晶體管開關(guan)(guan)電路(工作在飽和態)在現代電路設計應用中屢見不鮮,經典的(de)74LS,74ALS等集成電路內部都(dou)使用了晶體管開關(guan)(guan)電路,只是(shi)驅動能(neng)力(li)一般而已(yi)。
TTL晶體(ti)管開關(guan)電路按(an)驅動能力(li)分為(wei)小信號開關(guan)電路和(he)(he)功(gong)率開關(guan)電路;按(an)晶體(ti)管連接(jie)方式分為(wei)發(fa)射(she)極接(jie)地(PNP晶體(ti)管發(fa)射(she)極接(jie)電源)和(he)(he)射(she)級跟隨開關(guan)電路。
1.發射極接地開(kai)關電(dian)路
1.1NPN型(xing)(xing)和(he)PNP型(xing)(xing)基本開關(guan)原理(li)圖:
上面的(de)基本(ben)電(dian)(dian)路離(li)實際(ji)設計電(dian)(dian)路還有(you)些距離(li):由于(yu)(yu)晶體(ti)管基極(ji)電(dian)(dian)荷存(cun)儲積累效(xiao)應使晶體(ti)管從導通到斷(duan)開(kai)有(you)一(yi)個過(guo)渡(du)過(guo)程(當(dang)晶體(ti)管斷(duan)開(kai)時(shi),由于(yu)(yu)R1的(de)存(cun)在(zai)(zai),減慢了基極(ji)電(dian)(dian)荷的(de)釋放,所(suo)以Ic不(bu)會馬上變為零)。也就是說發射極(ji)接地型(xing)開(kai)關(guan)電(dian)(dian)路存(cun)在(zai)(zai)關(guan)斷(duan)時(shi)間,不(bu)能直接應用(yong)于(yu)(yu)中高頻開(kai)關(guan)。
1.2實(shi)用的(de)NPN型和PNP型開關原(yuan)理圖1(添加加速電容(rong))
解釋:當(dang)晶(jing)(jing)體管(guan)(guan)突(tu)(tu)然(ran)導(dao)通(IN信號突(tu)(tu)然(ran)發生(sheng)跳(tiao)變),C1瞬(shun)間短路(lu),為三(san)極(ji)(ji)管(guan)(guan)快速(su)提(ti)供基極(ji)(ji)電流(liu),這樣(yang)加(jia)速(su)了晶(jing)(jing)體管(guan)(guan)的導(dao)通。當(dang)晶(jing)(jing)體管(guan)(guan)突(tu)(tu)然(ran)關(guan)斷(duan)(IN信號突(tu)(tu)然(ran)發生(sheng)跳(tiao)變),C1也(ye)瞬(shun)間導(dao)通,為卸(xie)放基極(ji)(ji)電荷提(ti)供一條低(di)阻通道,這樣(yang)加(jia)速(su)了晶(jing)(jing)體管(guan)(guan)的關(guan)斷(duan)。C通常取值幾十到幾百皮法。電路(lu)中R2是(shi)為了保證(zheng)沒有(you)IN輸入高電平時(shi)三(san)極(ji)(ji)管(guan)(guan)保持關(guan)斷(duan)狀態(tai);R4是(shi)為了保證(zheng)沒有(you)IN輸入低(di)電平時(shi)三(san)極(ji)(ji)管(guan)(guan)保持關(guan)斷(duan)狀態(tai)。R1和R3是(shi)基極(ji)(ji)電流(liu)限(xian)流(liu)用(yong)。
1.3實(shi)用的NPN型開關原理圖2(消(xiao)特(te)基二(er)極管鉗位)
解(jie)釋:由于消(xiao)特(te)基二(er)極(ji)(ji)管(guan)Vf為0.2至0.4V比(bi)Vbe小(xiao),所以當晶(jing)體(ti)管(guan)導通(tong)(tong)后大部分的基極(ji)(ji)電(dian)流是(shi)從二(er)極(ji)(ji)管(guan)然后通(tong)(tong)過三(san)(san)極(ji)(ji)管(guan)到(dao)地的,這樣流到(dao)三(san)(san)極(ji)(ji)管(guan)基極(ji)(ji)的電(dian)流就(jiu)很小(xiao),積累(lei)起來的電(dian)荷也(ye)少,當晶(jing)體(ti)管(guan)關斷(duan)(IN信(xin)號突然發(fa)生(sheng)跳變)時(shi)需要卸放的電(dian)荷少,關斷(duan)自然就(jiu)快。
1.4實際(ji)電路設(she)計
在實(shi)際(ji)電路設計中需要(yao)考慮三(san)(san)極管Vceo,Vcbo等滿(man)足耐壓,三(san)(san)極管滿(man)足集電極功耗;通過(guo)負載電流和hfe(取(qu)三(san)(san)極管小hfe來計算)計算基(ji)(ji)極電阻(要(yao)為基(ji)(ji)極電流留(liu)0.5至1倍的余量(liang))。注意消特基(ji)(ji)二極管反向耐壓。
三(san)極管開關電路設(she)計
三極(ji)管(guan)(guan)除了可(ke)以當做(zuo)交流(liu)信號(hao)放大器之(zhi)外,也可(ke)以做(zuo)為開關(guan)(guan)之(zhi)用。嚴格(ge)說起來,三極(ji)管(guan)(guan)與一般的(de)(de)機(ji)(ji)械接點(dian)式(shi)開關(guan)(guan)在動作上(shang)并不(bu)完全相同,但是(shi)它(ta)卻具有一些(xie)機(ji)(ji)械式(shi)開關(guan)(guan)所沒有的(de)(de)特點(dian)。圖1所示,即為三極(ji)管(guan)(guan)電子開關(guan)(guan)的(de)(de)基本(ben)電路圖。
由下圖可知,負(fu)載電(dian)(dian)阻被直接跨接于三極(ji)管(guan)的集電(dian)(dian)極(ji)與電(dian)(dian)源(yuan)之間,而位居三極(ji)管(guan)主電(dian)(dian)流(liu)的回路上(shang),
圖1基(ji)本的(de)三極管開(kai)關
輸(shu)入電(dian)壓Vin則控制三極(ji)(ji)管(guan)(guan)開關的開啟(open)與閉合(closed)動作,當三極(ji)(ji)管(guan)(guan)呈(cheng)開啟狀(zhuang)態時,負(fu)載電(dian)流(liu)(liu)便被(bei)阻斷,反之,當三極(ji)(ji)管(guan)(guan)呈(cheng)閉合狀(zhuang)態時,電(dian)流(liu)(liu)便可以(yi)流(liu)(liu)通。詳細的說,當Vin為低電(dian)壓時,由于基極(ji)(ji)沒(mei)有(you)電(dian)流(liu)(liu),因此集(ji)電(dian)極(ji)(ji)亦(yi)無(wu)電(dian)流(liu)(liu),致使連(lian)接于集(ji)電(dian)極(ji)(ji)端的負(fu)載亦(yi)沒(mei)有(you)電(dian)流(liu)(liu),而相當于開關的開啟,此時三極(ji)(ji)管(guan)(guan)乃勝作于截止(cutoff)區。
同理,當(dang)Vin為高電(dian)(dian)壓時,由于(yu)(yu)(yu)有基極(ji)電(dian)(dian)流流動,因此使集電(dian)(dian)極(ji)流過更大的放大電(dian)(dian)流,因此負(fu)載回路便(bian)被導通(tong),而相當(dang)于(yu)(yu)(yu)開關的閉合,此時三極(ji)管乃勝作于(yu)(yu)(yu)飽和區(saturation)。838電(dian)(dian)子
一、三極管開關(guan)電路的分析設計
由于(yu)對(dui)硅三(san)極(ji)(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)而言,其(qi)(qi)基射(she)極(ji)(ji)(ji)(ji)接(jie)面之正(zheng)向偏壓值(zhi)約為(wei)0.6伏(fu)特(te),因此欲(yu)使三(san)極(ji)(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)截(jie)止(zhi),Vin必須低于(yu)0.6伏(fu)特(te),以使三(san)極(ji)(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)的(de)基極(ji)(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)流(liu)為(wei)零。通常在(zai)設計時,為(wei)了(le)可(ke)以更確定(ding)三(san)極(ji)(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)必處于(yu)截(jie)止(zhi)狀態(tai)(tai)起(qi)見,往往使Vin值(zhi)低于(yu)0.3伏(fu)特(te)。(838電(dian)(dian)(dian)子資源(yuan)(yuan))當然輸入(ru)電(dian)(dian)(dian)壓愈(yu)接(jie)近零伏(fu)特(te)便(bian)愈(yu)能(neng)保證(zheng)三(san)極(ji)(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)開關必處于(yu)截(jie)止(zhi)狀態(tai)(tai)。欲(yu)將電(dian)(dian)(dian)流(liu)傳送到負載上,則三(san)極(ji)(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)的(de)集(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)與(yu)射(she)極(ji)(ji)(ji)(ji)必須短路(lu),就像(xiang)機械開關的(de)閉合動(dong)作(zuo)一樣。欲(yu)如此就必須使Vin達到夠高的(de)準位,以驅(qu)動(dong)三(san)極(ji)(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)使其(qi)(qi)進入(ru)飽和(he)(he)工(gong)(gong)作(zuo)區工(gong)(gong)作(zuo),三(san)極(ji)(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)呈飽和(he)(he)狀態(tai)(tai)時,集(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)流(liu)相當大,幾乎使得(de)整個電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)電(dian)(dian)(dian)壓Vcc均跨(kua)在(zai)負載電(dian)(dian)(dian)阻上,如此則VcE便(bian)接(jie)近于(yu)0,而使三(san)極(ji)(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)的(de)集(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)和(he)(he)射(she)極(ji)(ji)(ji)(ji)幾乎呈短路(lu)。在(zai)理想狀況下(xia),根據(ju)奧姆(mu)定(ding)律三(san)極(ji)(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)呈飽和(he)(he)時,其(qi)(qi)集(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)流(liu)應該為(wei)﹕
因(yin)此(ci),基極(ji)電流少應為:
上(shang)式(shi)表出了IC和(he)(he)IB之(zhi)間的(de)(de)基本關(guan)(guan)系,式(shi)中的(de)(de)β值(zhi)代(dai)表三極管(guan)的(de)(de)直(zhi)流電(dian)(dian)流增益(yi),對某些三極管(guan)而言(yan),其交流β值(zhi)和(he)(he)直(zhi)流β值(zhi)之(zhi)間,有著甚大的(de)(de)差異。欲(yu)使(shi)開關(guan)(guan)閉合,則(ze)其Vin值(zhi)必須夠高,以(yi)送出超過或等于(yu)(式(shi)1)式(shi)所要求的(de)(de)低基極電(dian)(dian)流值(zhi)。由于(yu)基極回路只是一(yi)個電(dian)(dian)阻和(he)(he)基射極接面的(de)(de)串聯電(dian)(dian)路,故Vin可由下(xia)式(shi)來求解﹕
式2)
一旦(dan)基(ji)極電(dian)壓(ya)超過或等于(式2)式所(suo)求得的(de)數值,三極管便導通,使全部(bu)的(de)供應電(dian)壓(ya)均跨在負載(zai)電(dian)阻上,而(er)完成了開關的(de)閉(bi)合動作。
總而(er)(er)言之(zhi)(zhi),三極管(guan)(guan)接成(cheng)圖1的電路之(zhi)(zhi)后,它的作(zuo)用就(jiu)和一只與負載相串聯的機械式開(kai)關一樣,而(er)(er)其啟(qi)閉開(kai)關的方(fang)式,則可以直接利用輸入電壓(ya)方(fang)便的控制(zhi),而(er)(er)不須采(cai)用機械式開(kai)關所常用的機械引(yin)動(mechanicalactuator)﹑螺管(guan)(guan)柱(zhu)塞(solenoidplunger)或(huo)電驛電樞(relayarmature)等控制(zhi)方(fang)式。
為(wei)了避免混(hun)淆(xiao)起見,本文所介紹的三極(ji)管(guan)開(kai)關均采用NPN三極(ji)管(guan),當(dang)(dang)然NPN三極(ji)管(guan)亦可以被當(dang)(dang)作(zuo)開(kai)關來(lai)使用,只是比較(jiao)不常見罷了。
例題1
試(shi)解(jie)釋出在圖2的(de)(de)開(kai)關(guan)電(dian)路中(zhong),欲(yu)使(shi)開(kai)關(guan)閉合(三極管飽(bao)和)所(suo)須的(de)(de)輸入(ru)電(dian)壓(ya)為何?并解(jie)釋出此時之負載電(dian)流與基極電(dian)流值?
解(jie)﹕由2式可(ke)知,在飽和(he)狀態下,所有(you)的供電電壓(ya)完全跨(kua)降于(yu)負載電阻上,因此
由方程式(shi)(1)可知
因此(ci)輸入(ru)電壓可由下(xia)式求得
圖(tu)2用(yong)三極管(guan)做為燈(deng)泡(pao)開(kai)關(guan)
由(you)例(li)題1-1得知,欲利用(yong)三(san)極(ji)(ji)管開關來(lai)控制(zhi)大(da)到(dao)1.5A的(de)(de)負載電(dian)(dian)流之啟閉動作,只須(xu)要利用(yong)甚(shen)小的(de)(de)控制(zhi)電(dian)(dian)壓和電(dian)(dian)流即可。此外,三(san)極(ji)(ji)管雖然流過大(da)電(dian)(dian)流,卻不(bu)須(xu)要裝上散(san)熱片,因為當(dang)負載電(dian)(dian)流流過時,三(san)極(ji)(ji)管呈飽和狀態,其(qi)VCE趨近(jin)于(yu)零,所以其(qi)電(dian)(dian)流和電(dian)(dian)壓相(xiang)乘的(de)(de)功(gong)率(lv)之非常小,根(gen)本不(bu)須(xu)要散(san)熱片。
二(er)、三極(ji)管開關與機械式開關的比較(jiao)
截至目前(qian)為止,我們(men)都假設當三(san)極管(guan)(guan)開關導(dao)通(tong)時,其基(ji)極與射極之間是(shi)(shi)完全短路(lu)的(de)。事實并(bing)(bing)非(fei)如(ru)此(ci),沒有(you)任何三(san)極管(guan)(guan)可以完全短路(lu)而(er)(er)使(shi)VCE=0,大(da)多(duo)數的(de)小信號硅質三(san)極管(guan)(guan)在飽和(he)時,VCE(飽和(he))值(zhi)約為0.2伏(fu)特,縱使(shi)是(shi)(shi)專為開關應用而(er)(er)設計(ji)的(de)交(jiao)換三(san)極管(guan)(guan),其VCE(飽和(he))值(zhi)頂多(duo)也只能低到(dao)0.1伏(fu)特左右(you),而(er)(er)且負載電(dian)流(liu)一高,VCE(飽和(he))值(zhi)還會有(you)些許的(de)上(shang)升(sheng)現象,雖然對大(da)多(duo)數的(de)分析計(ji)算而(er)(er)言(yan),VCE(飽和(he))值(zhi)可以不予考慮,但(dan)是(shi)(shi)在測(ce)試交(jiao)換電(dian)路(lu)時,必須明白VCE(飽和(he))值(zhi)并(bing)(bing)非(fei)真的(de)是(shi)(shi)0。
雖然VCE(飽和(he))的(de)(de)(de)電壓很小,本身(shen)微不(bu)足(zu)道,但(dan)是若(ruo)將幾個三(san)極管(guan)開關(guan)(guan)串接起來(lai),其總和(he)的(de)(de)(de)壓降效應就很可觀了,不(bu)幸的(de)(de)(de)是機(ji)械式(shi)的(de)(de)(de)開關(guan)(guan)經常(chang)是采用(yong)串接的(de)(de)(de)方(fang)式(shi)來(lai)工(gong)作(zuo)的(de)(de)(de),如圖3(a)所示,三(san)極管(guan)開關(guan)(guan)無(wu)法模擬機(ji)械式(shi)開關(guan)(guan)的(de)(de)(de)等(deng)效電路(lu)(如圖3(b)所示)來(lai)工(gong)作(zuo),這是三(san)極管(guan)開關(guan)(guan)的(de)(de)(de)一大缺點。
圖3三極管開關(guan)與機械式開關(guan)電路
幸好三極管(guan)開關雖然不適用(yong)(yong)于(yu)串接(jie)方(fang)式(shi),卻可以(yi)完美的適用(yong)(yong)于(yu)并接(jie)的工作方(fang)式(shi),如圖(tu)4所(suo)示者即為一(yi)例。
三極管開(kai)關(guan)(guan)和(he)傳統的機械(xie)式開(kai)關(guan)(guan)相(xiang)較,具(ju)有下列四大優點﹕
圖4三(san)極管開關之并聯聯接
(1)三極管開關(guan)不具(ju)有活動(dong)接點(dian)部(bu)份,因此(ci)不致有磨損之慮(lv),可(ke)以使用無限多次,
一般的(de)機械式開(kai)關(guan),由于接(jie)點(dian)磨損,頂多只(zhi)能使用數百(bai)萬次左右,而且其接(jie)點(dian)易受污損而影響工作,因此無法在臟(zang)亂的(de)環境下(xia)運作,三極管開(kai)關(guan)既無接(jie)點(dian)又是密(mi)封(feng)的(de),因此無此顧慮。
(2)三極管(guan)開(kai)關的動作(zuo)速(su)度較一般的開(kai)關為快,一般開(kai)關的啟閉時間是以毫秒(ms)來(lai)計(ji)算(suan)的,三極管(guan)開(kai)關則以微秒(μs)計(ji)。
(3)三極管開(kai)關沒有躍動(bounce)現象。一般的機械式開(kai)關在(zai)導(dao)通的瞬間會有快速的連續啟(qi)閉動作,然后才(cai)能逐漸達到穩定狀態。
(4)利用三極管開(kai)(kai)關(guan)(guan)來驅動電感性(xing)負載時,在開(kai)(kai)關(guan)(guan)開(kai)(kai)啟的瞬間,不致有火花(hua)產生。反之,當機械式開(kai)(kai)關(guan)(guan)開(kai)(kai)啟時,由于瞬間切斷了電感性(xing)負載樣(yang)上(shang)的電流(liu),因(yin)此電感之瞬間感應電壓,將在接點上(shang)引(yin)起(qi)弧(hu)光,這種電弧(hu)非但會侵(qin)蝕接點的表面(mian),亦可(ke)能(neng)造成干(gan)擾(rao)或危害。