如何提高晶体管的开关速度？

注：原文链接中图6有误，已改正。

图 1 仿真电路

图 2 未加加速电容的输入输出波形

晶体管开关速度慢

上图 2 显示输入信号 1MHz、0V/5V方波信号注入时的输出输出波形。由图 2 中可以看出，输出端的波形下降沿和上升沿不是垂直的，有个斜率，如何减小这个斜率（就是让边沿陡一点），是我们本次想要研究的。

从上图 2 中可以看出输入电压从 0V变化到 5V，三极管很快从截止状态变化到导通状态，输出信号响应也比较快，从 5V 到 0V。但是，当输入电压从 5V 变化到 0V，三极管从导通状态变化到截止状态的时间却比较久。

晶体管处于导通时候有基极电流流过，所以在基区内积累有电子。因此，在这种状态下即使输入信号变为 0 V，基区中的电子并不能立即消失（电荷存储效应）。而且在基极限流电阻 R1 的作用下，也不可能立即从基区取出全部电子，这就是造成时间滞后的原因。在开关调节器之类使负载高速开关的应用电路中，这种滞后是不允许的。那么如何提高晶体管的开关速度呢？

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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