三極管電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

在數(shù)字電路的領(lǐng)域，常常把電壓簡化為電平，來描述邏輯狀態(tài)。比如TTL電平信號(hào)規(guī)定，+5V等價(jià)于邏輯“1”，也稱為高電平，0V等價(jià)于邏輯“0”，也就是低電平。數(shù)字電路里，只有0和1兩個(gè)狀態(tài)。其實(shí)從0V到+5V，有無數(shù)個(gè)電壓，為了便于處理數(shù)字電路，我們可以把無數(shù)個(gè)狀態(tài)按照電壓范圍，簡化為2個(gè)電平，因?yàn)槲覀冎恍枰?個(gè)電平就能描述0和1這兩種狀態(tài)。

假設(shè)有兩個(gè)電路板需要通信，但是兩個(gè)電路板的電平標(biāo)準(zhǔn)不一樣：對于數(shù)字“1”，一個(gè)板子認(rèn)為5V左右的電壓表示“1”;另一個(gè)板子認(rèn)為3.3V左右的電壓表示“1”。即兩個(gè)板子對于高電平的定義不一樣，不能直接通信，這中間就需要一個(gè)翻譯。

翻譯工作可以由一個(gè)三極管電路來完成。由于只有0和1兩種情況，此時(shí)我們稱三極管工作在開關(guān)狀態(tài)。

當(dāng)三極管的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通以后，集電極與發(fā)射極之間會(huì)有電子流動(dòng)，形成通路。飽和時(shí)集電極與發(fā)射極之間的電壓Vce最低只有幾十毫伏，可以忽略不計(jì)。所以，我們可以把輸入的電平連接到三極管的基極。對于NPN型的三極管，把電源正極連接集電極，電源地連接發(fā)射極。然后從集電極引出輸出電平。如果發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，輸出電平等于Vce,約等于0;如果發(fā)射結(jié)截止，輸出電平等于電源電壓。為了保證即便集電極與發(fā)射極導(dǎo)通，電源也不會(huì)被短路，應(yīng)該在集電極串聯(lián)一個(gè)電阻;同時(shí)，如果基極電流過大，可能在發(fā)射結(jié)導(dǎo)通的時(shí)候燒壞三極管，所以基極應(yīng)該有串聯(lián)電阻，因此可得原理圖：

分析原理圖可知，基極高電平時(shí)，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，集電極“相當(dāng)于”接地(其實(shí)還有幾十毫伏飽和壓降);基極低電平時(shí)，發(fā)射結(jié)不導(dǎo)通，集電極與VCC連接，是高電平。此電路可以實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換的功能，只不過相位正好相反了。

在此電路中有兩個(gè)電阻，作用都是限流，讓板子不被大電流燒壞。要保證三極管處于飽和區(qū)，集電極電流已經(jīng)飽和，基極電流再增大，集電極電流也不會(huì)增大，也就是說，Ic/Ib。

配套電路板中的三極管的Hfe至少是200倍。當(dāng)發(fā)射結(jié)導(dǎo)通時(shí)，為了使三極管工作在飽和區(qū)，需設(shè)定集電極電流達(dá)不到基極電流的200倍。從圖中可以看出，如果想要集電極與發(fā)射極之間的飽和壓降盡可能小一點(diǎn)，可以把集電極電流設(shè)置為幾毫安。電路板中集電極限流電阻取值為2.4K，在電源電壓為5V的時(shí)候，集電極電流只有2mA左右?；鶚O限流電阻取值為30K，當(dāng)基極電壓為3.3V的時(shí)候，基極電流不到100uA。集電極電流是基極電流的二十多倍，三極管工作在飽和區(qū)。