图 1 仿真电路

图 2 展示了在没有应用加速电容时输入信号和输出信号的波形。

晶体管切换速度的改善

根据图 2 的数据，当1MHz、0V至5V的方波信号被施加时，观察到的输出波形在上升沿和下降沿并非直立，而是呈现一定的斜率。本研究旨在探索如何缩减此斜率，即实现更加陡峭的边缘。

图 2 揭示，当输入电压从0V跃升至5V时，三极管迅速从截止状态切换至导通状态，导致输出信号迅速从5V降至0V。然而，当输入电压从5V下降至0V时，三极管从导通状态回到截止状态所需时间较长。

这种现象的背后原因在于，当晶体管处于导通状态时，基极会有电流流过，导致基区积累电子。即便输入信号跌至0V，基区内的电子也不会立即消散（电荷存储效应）。同时，受基极限流电阻R1的影响，不能立刻从基区移除所有电子，从而造成响应延迟。在需要高速切换负载的应用场景，如开关调节器中，这种延迟是不被允许的。那么，提升晶体管切换速度的方法是什么呢？

下面介绍三种常用的加速晶体管开关的方法：

1、使用加速电容

图 3 使用加速电容时的电路

图 4 加速电容对基极电压的影响

图 3 是对图 1 基极限流电阻 R1 添加并联小容量电容器的电路。这样，当输入信号上升、下降时能够使 R1 电阻瞬间被旁路并提供基极电流，所以在晶体管由导通状态变化到截止状态时能够迅速从基区取出电子(因为R1 被旁路)，消除开关的时间滞后。这个电容的作用是提高了开关速度，所以称为加速电容。

图 5 加了加速电容的输入输出波形

图片 5 是添加了加速电容之后的输入输出波形图，可以看出晶体管开关速度明显提升，边沿变得陡峭，由于所使用的晶体管以及基极电流、集电极电流值等原因，加速电容的最佳值是各不相同的。因此，加速电容的值要通过实际电路的开关波形决定。

2、肖特基钳位

提高晶体管开关速度的另一个方法是利用肖特基二极管钳位。这种方法是 74LS、74ALS、74AS 等典型的数字IC TTL的内部电路所采用的技术。

图 6 是对图 1 添加肖特基钳位的电路。所谓的肖特基钳位是在基极与集电极之间接入肖特基二极管。这种二极管不是 PN 结，而是由金属与半导体接触形成具有整流作用的二极管，其特点是开关速度快，正向压降 VF比硅 PN 结小。

图 6 进行肖特基钳位的电路

图 7 加了肖特基钳位的输入输出波形

如上图 7 是加入了肖特基钳位的输入输出波形，可以看出其效果与接入加速电容(图 5)时相同，晶体管开通关断边沿明显变陡峭。

分析图 6 可知，肖特基二极管的正向电压降 VF 比晶体管的 VBE 小，所以本来应该流过晶体管的大部分基极电流现在通过 D1 被旁路掉了。这时流过晶体管的基极电流非常小，所以可以认为这时晶体管的导通状态接近截止状态。

3、减小基基电阻R1

图 8 R1=100Ω时的电路

图 9 R1=100Ω时的输入输出波形

如上图 9 所示，减小 R1 电阻至 R1=100Ω 时的输入输出波形较图 2 明显变陡峭，这是因为 R1 减小时，其与晶体管密勒效应构成的低通滤波器的截止频率升高，所以输出波形的上升速度加快了。

总结：

加速电容是一种与减小基基电阻值等效的提高开关速度的方法。肖特基钳位可以看做是改变晶体管的工作点，减小电荷存储效应影响，提高开关速度的方法。由于肖特基钳位电路不像接入加速电容那样会降低电路的输入阻抗，所以当驱动开关电路的前级电路的驱动能力较低时，采用这种方法很有效。

在设计这种电路时要注意肖特基二极管的反向电压VR的最大额定值（因为晶体管截止时电源电压会原封不动的加在肖特基二极管上）。

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