MOS晶體管開關(guān)電路設(shè)計與理論知識

晶體管開關(guān)電路（工作在飽和狀態(tài)）在現(xiàn)代電路設(shè)計應(yīng)用中很常見。經(jīng)典的74LS、74ALS和其他集成電路內(nèi)部使用晶體管開關(guān)電路，但它們只有共同的驅(qū)動能力。晶體管開關(guān)電路分為兩類，一類是經(jīng)典的TTL晶體管開關(guān)電路，另一類是MOS管開關(guān)電路。本文將介紹晶體管開關(guān)電路的知識，包括TTL晶體管開關(guān)電路；?蜂鳴器控制電路—被動蜂鳴器；等等。

晶體管開關(guān)電路

TTL晶體管開關(guān)電路按驅(qū)動能力分為小信號開關(guān)電路和功率開關(guān)電路。根據(jù)晶體管的連接方式分為發(fā)射極接地(PNP晶體管發(fā)射極連接到電源)和shooter跟隨開關(guān)電路。

1.1發(fā)射器接地開關(guān)電路

上面的基本電路與實(shí)際設(shè)計電路有點(diǎn)遠(yuǎn)：由于晶體管基極電荷的積累，有一個從on到off的過渡(當(dāng)晶體管關(guān)斷時，由于R1的存在，基極電荷釋放減慢，因此Ic不會立即歸零)。換句話說，發(fā)射極接地開關(guān)電路有關(guān)斷時間。不能直接應(yīng)用于高頻開關(guān)。

說明：當(dāng)晶體管突然導(dǎo)通時(輸入信號突然跳變)，C1瞬間出現(xiàn)短路，從而使晶體管迅速獲得基極電流，從而加速晶體管的傳導(dǎo)。當(dāng)晶體管突然關(guān)斷時(輸入信號突然跳閘)，C1瞬間導(dǎo)通，為基極電荷的放電提供了一條低阻抗的通路，從而加快了晶體管的關(guān)斷速度。C值通常是幾十到幾百的趨膚法。電路中的R2是為了確保晶體管在沒有高輸入時保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。R4是為了確保晶體管在低輸入時保持關(guān)閉，R1和R3用于基極電流限制。

說明：由于TVS二極管Vf比Vbe小0.2到0.4V，所以大部分基極電流從二極管流到晶體管，然后流到晶體管導(dǎo)通時，最后流到地上，因此流向晶體管基極的電流很小，積累的電荷較少。當(dāng)晶體管關(guān)斷時(IN信號突然跳變)，放電電荷變少，關(guān)斷動作自然變快。

在實(shí)際的電路設(shè)計中，我們需要考慮晶體管Vceo、Vcbo滿足的壓力，以及滿足集電極功耗的晶體管。用負(fù)載電流和hfe(取最小晶體管hfe來計算)來計算基極電阻(基極電流保持在0.5到1倍的裕度)。注意特殊二極管反向耐壓。

1.2射極跟隨開關(guān)電路

射極跟隨器又稱射極跟隨器，是一種典型的負(fù)反饋放大器。從晶體管的連接方式來看，它實(shí)際上是一個普通的集電極放大器。信號從基極輸入，從發(fā)射極輸出。重新連接到晶體管發(fā)射極的電阻器在電路中起著重要的作用。它就像一面鏡子，反映了輸出和輸入的以下特性。

輸入電壓usr=ube+usc。通常Usc>Ube，忽略Ube，然后usr≈南加州大學(xué)。顯然，這意味著輻射極限跟隨器的電壓放大系數(shù)近似等于1，即輸入電壓幅值近似等于輸出電壓幅值。當(dāng)Usr增大時，ib和ie均增大，發(fā)射極電壓ue(usc)也增大。反之，當(dāng)Usr減小時，Usc也隨之降低。這表明輸出電壓和輸入電壓是同相的，這是因?yàn)椴粌H輸出電壓等于輸入電壓，而且相位相等。輸出電壓緊隨輸入電壓變化。我們稱這種具有以下特性的電路為“輻射極限跟隨器”。

發(fā)射極跟隨器可以在較小的輸入電流下獲得較大的輸出電流(即(1+β)ib)。因此，它具有電流放大和功率放大的功能。需要區(qū)別的是，普通的多級共射放大電路不放大電流和放大電壓，這與發(fā)射相反。在電視電路中，電視視頻圖像由發(fā)射電路輸出，以保證輸出圖像隨輸入而變化。需要注意的是，一般振幅應(yīng)達(dá)到1.2V左右，RB和RE必須調(diào)整。該比率調(diào)整輸出交流波形的振幅。

II蜂鳴器控制電路-被動蜂鳴器

當(dāng)BUZZ接通高壓時，晶體管T1(N型晶體管)接通，蜂鳴器鳴響。R5的角色用于當(dāng)前限制。

以下電路添加電容器C18和反向二極管D2，以過濾和阻止反向。二極管的反向擊穿電壓很高。一般的低功耗三極管觸發(fā)電壓很低到0.7V。電流也很小，一般小于1UA。

III IO控制電源開關(guān)是使用晶體管和MOS管

MOS：FET MOSFET管的一種，可制成增強(qiáng)型或耗盡型，P溝道或N溝道共型。但實(shí)際應(yīng)用中只有增強(qiáng)型N溝道MOS管和增強(qiáng)型P溝道MOS管，即NMOS和PMOS。

對于這兩種增強(qiáng)型MOS管，NMOS是常用的，具有導(dǎo)通電阻低的特點(diǎn)。通常用于開關(guān)電源和電動機(jī)驅(qū)動。 條件：

當(dāng)Vgs大于某個值時，NMOS打開。當(dāng)Vgs小于某個值時，PMOS打開。 開關(guān)損耗：

無論是NMOS還是PMOS，傳導(dǎo)后都存在導(dǎo)通電阻，造成不可避免的損耗。現(xiàn)在MOS晶體管的導(dǎo)通電阻一般是幾十毫歐姆。 MOS管AO3401:P溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)晶體管

導(dǎo)通條件：對于AO3401，一般不超過-12V。以下是不同壓降下的阻抗：

以下是工程應(yīng)用中的開關(guān)控制電路。

3.1通過IO引腳控制電源

3.2兩根3401金屬氧化物半導(dǎo)體管

以下是兩個3401金屬氧化物半導(dǎo)體管，沒有增加開關(guān)控制。輸入電壓等于輸入電壓。在這一點(diǎn)上，你可以用兩種方式來供電。如果J5沒有輸入電壓，通過VBUS供電，通過F1輸出5V電壓。以下電路可以用開關(guān)代替R10，Q201始終接通，二極管內(nèi)部壓降約為0.5V。

注：兩個晶體管的方向不同，Q200左邊是S，右邊是D。Q201左邊是D，右邊是S。

當(dāng)J5有電壓時，Q200導(dǎo)通，Q201也滿足導(dǎo)通條件，電壓為0.1V。 注意：VBUS右側(cè)斷開。

3.3穩(wěn)壓管和MOS管調(diào)壓電路

說明：

VCC可以來自左側(cè)的VDD5V U控制，也可以來自PC PS2口供給Vpc U IN。VCC采用高電壓的。

原電路：

左側(cè)Vpc U IN由PS2電源供電，右側(cè)由VCC供電。

當(dāng)PS2通電時，左邊是5V，右邊是4.5V左右，可以滿足機(jī)器的電壓要求，當(dāng)PS2端口關(guān)閉時，機(jī)器可以正常工作。

為了降低PS2的電壓降，我決定采用以下電路：

當(dāng)PS2端口通電時，三管Q412接通，因此Q411接通，VCC接近Vpc U IN。此時機(jī)器采用PS2端口電壓(約5V)。未連接PS2時，電流不能從機(jī)器流向PS2端口。 使用上述參數(shù)測試記錄：

最后兩行顯示：

MOS二極管內(nèi)部二極管壓降約為0.6V。

齊納漏電流可以使晶體管導(dǎo)通。PN結(jié)可以在0.6V左右打開。

結(jié)論：

輸入電壓在3.3V時，晶體管接通，說明R436電阻過大，需要減小。

齊納漏電流隨輸入電壓的增加而增大，但當(dāng)兩端電壓達(dá)到3.9V時，電流應(yīng)超過1ma。

為了保證5V左右的輸入電壓能使其穩(wěn)定，必須增大電流，減小電阻，當(dāng)輸入電壓低于4.7V時，必須關(guān)閉晶體管。

最后兩行顯示：

以滿足PS2輸入電壓在[4.6-5V]達(dá)到調(diào)節(jié)器的效果。然后再把大鍵盤再連接到機(jī)器上，當(dāng)機(jī)器關(guān)機(jī)時，鍵盤就可以正常工作了。當(dāng)電動工具工作時也能正常工作。 檢測到的問題：

質(zhì)量測試表明終端不能關(guān)機(jī)。發(fā)現(xiàn)當(dāng)終端斷電時，Vpc U In仍有電壓。VCC(4.84V)通過Q411，導(dǎo)致Vpc U in處的電壓為4.8V。D405的電壓降在0.3V左右。當(dāng)Vpc_IN突然斷電時，電源VCC在斷電瞬間，晶體管接通，所有VCC都會注入端子，晶體管始終接通。

PS2電源電壓的范圍不容易確定。也就是說，當(dāng)終端電壓較大時，電路是正向?qū)ǖ摹Ｍ瑫r，Vpc_IN電壓必須小于一定值，以防止晶體管Q412導(dǎo)通。 例如：

IRF530特點(diǎn)：一般VG取12-15V，在正負(fù)20V之間浮動

上面的電路是錯誤的。Vgs太小。

對于單片PWM驅(qū)動的高壓MOS(VGS在飽和導(dǎo)通狀態(tài)下接近10V)，我們應(yīng)該考慮以下問題：

電平轉(zhuǎn)換，高電平單片機(jī)輸出不超過5V，一般12-15V，所以驅(qū)動電路必須具有電平轉(zhuǎn)換能力。

相位變換，上面所說的MOS是作為一個逆變器，所以根據(jù)負(fù)載的相位和單片機(jī)的輸出進(jìn)行相位轉(zhuǎn)換。如要求MOS輸出MOS導(dǎo)通，則要求驅(qū)動電路同相。

開關(guān)頻率不同，驅(qū)動電路有不同的頻率響應(yīng)，對于高達(dá)1.5M的開關(guān)頻率，用簡單的三極管簡單的自騎電路很難滿足要求，基本需要選擇專用的驅(qū)動芯片。另外，一般光耦在開關(guān)狀態(tài)以上幾十K的頻率下不工作，如果要隔離，6N137型更好的是，有專門的帶光隔離和驅(qū)動光耦，1.5米還是達(dá)不到。

驅(qū)動電流。雖然MOS在靜態(tài)時不消耗驅(qū)動功率，但其輸入是電容性的。為了盡快打開開關(guān)，降低開關(guān)損耗，需要以最快的速度給Cgs充電，因此驅(qū)動電路有一個非常重要的參數(shù)峰值驅(qū)動電流，如200MA、600MA、1A、2A、4A、6A。

驅(qū)動電路的工作電壓，一般最大VGS不能超過20V，所以驅(qū)動電路的工作電壓也不應(yīng)該超過18V，對于上面的電路，需要加一個15V的電壓，當(dāng)然可以從40V降壓。

DV/DT問題，由于MOS在高DV/DT下容易損壞，電磁干擾會增加。為了解決這些問題，有時需要增加驅(qū)動電路輸出的上升/下降時間。一種簡單的方法是在驅(qū)動器輸出和G極之間增加一個小電阻。

VI信號電平轉(zhuǎn)換

4.1改進(jìn)電路的基本晶體管開關(guān)

有時，我們設(shè)定的低電壓電平可能無法使晶體管關(guān)斷，特別是當(dāng)輸入電平接近0.6伏時，為了克服這一臨界條件，我們必須采取糾正措施，確保晶體管必須閉合。圖1顯示了針對這兩種情況設(shè)計的改進(jìn)電路。

圖1確保晶體管開關(guān)動作正確，兩個電路修改正確

圖1(a)中的電路有一個二極管串聯(lián)在基極和發(fā)射極之間，使得基極電流通電的輸入電壓值提高0.6伏，這樣即使由于信號源0.6伏的故障，Vin值接近該值，晶體管也不會導(dǎo)通，所以開關(guān)仍然可以處于關(guān)閉狀態(tài)。

圖1(b)中的電路包含一個次級保持電阻器R2，其設(shè)計具有適當(dāng)?shù)腞1、R2和Vin值，以確保開關(guān)在臨界輸入電壓下關(guān)閉。如圖1(b)所示，在基極發(fā)射極結(jié)不導(dǎo)電(IB0)之前，R1和R2形成一個串聯(lián)的分壓器電路，因此R1必須通過一個固定的(隨Vin變化的)電壓?；鶚O電壓必須低于Vin值。即使車輛識別號(Vin)接近閾值(Vin=0.6伏)，基本電壓仍會被連接到負(fù)極電源的輔助斷開電阻拉低至0.6伏以下。由于R1、R2和VBB值的精心設(shè)計，只要Vin在高范圍內(nèi)，基極仍有足夠的電壓打開晶體管，而不受輔助關(guān)斷電阻的影響。

4.2加速電容器

在需要快速開關(guān)動作的應(yīng)用中，必須提高三極管開關(guān)的開關(guān)速度。圖2是一種常見的方法，這種方法只與加速度電容器上的一個RB電阻并聯(lián)，因此當(dāng)Vin從零電壓上升并開始向基極發(fā)送電流時，電容器不能瞬時充電，因此此時同樣短路，有一個瞬時的高電流從電容器流向底座，從而加速了開關(guān)的傳導(dǎo)。后來，直到充電完成，電容與開路一樣，不影響晶體管的正常工作。

圖2帶加速電容器的電路

一旦輸入電壓從高電平下降到零電壓電平，電容器會在很短的時間內(nèi)將基極發(fā)射極結(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)榉聪蚱珘?，由于電容器的左端已充電到正電壓，?dǎo)致三極管開關(guān)迅速關(guān)閉，因此輸入電壓下降的那一刻，由于電容器上的電壓不能瞬間改變而保持在一個固定值，因此輸入電壓立即下降使基極電壓降低，使基極發(fā)射極結(jié)成為反向偏壓，并迅速關(guān)斷晶體管。選擇合適的加速電容可以使三極管開關(guān)的開關(guān)時間減少到幾十微秒以下，而且大多數(shù)加速電容器都在幾百pF左右。

有時三極管開關(guān)的負(fù)載并不是直接施加在集電極和電源之間，而是如圖3所示進(jìn)行連接。這種連接與小信號放大電路非常接近，但缺少一個輸出耦合電容。這個連接和正常連接正好相反。當(dāng)晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)時，晶體管處于啟用狀態(tài)。當(dāng)晶體管接通時，負(fù)載被切斷。這兩種電路的形式是相同的，我們必須有清晰的分辨能力。

圖3將負(fù)載連接到晶體管電路的改進(jìn)電路

晶體管開關(guān)最常見的應(yīng)用之一是驅(qū)動指示燈，指示燈可以指示電路特定點(diǎn)的工作狀態(tài)，電機(jī)控制器是否通電，或某個限位開關(guān)通電或數(shù)字電路是否處于高狀態(tài)。

例如圖4(a)顯示了使用晶體管開關(guān)的數(shù)字觸發(fā)器的輸出狀態(tài)。如果觸發(fā)器輸出很高(一般為5伏)，晶體管開關(guān)被打開，留下指示燈，這樣操作者只要看一眼燈，就可以知道觸發(fā)器電流的工作情況，而不需要用儀表來檢測。

有時信號源(如觸發(fā)器)的輸出電流容量太小，不足以驅(qū)動晶體管開關(guān)，此時為避免信號源過載和故障，必須采用圖4(b)所示的改進(jìn)電路，當(dāng)輸出很高時，首先用晶體管Q1做驅(qū)動發(fā)射極電流放大，然后打開Q2并驅(qū)動光源，因?yàn)榘l(fā)射極與輸入級的輸入阻抗相當(dāng)高，所以觸發(fā)器應(yīng)提供少量的輸入電流，才能得到滿意的工作。

圖4(a)中的數(shù)字顯示電路通常用于數(shù)字顯示器。

圖4(a)基本電路圖

(b)改進(jìn)電路圖

分析：如果FREOF為高5V，輸出FREOUT應(yīng)為1.3khz的方波，波形如下：C39左側(cè)和C41右側(cè)為1.3K左右的方波，一高一低。

關(guān)于RC充放電實(shí)驗(yàn)：

在下圖中，當(dāng)輸入1Hz方波信號時，截取左邊的波形C3如下。充滿電大約需要4毫秒。

理論計算：充放電原理相同。首先計算充放電常數(shù)TC=RC，單位為歐姆和F。

以下電路TC=1K*1uf=1ms 3TC通?？梢赃_(dá)到0.95E，4.75V，因此3ms可以達(dá)到4.75V，與波形一致。

圖中是一個簡單的控制電路：

當(dāng)KSEL較高時，KCLK1和KCLK0通過，KDAT1和KDAT0通過。

在低電平時，電路阻塞。

V常見問題

1.什么是晶體管開關(guān)電路?

電子電路中晶體管最常見的用途之一就是簡單的開關(guān)。簡言之，晶體管只有在基極上施加電壓時才在集電極-發(fā)射極路徑上傳導(dǎo)電流。。。當(dāng)基極飽和時，開關(guān)接通，這樣集電極電流可以不受限制地流動。

2.哪種晶體管最常用?

MOSFET是目前數(shù)字電路和模擬電路中應(yīng)用最廣泛的晶體管，占世界晶體管總數(shù)的99.9%。雙極結(jié)晶體管(BJT)是20世紀(jì)50年代至60年代最常用的晶體管。

晶體管的主要用途是什么?

晶體管，用于放大、控制和產(chǎn)生電信號的半導(dǎo)體器件。晶體管是集成電路(或稱“微芯片”)中的有源元件，通常在其光亮的表面上刻有數(shù)十億個這種微小的器件。

晶體管的工作原理是什么?

晶體管由兩個背靠背連接的PN二極管組成。它有三個端子，即發(fā)射極、基極和集電極。晶體管背后的基本思想是，它可以通過改變流經(jīng)第二個通道的較小電流的強(qiáng)度來控制流過一個通道的電流。

5.如何識別晶體管?

制造晶體管的材料包括硅和鍺。雙極結(jié)晶體管是最常用的類型。為了幫助識別它們，晶體管的外殼上都標(biāo)有數(shù)字和字母。晶體管根據(jù)使用的編號系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)記。

6.今天使用的兩種基本類型的結(jié)晶體管是什么?

目前有兩種最常見的晶體管類型：金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)和雙極結(jié)晶體管(BJT)。

7.機(jī)械開關(guān)和晶體管的兩大區(qū)別是什么?

總開關(guān)是單個部件;晶體管開關(guān)需要配套元件(電阻器等)。一個通用的開關(guān)可以有多個位置(投切)和電路(極)，但是這些必須使用晶體管開關(guān)、使用多個晶體管和支持組件來設(shè)計。

8.晶體管和放大器有什么區(qū)別?

在這個意義上，放大器調(diào)節(jié)電源的輸出，使輸出信號比輸入信號強(qiáng)。晶體管是一種半導(dǎo)體器件，用于放大和轉(zhuǎn)換電子信號和電能。

晶體管會改變電壓嗎?

記住，機(jī)械開關(guān)在打開狀態(tài)下沒有電壓降，因?yàn)橛|點(diǎn)之間沒有電阻。另一方面，晶體管在接通時集電極/發(fā)射極端子(RCE)上有少量電阻，因此會產(chǎn)生電壓降。

晶體管10能放大嗎?

是的，晶體管放大直流電。然而，直流電只能用BJT而不能用FET放大。輸入的直流電被放大到基極，這個放大的電流在集電極處被提取出來。

　　審核編輯：湯梓紅