三極管（7）之開關電路詳解

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三極管不僅可以對模擬信號放大，也可作為控制開關使用，作為開關使用的三極管處於截止與飽和狀態，其基本電路如下圖所示：

 

其中，集電極電阻R₁為上拉電阻，當三極管Q1截止時將輸出電壓上拉至電源V_CC（高電平），可以理解為開集（OC）輸出結構的上拉電阻，具體可參考文章《電阻（4）之上/下拉電阻》，基極串聯電阻R₂為限流電阻，防止輸入電壓V_i幅值過高導致基極電流超額而損壞三極管，下拉電阻R₃用來確保無輸入信號（即懸空）時三極管處於截止狀態。

有的廠家已經將電阻R2、R3集成到內部，如下圖所示（來自Panasonic內置電阻三極管UNR921xJ系列數據手冊）：

 

此開關電路的基本原理很簡單！當輸入信號V_i為低電平“L”時，三極管Q1處於截止狀態，輸出電壓V_o由集電極電阻R1上拉為電源VCC（高電平），此時三極管Q1相當於一個處於斷開狀態的開關，如下圖所示：

 

當輸入信號V_i為高電平“H”時，三極管Q1處於飽和狀態，輸出電壓V_o為三極管飽和壓降（低電平），此時三極管Q1相當於一個處於閉合狀態的開關，如下圖所示：

 

 

這種開關電路的用法主要有兩種，其中之一就是將具體的負載（如電燈泡、馬達、電磁閥、繼電器、蜂鳴器等等）代替集電極電阻R₁，這樣輸入信號V_i高低電平就可以控制負載是否供電，如下圖所示為電燈泡控制開關電路：

 

當輸入為低電平“L”時，三極管Q1是截止的，因此電燈泡兩端是沒有電壓的，當輸入為高電平“H”時，三極管Q1是飽和的，此時電源V_CC施加到電燈泡兩端，如下圖所示：

 

電燈泡是阻性負載（相當於一個電阻），如果換成是感性負載，我們還必須在感性負載兩端反向並聯一個二極管，如下圖所示繼電器應用電路：

 

因為感性負載相當於一個電感，當三極管由導通變為截止時，電感中的電流將會產生突變，如果此時沒有一個電流回路慢慢使電流下降，電感兩端將產生很高的反向電動勢，並聯的二極管D1即用來為感性負載續流（防止三極管Q1被擊穿的同時也可以保護繼電器本身），因而稱之為續流二極管，如下圖所示：

 

 

如果負載消耗的電流比較大，相應的可以選擇集電極電流較大的三極管或達林頓管，此處不再贅述。

 

開關電路的另一個用法是作為高速開關，如BUCK變換器中的開關管，如下圖所示（來自TI電源芯片LM2596數據手冊）

  我們用下圖所示開關電路仿真一下（注意輸入信號頻率是1KHz）：

 

其相關波形如下圖所示：

 

波形貌似還可以呀！對於一個理想的開關，我們希望開關的通/斷狀態可以實時響應控制信號，換句話講，開關的響應速度越快越好，但是如果我們把信號頻率提高再仿真一次，就會看出其中的問題了，下圖所示為信號頻率為1MHz時相關輸入輸出波形：

  輸出（三極管集電極）電壓已經完全不再是方波了，這主要是因為三極管處於導通時，基區內儲存有一定的電荷（相當於一個充滿電的電容C_BE），如果輸入信號V_i由高電平切換為低電平，電容電荷必須通過如下圖所示回路進行電荷釋放：

 

這就相當於一個RC放電回路，這里的R為R2與R3的並聯值，基區中存儲的電荷越多，則三極管由飽和狀態切換至截止狀態需要的延遲時間越長，這對於高速開關電路是非常不利的。

 

要優化輸出的波形，只能想辦法將基區的電荷更快的消除！我們可以在基極串聯電阻R₂兩端並聯一個小電容，當輸入為高電平時“H”時，該電容充電極性為左正右負，而當輸入切換為低電平“L”時，相當於基極施加了一個負壓至三極管的發射結（可以加速抵消基區電荷），同時可以將基極串聯電阻旁路（相當於減小了放電常數），如下圖所示：

 

我們用200pF的小電容重新仿真一下，如下圖所示：

 

其波形如下圖所示：

 

可以看到，輸出電壓的波形比之前要好很多，三極管基極出現的負壓就是並聯小電容在輸入高電平期間所存儲的電壓，其值約為-(V_IH-V_BE)，這個用來提高開關速度的電容也稱為加速電容

 

我們也可以用肖特基二極管並聯在三極管的集電結，如下圖所示：

 

肖特基二極管（也稱肖特基勢壘二極管，Schottky Barrier Diode，SBD）與普通的二極管稍為有所不同，它的單向導通特性不是由P型半導體與N型半導體接觸形成的PN結決定的，而是金屬與半導體接觸形成的，它的特點是開關速度快、正向壓降比普通二極管要低（0.3～0.4V），也就是比三極管的發射結電壓要低一些。

 

當輸入信號為高電平“H”時，大部分原本應該全部流入基極的電流通過肖特基二極管D1直接到地了，因此，相對沒有添加D1時的電流非常小，換句話說，盡管晶體管現在處於飽和導通狀態，但並沒有進入深度飽和，因此要退出飽和狀態也更加容易（速度更快），如下圖所示：

 

我們將三極管與肖特基二極管的組合稱為肖特基箝位晶體管（Schottky-clamped transistor , SCT），如下圖所示：

 

這種組合主要應用在高速數字邏輯電路中，在74系列邏輯電路中也很常見，如下圖所示（來自TI反相器74LS04數據手冊）：

 

我們也可以使用射隨（共集電極）型開關電路來提升開關速度（LM2596內部的開關管就相當於是射隨器），我們用下圖所示電路進行仿真：

 

其相關波形如下圖所示：

 

從波形中可以看到，盡管我們並沒有對電路進行加速優化，輸出電壓也比較理想，而且輸出與輸入的相位是相同的。

 

我們也可以用場效應管作為開關電路，可以參考文章《場效應管開關電路》