三極管電路圖設(shè)計(jì) 電燈泡控制開關(guān)電路仿真實(shí)驗(yàn)

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

其中，集電極電阻R1為上拉電阻，當(dāng)三極管Q1截止時將輸出電壓上拉至電源VCC（高電平），可以理解為開集（OC）輸出結(jié)構(gòu)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(lián)電阻R2為限流電阻，防止輸入電壓Vi幅值過高導(dǎo)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）時三極管處于截止?fàn)顟B(tài)。

有的廠家已經(jīng)將電阻R2、R3集成到內(nèi)部，如下圖所示（來自Panasonic內(nèi)置電阻三極管UNR921xJ系列數(shù)據(jù)手冊）：

此開關(guān)電路的基本原理很簡單！當(dāng)輸入信號Vi為低電平“L”時，三極管Q1處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出電壓Vo由集電極電阻R1上拉為電源VCC（高電平），此時三極管Q1相當(dāng)于一個處于斷開狀態(tài)的開關(guān)，如下圖所示：

當(dāng)輸入信號Vi為高電平“H”時，三極管Q1處于飽和狀態(tài)，輸出電壓Vo為三極管飽和壓降（低電平），此時三極管Q1相當(dāng)于一個處于閉合狀態(tài)的開關(guān)，如下圖所示：

這種開關(guān)電路的用法主要有兩種，其中之一就是將具體的負(fù)載（如電燈泡、馬達(dá)、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Vi高低電平就可以控制負(fù)載是否供電，如下圖所示為電燈泡控制開關(guān)電路：

當(dāng)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(dāng)輸入為高電平“H”時，三極管Q1是飽和的，此時電源VCC施加到電燈泡兩端，如下圖所示：

電燈泡是阻性負(fù)載（相當(dāng)于一個電阻），如果換成是感性負(fù)載，我們還必須在感性負(fù)載兩端反向并聯(lián)一個二極管，如下圖所示繼電器應(yīng)用電路：

因?yàn)楦行载?fù)載相當(dāng)于一個電感，當(dāng)三極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r，電感中的電流將會產(chǎn)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(chǎn)生很高的反向電動勢，并聯(lián)的二極管D1即用來為感性負(fù)載續(xù)流（防止三極管Q1被擊穿的同時也可以保護(hù)繼電器本身），因而稱之為續(xù)流二極管，如下圖所示：

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

開關(guān)電路的另一個用法是作為高速開關(guān)，如BUCK變換器中的開關(guān)管，如下圖所示（來自TI電源芯片LM2596數(shù)據(jù)手冊）

我們用下圖所示開關(guān)電路仿真一下（注意輸入信號頻率是1KHz）：

其相關(guān)波形如下圖所示：

波形貌似還可以呀！對于一個理想的開關(guān)，我們希望開關(guān)的通/斷狀態(tài)可以實(shí)時響應(yīng)控制信號，換句話講，開關(guān)的響應(yīng)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(guān)輸入輸出波形：

輸出（三極管集電極）電壓已經(jīng)完全不再是方波了，這主要是因?yàn)槿龢O管處于導(dǎo)通時，基區(qū)內(nèi)儲存有一定的電荷（相當(dāng)于一個充滿電的電容CBE），如果輸入信號Vi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(jìn)行電荷釋放：

這就相當(dāng)于一個RC放電回路，這里的R為R2與R3的并聯(lián)值，基區(qū)中存儲的電荷越多，則三極管由飽和狀態(tài)切換至截止?fàn)顟B(tài)需要的延遲時間越長，這對于高速開關(guān)電路是非常不利的。

要優(yōu)化輸出的波形，只能想辦法將基區(qū)的電荷更快的消除！我們可以在基極串聯(lián)電阻R2兩端并聯(lián)一個小電容，當(dāng)輸入為高電平時“H”時，該電容充電極性為左正右負(fù)，而當(dāng)輸入切換為低電平“L”時，相當(dāng)于基極施加了一個負(fù)壓至三極管的發(fā)射結(jié)（可以加速抵消基區(qū)電荷），同時可以將基極串聯(lián)電阻旁路（相當(dāng)于減小了放電常數(shù)），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(xiàn)的負(fù)壓就是并聯(lián)小電容在輸入高電平期間所存儲的電壓，其值約為-(VIH-VBE)，這個用來提高開關(guān)速度的電容也稱為加速電容

我們也可以用肖特基二極管并聯(lián)在三極管的集電結(jié)，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?qū)ㄌ匦圆皇怯蒔型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體接觸形成的PN結(jié)決定的，而是金屬與半導(dǎo)體接觸形成的，它的特點(diǎn)是開關(guān)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(fā)射結(jié)電壓要低一些。

當(dāng)輸入信號為高電平“H”時，大部分原本應(yīng)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(xiàn)在處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，但并沒有進(jìn)入深度飽和，因此要退出飽和狀態(tài)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(yīng)用在高速數(shù)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(shù)據(jù)手冊）：

我們也可以使用射隨（共集電極）型開關(guān)電路來提升開關(guān)速度（LM2596內(nèi)部的開關(guān)管就相當(dāng)于是射隨器），我們用下圖所示電路進(jìn)行仿真：

其相關(guān)波形如下圖所示：

從波形中可以看到，盡管我們并沒有對電路進(jìn)行加速優(yōu)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(yīng)管作為開關(guān)電路，可以參考文章《場效應(yīng)管開關(guān)電路》
編輯：hfy