三极管(7)之开关电路详解
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Author: Jackie Long
区电荷） ，同时可以将基极串联电阻旁路（相当于减小了放电常数） ，如下图所示：
我们用 200pF 的小电容重新仿真一下，如下图所示：
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其相关波形如下图所示：
来自百度文库
波形貌似还可以呀！对于一个理想的开关，我们希望开关的通/断状态可以实时响应控 制信号，换句话讲，开关的响应速度越快越好，但是如果我们把信号频率提高再仿真一次， 就会看出其中的问题了，下图所示为信号频率为 1MHz 时相关输入输出波形：
这就相当于一个 RC 放电回路， 这里的 R 为 R2 与 R3 的并联值， 基区中存储的电荷越多， 则三极管由饱和状态切换至截止状态需要的延迟时间越长， 这对于高速开关电路是非常不利 的。 要优化输出的波形，只能想办法将基区的电荷更快的消除！我们可以在基极串联电阻 R2 两端并联一个小电容，当输入为高电平时“H”时，该电容充电极性为左正右负，而当输 入切换为低电平“L”时，相当于基极施加了一个负压至三极管的发射结（可以加速抵消基
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此开关电路的基本原理很简单！当输入信号 Vi 为低电平“L”时，三极管 Q1 处于截止 状态，输出电压 Vo 由集电极电阻 R1 上拉为电源 VCC（高电平） ，此时三极管 Q1 相当于一个 处于断开状态的开关，如下图所示：
如果负载消耗的电流比较大， 相应的可以选择集电极电流较大的三极管或达林顿管， 此 处不再赘述。
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当输入信号为高电平“H”时，大部分原本应该全部流入基极的电流通过肖特基二极管 D1 直接到地了，因此，相对没有添加 D1 时的电流非常小，换句话说，尽管晶体管现在处于 饱和导通状态，但并没有进入深度饱和，因此要退出饱和状态也更加容易（速度更快） ，如 下图所示：
电灯泡是阻性负载（相当于一个电阻） ，如果换成是感性负载，我们还必须在感性负载 两端反向并联一个二极管，如下图所示继电器应用电路：
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开关电路的另一个用法是作为高速开关，如 BUCK 变换器中的开关管，如下图所示（来 自 TI 电源芯片 LM2596 数据手册）
我们用下图所示开关电路仿真一下（注意输入信号频率是 1KHz） ： 更多精彩文章可关注《电子制作站》微信号 dzzzzcn
其波形如下图所示：
可以看到， 输出电压的波形比之前要好很多， 三极管基极出现的负压就是并联小电容在 输入高电平期间所存储的电压，其值约为‐(VIH‐VBE)，这个用来提高开关速度的电容也称为加 速电容 我们也可以用肖特基二极管并联在三极管的集电结，如下图所示：
肖特基二极管（也称肖特基势垒二极管，Schottky Barrier Diode，SBD）与普通的二极管 稍为有所不同， 它的单向导通特性不是由 P 型半导体与 N 型半导体接触形成的 PN 结决定的， 而是金属与半导体接触形成的， 它的特点是开关速度快、 正向压降比普通二极管要低 （0.3～ 0.4V） ，也就是比三极管的发射结电压要低一些。
当输入信号 Vi 为高电平“H”时，三极管 Q1 处于饱和状态，输出电压 Vo 为三极管饱和 压降（低电平） ，此时三极管 Q1 相当于一个处于闭合状态的开关，如下图所示：
这种开关电路的用法主要有两种，其中之一就是将具体的负载（如电灯泡、马达、电磁 阀、继电器、蜂鸣器等等）代替集电极电阻 R1，这样输入信号 Vi 高低电平就可以控制负载 是否供电，如下图所示为电灯泡控制开关电路：
我们将三极管与肖特基二极管的组合称为肖特基箝位晶体管（ Schottky-clamped transistor , SCT） ，如下图所示：
这种组合主要应用在高速数字逻辑电路中，在 74 系列逻辑电路中也很常见，如下图所
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因为感性负载相当于一个电感， 当三极管由导通变为截止时， 电感中的电流将会产生突 变，如果此时没有一个电流回路慢慢使电流下降，电感两端将产生很高的反向电动势，并联 的二极管 D1 即用来为感性负载续流 （防止三极管 Q1 被击穿的同时也可以保护继电器本身） ， 因而称之为续流二极管，如下图所示：
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三极管（7）之开关电路详解
三极管不仅可以对模拟信号放大，也可作为控制开关使用，作为开关使用的三极管处 于截止与饱和状态，其基本电路如下图所示：
其中，集电极电阻 R1 为上拉电阻，当三极管 Q1 截止时将输出电压上拉至电源 VCC（高 电平） ，可以理解为开集（OC）输出结构的上拉电阻，具体可参考文章《电阻（4）之上/下 拉电阻》 ，基极串联电阻 R2 为限流电阻，防止输入电压 Vi 幅值过高导致基极电流超额而损坏 三极管，下拉电阻 R3 用来确保无输入信号（即悬空）时三极管处于截止状态。 有的厂家已经将电阻 R2、R3 集成到内部，如下图所示（来自 Panasonic 内置电阻三极 管 UNR921xJ 系列数据手册） ：
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示（来自 TI 反相器 74LS04 数据手册） ：
我们也可以使用射随（共集电极）型开关电路来提升开关速度（LM2596 内部的开关管 就相当于是射随器） ，我们用下图所示电路进行仿真：
其相关波形如下图所示：
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从波形中可以看到，尽管我们并没有对电路进行加速优化，输出电压也比较理想，而且 输出与输入的相位是相同的。 我们也可以用场效应管作为开关电路，可以参考文章《场效应管开关电路》
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输出（三极管集电极）电压已经完全不再是方波了，这主要是因为三极管处于导通时， 基区内储存有一定的电荷（相当于一个充满电的电容 CBE） ，如果输入信号 Vi 由高电平切换 为低电平，电容电荷必须通过如下图所示回路进行电荷释放：
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当输入为低电平“L”时，三极管 Q1 是截止的，因此电灯泡两端是没有电压的，当输 入为高电平“H”时，三极管 Q1 是饱和的，此时电源 VCC 施加到电灯泡两端，如下图所示：
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区电荷） ，同时可以将基极串联电阻旁路（相当于减小了放电常数） ，如下图所示：
我们用 200pF 的小电容重新仿真一下，如下图所示：
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其相关波形如下图所示：
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波形貌似还可以呀！对于一个理想的开关，我们希望开关的通/断状态可以实时响应控 制信号，换句话讲，开关的响应速度越快越好，但是如果我们把信号频率提高再仿真一次， 就会看出其中的问题了，下图所示为信号频率为 1MHz 时相关输入输出波形：
这就相当于一个 RC 放电回路， 这里的 R 为 R2 与 R3 的并联值， 基区中存储的电荷越多， 则三极管由饱和状态切换至截止状态需要的延迟时间越长， 这对于高速开关电路是非常不利 的。 要优化输出的波形，只能想办法将基区的电荷更快的消除！我们可以在基极串联电阻 R2 两端并联一个小电容，当输入为高电平时“H”时，该电容充电极性为左正右负，而当输 入切换为低电平“L”时，相当于基极施加了一个负压至三极管的发射结（可以加速抵消基
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此开关电路的基本原理很简单！当输入信号 Vi 为低电平“L”时，三极管 Q1 处于截止 状态，输出电压 Vo 由集电极电阻 R1 上拉为电源 VCC（高电平） ，此时三极管 Q1 相当于一个 处于断开状态的开关，如下图所示：
如果负载消耗的电流比较大， 相应的可以选择集电极电流较大的三极管或达林顿管， 此 处不再赘述。
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当输入信号为高电平“H”时，大部分原本应该全部流入基极的电流通过肖特基二极管 D1 直接到地了，因此，相对没有添加 D1 时的电流非常小，换句话说，尽管晶体管现在处于 饱和导通状态，但并没有进入深度饱和，因此要退出饱和状态也更加容易（速度更快） ，如 下图所示：
电灯泡是阻性负载（相当于一个电阻） ，如果换成是感性负载，我们还必须在感性负载 两端反向并联一个二极管，如下图所示继电器应用电路：
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开关电路的另一个用法是作为高速开关，如 BUCK 变换器中的开关管，如下图所示（来 自 TI 电源芯片 LM2596 数据手册）
我们用下图所示开关电路仿真一下（注意输入信号频率是 1KHz） ： 更多精彩文章可关注《电子制作站》微信号 dzzzzcn
其波形如下图所示：
可以看到， 输出电压的波形比之前要好很多， 三极管基极出现的负压就是并联小电容在 输入高电平期间所存储的电压，其值约为‐(VIH‐VBE)，这个用来提高开关速度的电容也称为加 速电容 我们也可以用肖特基二极管并联在三极管的集电结，如下图所示：
肖特基二极管（也称肖特基势垒二极管，Schottky Barrier Diode，SBD）与普通的二极管 稍为有所不同， 它的单向导通特性不是由 P 型半导体与 N 型半导体接触形成的 PN 结决定的， 而是金属与半导体接触形成的， 它的特点是开关速度快、 正向压降比普通二极管要低 （0.3～ 0.4V） ，也就是比三极管的发射结电压要低一些。
当输入信号 Vi 为高电平“H”时，三极管 Q1 处于饱和状态，输出电压 Vo 为三极管饱和 压降（低电平） ，此时三极管 Q1 相当于一个处于闭合状态的开关，如下图所示：
这种开关电路的用法主要有两种，其中之一就是将具体的负载（如电灯泡、马达、电磁 阀、继电器、蜂鸣器等等）代替集电极电阻 R1，这样输入信号 Vi 高低电平就可以控制负载 是否供电，如下图所示为电灯泡控制开关电路：
我们将三极管与肖特基二极管的组合称为肖特基箝位晶体管（ Schottky-clamped transistor , SCT） ，如下图所示：
这种组合主要应用在高速数字逻辑电路中，在 74 系列逻辑电路中也很常见，如下图所
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因为感性负载相当于一个电感， 当三极管由导通变为截止时， 电感中的电流将会产生突 变，如果此时没有一个电流回路慢慢使电流下降，电感两端将产生很高的反向电动势，并联 的二极管 D1 即用来为感性负载续流 （防止三极管 Q1 被击穿的同时也可以保护继电器本身） ， 因而称之为续流二极管，如下图所示：
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三极管（7）之开关电路详解
三极管不仅可以对模拟信号放大，也可作为控制开关使用，作为开关使用的三极管处 于截止与饱和状态，其基本电路如下图所示：
其中，集电极电阻 R1 为上拉电阻，当三极管 Q1 截止时将输出电压上拉至电源 VCC（高 电平） ，可以理解为开集（OC）输出结构的上拉电阻，具体可参考文章《电阻（4）之上/下 拉电阻》 ，基极串联电阻 R2 为限流电阻，防止输入电压 Vi 幅值过高导致基极电流超额而损坏 三极管，下拉电阻 R3 用来确保无输入信号（即悬空）时三极管处于截止状态。 有的厂家已经将电阻 R2、R3 集成到内部，如下图所示（来自 Panasonic 内置电阻三极 管 UNR921xJ 系列数据手册） ：
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示（来自 TI 反相器 74LS04 数据手册） ：
我们也可以使用射随（共集电极）型开关电路来提升开关速度（LM2596 内部的开关管 就相当于是射随器） ，我们用下图所示电路进行仿真：
其相关波形如下图所示：
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Author: Jackie Long
从波形中可以看到，尽管我们并没有对电路进行加速优化，输出电压也比较理想，而且 输出与输入的相位是相同的。 我们也可以用场效应管作为开关电路，可以参考文章《场效应管开关电路》
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输出（三极管集电极）电压已经完全不再是方波了，这主要是因为三极管处于导通时， 基区内储存有一定的电荷（相当于一个充满电的电容 CBE） ，如果输入信号 Vi 由高电平切换 为低电平，电容电荷必须通过如下图所示回路进行电荷释放：
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当输入为低电平“L”时，三极管 Q1 是截止的，因此电灯泡两端是没有电压的，当输 入为高电平“H”时，三极管 Q1 是饱和的，此时电源 VCC 施加到电灯泡两端，如下图所示：