（以减少延迟时间），该初始值稳定在一个低于使晶体管饱和所需的值（以减少存储时间）。施加较高的初始反向偏置（以减少存储时间），该偏置应稳定至使晶体管保持截止状态所需的最小值（以减少延迟时间）。 只需在基本的BJT开关中增加一个电容器即可满足所有这些条件。如图19-7所示，该电容器称为加速电容器，该电容器跨接在基极电阻两端。图中的波形是在电路上增加电容器的结果。

  当最初变高时，电容器的作用就像是周围的短路。结果，输入信号在短时间内直接耦合到基座。这导致将较高的初始电压尖峰施加到基极，从而产生较高的初始值。当电容器充电时，减小到保持在饱和点以下的点。

  当输入首先变为负值时，加速电容器上的电荷会短暂地将基极驱动至–5V。这会将晶体管快速驱动至截止状态。电容器放电后，基极电压将恢复为0V。这可确保基极-发射极结不会受到严重的反向偏置。这样，满足了减少开关时间的所有期望标准。

• （3）看看情况如何。如果不够好，我们可以看看是否接下来可以添加一些再生驱动器。

LSTTL甚至更快的朋友：

警告 ！！！！！！！！！！！！
展望这里那里的下图是从哪里来的，
是容易导致你和你的烙铁和/或面包板保持清醒整夜:-)。
很多好主意。
你能做一个米勒杀手吗？:-)。

请注意，低功率肖特基二极管使用肖特基二极管，而较早的肖特基TTL使用肖特基晶体管- 显然是倒退了一步。

我想您的问题是，开机时BJT饱和。这意味着流经集电极的电流不受流经基极的控制电流的限制，而是受集电极路径中的限流电阻的限制。

即，在相同的基极电流下，晶体管可以允许更多的电流流经集电极。

如果是这种情况，晶体管的关断时间将相对较长（如果我记得正确，原因是因为然后基极区中的电荷将主要通过扩散而被清除掉，这是一个相当缓慢的物理过程）。

您可以通过以下电路轻松改变这种情况：

现在，流过发射极的电流（仅比流过集电极的电流稍大）将使发射极的电平升高，使基极电流足够小，从而成为流过集电极的电流的限制因素。 。因此，晶体管将不再饱和，并且将更快地关闭。

该电路还有另一个优点：
当传输管加热并变得更加导电时，该电路将更加稳定（半导体在加热时变得更具导电性）。电流变化不大（在您的第一个电路中会变化）。

请注意，电流现在不取决于电源电压，而是取决于控制电压（Vin）。

编辑1：

设
Rb为基极电阻（可能是一个小值；甚至为0欧姆）
。发射极
Vbe为基极-发射极电压的Re电阻（对于Si晶体管约为0.7 V）
b电流放大（约50..100）
Ie = b * Ib发射极电流；几乎等于Ic = Ie-Ib

Vin = Rb * Ib + Vbe + Ie * Re

解决Ie：

即=（Vin-Vbe）/（Rb / b + Re）

Rb / b将很小。可以被否定，所以
Ie =（Vin-Vbe）/ Re

编辑2：

我对这两种电路都做了一些实际的测量：

左版本是具有饱和晶体管（A）的版本。
正确的版本是具有非饱和晶体管（B）的版本。
在这两种方案中，开关电流大约相同。

但现在看需要多长时间关闭电流（A）：
约 CH1（基极电压；蓝色）和CH2（发射极电流；绿色）的边缘之间1.5µs：

...以及（B）：
在CH1（基极电压；蓝色）和CH2（发射极电流；绿色）之间几乎没有延迟：

这里的问题是BJT切换的不对称性。

如果开关阈值小于最小和最大基极电压之间的一半，则晶体管导通所需的时间少于关断所需的时间。如果超过一半，则关闭速度将比关闭速度快。

例如，看一看我在上面写的这张简化图：

如您所见，当基极电压上升到高于开关阈值时，晶体管导通。它会一直保持下去，直到基座再次降至开关阈值以下。由于该电压低于中点，因此该基极电压达到开关阈值所需的时间比接通时要长。

通过在基极和地之间添加一个电阻，可以创建一个分压器。这减小了基极电压的范围，以使基极电压在开关阈值附近更接近对称。

当用作放大器时，您的目标是使基极电压适合开关区域，以使晶体管永远不会完全导通或完全截止，而是在该紧密的开关区域周围进行操作。

_{免责声明：是的，我知道这太过简单了，但是它可以使基本原理完全适用，而不会因数学和公式而使OP陷入困境。}

我有一个类似的电路，在发射器和检测器之间放置一个高电阻，导致它泄漏并断开电路，您的电阻大小非常关键

由于基极发射极结已饱和，晶体管不会以如此快的速度关闭。

我之前已经看过这一点，只需将nmos-fet代替晶体管即可。源极至GND栅极至控制信号（串联时100ohm足够大）漏极至LED。

这应该允许您在10纳秒内打开和关闭