¿Qué factor afecta la velocidad de conmutación del transistor?

Hay dos familias principales de transistores: bipolar y FET, y su velocidad se ve afectada por factores muy diferentes. Una breve descripción de ellos sigue.

Al cambiar, se considera cambiar el estado del transistor de algo similar a un interruptor cerrado (estado cerrado u ON) por algo similar a un interruptor abierto (estado abierto u OFF).

BIPOLAR Y FET

Tenga en cuenta mantener muy baja la impedancia de salida de la fuente que acciona la base o la puerta de los transistores, que es para cambiarlos. Como, en todos los casos, hay algún tipo de condensador para cargar o descargar, una gran impedancia de salida de la fuente ralentizará el proceso de carga .

En el caso de la mayoría de los circuitos MOSFET, por lo general, las puertas de los transistores están siendo impulsadas por una fuente de corriente (la corriente de drenaje de la etapa anterior) y, por lo tanto, esta corriente debe ser alta para cargar [math] C_ {gs} [/ math ] condensadores lo suficientemente rápido.

Otro aspecto importante es que los condensadores involucrados en el proceso de carga / descarga son altamente no lineales (principalmente en el transistor bipolar) y, como tal, el análisis lineal que solemos hacer es solo una aproximación (aproximada). Solo los simuladores de circuitos potentes que utilizan algoritmos numéricos pueden ofrecer resultados significativos (es decir, formas de onda) obtenidos con ecuaciones de operación altamente no lineales.

BIPOLAR

Lo que hace que un transistor bipolar cambie lentamente es la operación en la región de saturación, dejando principalmente la región de saturación. La conmutación rápida significa evitar la saturación en los transistores bipolares . La capacitancia de unión base-emisor subyacente a este proceso es altamente no lineal y el proceso en sí mismo es “matemáticamente difícil”: solo los simuladores que utilizan algoritmos numéricos pueden manejarlo bien (una conferencia sobre este comportamiento es http://www.ee.columbia.edu / ~ bbat …).

En las familias de circuitos digitales rápidos, evitar la saturación se logra de dos maneras diferentes.

En ECL (Emitter Couple Logic), los transistores nunca ingresaron a la región de saturación, cambiaron entre la región desactivada y la región activa, y el bloque principal en la lógica ECL es el par diferencial . Ciertas familias de ECL permitieron velocidades de reloj (en flip-flops individuales) cerca de 1 GHz. A continuación (de Logic Families) se muestra una puerta de ECL; el par diferencial con varias entradas comprende los transistores T1, T1 ‘, T1’ ‘y T2, y las salidas (complementarias) de la puerta están protegidas por dos etapas de colector común que comprenden T3 y T4.

En las familias TTL de Schottky , se evita que los transistores entren en saturación agregando un diodo Schottky entre la base y el colector del transistor. Este diodo Schottky es muy fácil y barato de fabricar en un proceso bipolar normal. A continuación (de Understanding Digital Logic ICs – Part 2) se muestra este tipo de conexión en (a), y en (b) es el símbolo de un “transistor Schottky” que es solo un transistor bipolar normal más el diodo Schottky.

Y debajo hay un circuito Schottky TTL, en concreto una puerta NAND.

FET (MOSFET, en concreto)

Los factores que afectan la velocidad de conmutación de los MOSFET son principalmente el condensador de fuente de puerta, que es aproximadamente el condensador [matemático] C_ {gs} [/ matemático] entre la puerta y el canal. Entonces, cuanto más pequeñas son las dimensiones de la puerta, más pequeño es este condensador y más rápido es el cambio.

Siendo la fórmula de un condensador plano

[matemáticas] C = \ frac {\ epsilon A} {d} [/ matemáticas]

es obvio que una reducción en el grosor de la compuerta [matemática] d [/ matemática] aumenta la capacitancia, así como un aumento en la permitividad dieléctrica, [matemática] \ epsilon [/ matemática] o un aumento en el área de la compuerta, [matemática] A [/ matemáticas].

Una buena explicación de cómo cambiar los MOSFET de alimentación se encuentra en https://www.vishay.com/docs/7321…. Un AN bastante detallado sobre el mismo tema es http://www.ti.com/lit/ml/slua618… de TI.

El cambio de MOSFET integrados de baja dimensión (las dimensiones de la compuerta hoy son de alrededor de 15 nm) es un proceso casi lineal; El comportamiento no lineal se debe principalmente a la corriente de drenaje de los MOSFET en la etapa anterior que se comporta de forma no lineal con el voltaje. Esto generalmente se estudia en cualquier texto electrónico integrado. Ver D7 – El transistor MOS, por ejemplo. (Imágenes a continuación de CMOS. C representa el condensador de carga visto por la etapa del inversor, que comprende los condensadores de las compuertas en la siguiente etapa lógica más el condensador correspondiente a las líneas metálicas que conectan las dos etapas).

Hay muchos factores sutiles diferentes. Y muchas técnicas diferentes para acelerar la velocidad de conmutación de los transistores.

En términos generales, el factor determinante es la carga total de la puerta. Una carga de compuerta más grande requiere corrientes más altas para eliminar los portadores de carga adicional de la unión durante la conmutación. Es por eso que limitar el voltaje y la corriente de la puerta es tan común, para evitar la saturación del transistor, que es una carga adicional innecesaria que debe tratarse.

Para el transistor MOSFET, la velocidad de conmutación está limitada por la capacitancia de la puerta. al igual que la carga RC y el ciclo de descarga.
para BJT, la velocidad está limitada cuando se opera a alta frecuencia por otro efecto de capacitancia, la capacitancia de Miller.

Q = CV, así que esencialmente depende tanto de la capacitancia de la puerta como del voltaje. Ahora, como August Rabe y otros mencionaron, es una combinación de varias cosas. Como explica la ecuación, si la carga total requerida (Producto de C y V) puede mantenerse al mínimo desde un estado ENCENDIDO a un estado APAGADO, usted logra una frecuencia de conmutación más alta.

Echa un vistazo a “Capacitancia Miller” en línea. Explicará lo que necesita saber.