10. Паразитные емкости и их влияние.

С большей долей уверенности можно сказать, что у читателя сложилось мнение о полевом транзисторе как о безынерционном приборе, который может переключаться практически мгновенно, - только включил напряжение на затворе, и транзистор уже открыт! В действительности полевой транзистор затрачивает некоторое время на включение, а также на выключение

(хотя это время значительно меньше, чем у биполярного транзистора). В данной случае существование задержки обусловлено наличием паразитных емкостей. На рис.5.4 эти емкости условно показаны постоянными, чтобы не запутать читателя, когда речь пойдет о процессах переключения. На самом деле каждая емкость из нескольких более мелких с разным характером поведения. Кроме того, все эти емкости сильно зависят от напряжения между их «обкладками»: они велики при малых напряжениях и быстро уменьшаются при больших.

Чтобы гарантированно открыть транзистор, необходимо зарядить его входную емкость

до напряжения 10-12В Сделать этот процесс достаточно быстрым-задача непростая, поскольку в любом усилительном приборе будь то транзистор или электронная лампа, существует так называемый эффект Миллера. Производители транзисторов ведут борьбу с эффектом Миллера, так как подавление его оказывает самое сильное влияние на скорость переключения транзистора и в итоге на качество ключевого элемента. Знакомство с эффектом Миллер поможет лучше понять процессы, происходящие в транзисторе при управлении. Итак, наличие эффекта Миллера обуславливается существованием емкостью С_зс, которая является отрицательной обратной связью между входом и выходом транзистора. Сам прибор нужно рассматривать как усилительный каскад, выходной сигнал которого снимается с нагрузки в цепи стока. В таком каскаде выходной сигнал будет сдвинут по фазе относительно входного на 180 . Обратная связь С_зс настолько сильно уменьшает амплитуду входного сигнала, что по отношению к нему входная емкость транзистора, обозначенная на рис. 5.5 кажется больше, чем она есть на самом деле: С_вх=С_зи+(1+К_у) С_зс, где К_у=SR_н – коэффициент усиления каскада; S – крутизна транзистора (величина, характеризующая полевой транзистор как усилительный элемент).

Простой расчет красноречиво свидетельствует о том, насколько неприятен эффект Миллера.

Пусть С_зи = 35 пФ, С_х - 6 пФ, S = 250 мА/В, Л„ = 200 Ом. С„ = 35 + (1 + 50) 6 - 341 пФ(!)

Мы видим, что эффект Миллера вполне способен уничтожить замечательные свойства полевого транзистора. К счастью, фирмы пpoизводители достигли больших успехов в снижении емкости С_зс, так что на сегодняшний день эффект Миллера не вызывает серьезных опасений. Тем не менее терять его из вида разработчику ни в коем случае нельзя.

Итак, рассмотрим процессы, происходящие в транзисторе при его переключении. В этом нам поможет простая схема, изображенная на рис. 5.6.

Напряжение U_з, прикладываемое к затвору, имеет вид, изображен­ный на рис. 5.7. При подаче прямоугольного импульса от источника U_з, имеющего некоторое внутреннее сопротивление R_з, сначала про­исходит заряд емкости С_зи (участок «1» на рис. 5.7). Но транзистор в это время закрыт, — он начнет открываться только при достижении напряжения U_зи некоторого значения, называемого пороговым на­пряжением (U_gs(th) в обозначениях фирмы International Rectifier). Ти­пичное значение порогового напряжения 2.5 В. При достижении U_зи порогового уровня «срабатывает» эффект Миллера, входная ем­кость резко увеличивается, что иллюстрируется участком «2» (на рис. 5.7). Скорость открывания транзистора замедляется. «Медлен­ный» участок будет длиться до тех пор, пока транзистор полностью не откроется, то есть сопротивление открытого р-n перехода не достигнет значения R_ds(on). Обратная связь оборвется, транзистор потеряет свои усилительные свойства, и входная емкость снова станет равной С_зс(участок «3» на рис. 5.7). В результате на затворе установится напряжение U_з.

В результате процесса включения выходной импульс тока стока задерживается относительно импульса управления на время t_вкл, а вы­ключение транзистора растягивается на время t_вык. Нас, как практи­ков, процесс переключения транзистора интересует с точки зрения КПД схемы. Чем быстрее мы сможем переключать транзистор, тем меньше будет тепловых потерь на нем, тем лучшие показатели КПД мы получим, тем меньшие габариты охлаждающих радиаторов необ­ходимы в конструкции. Поэтому нам нужно уметь вычислять время включения и выключения транзистора, а также их влияние на тепло­вые потери.

на-

2