三極管開關(guān)電路的基本原理分析

三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)有基極電流流過，所以在基區(qū)內(nèi)會積累電子，因此，在這種狀態(tài)下即使輸入信號變成了0V，基區(qū)中的電子并不能立即消失(電荷存儲效應(yīng))，所以三極管應(yīng)用于開關(guān)作用時(shí)，如果是應(yīng)用在高頻開關(guān)場合，就需要考慮三極管的開關(guān)速度了!這期從三極管放大角度，以發(fā)射極接地放大電路來分析三極管開關(guān)電路的基本原理。

關(guān)鍵詞：發(fā)射極放大電路;

雖然還沒有開始三極管放大電路的講解，但是這里只引用其放大的作用，并沒有對其參數(shù)進(jìn)行分析!

01發(fā)射極接地放大電路

1.1、電路結(jié)構(gòu)

圖1-1是電壓增益(放大倍數(shù))Av=10的發(fā)射極接地型放大電路：

圖1-1 發(fā)射極接地型放大電路結(jié)構(gòu)

1.2、仿真建模

在Multisim軟件中搭建仿真電路如圖1-2所示：

圖1-2 系統(tǒng)仿真電路

圖1-2中所用的交流小信號V2內(nèi)部參數(shù)配置如圖1-3所示：

圖1-3 小信號電源內(nèi)部參數(shù)圖

圖1-3中設(shè)置【電壓(RMS)】：1V;【頻率(F)】：1000Hz。

1.3、仿真分析

在圖1-2中使用雙蹤示波器XSC1，第一通道測量輸入信號【粉色】，第二通道測量輸出信號【橙色】。點(diǎn)擊仿真運(yùn)行，示波器波形如圖1-4所示：

圖1-4 示波器波形圖

圖1-4所示，輸入信號是1KHz、1Vp-p信號的輸入波形，這時(shí)輸出波形沒有通過耦合電容取出，而是集電極電位，由于放大倍數(shù)Av=10，所以輸出應(yīng)該時(shí)10Vp-p，但是由于電源電壓以及發(fā)射極電阻上電壓降的緣故，如圖1-4所示，波形的上下部分均被截去了(輸出飽和)。

輸出波形的上半周被截去的情況時(shí)由于輸出電平與電源電壓相等，所以集電極電阻上沒有了電壓降，也就是晶體管的集電極-發(fā)射極間沒有電流流過(集電極電流為零)，此時(shí)，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)。

相反，輸出波形的下半周被截去的情況時(shí)因?yàn)檩敵鲭娖教幱诟咏麲ND電平的電位(集電極電阻上的電壓降非常大)，晶體管的集電極處于最大值，此時(shí)，晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)。

這樣的開關(guān)電路只要利用輸入信號輸出波形被限幅就可以實(shí)現(xiàn)(使晶體管處于接通/斷開狀態(tài)就可以)，所以可以認(rèn)為只要放大電路具有非常大的放大倍數(shù)，或者加上很大的輸入信號就可以。但是這樣的開關(guān)電路必須使直流的接通/斷開狀態(tài)，所以必須具有一定的放大倍數(shù)。

02從放大電路到開關(guān)電路

2.1、分析步驟

圖1-5是從發(fā)射極放大電路演變到開關(guān)電路的示意圖。

第一步：首先為了獲得直流增益(放大倍數(shù))，從圖1-5(a)的一般發(fā)射極放大電路中去掉輸入輸出的耦合電容C1、C2得到圖1-5(b)的電路。

第二步：為了進(jìn)一步提高放大倍數(shù)，去掉發(fā)射極電阻Re，變成圖1-5(c)的電路，這樣一來，也就沒有必要加基極偏置電壓。

第三步：當(dāng)輸入信號為0V時(shí)，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，所以集電極就沒有必要流過無用的電流【空載電流】。因此，圖1-5(d)所示去掉偏置用的R1。

圖1-5 發(fā)射極接地放大電路演變?yōu)殚_關(guān)電路

圖1-5(e)中電阻R2的由來：

為了確保沒有輸入信號時(shí)晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，需要保留使基極處于GND電位的R2;

圖1-5(e)中電阻R3的由來：

但是圖1-5(d)的電路中如果輸入信號超過+0.6V，晶體管基極-發(fā)射極間的二極管就會處于導(dǎo)通狀態(tài)，就會有基極電流流過，也就是說，這樣的狀態(tài)不能限制電流，會有非常大的基極電流流過，因此，圖1-5(e)所示還需要插入限制基極電流的電阻R3，這樣就可以將發(fā)射極接地放大電路變成開關(guān)電路。

2.2、仿真驗(yàn)證

按照圖1-5(e)中將圖1-2所示的發(fā)射極接地放大電路改為開關(guān)電路，如圖1-6所示：

圖1-6 開關(guān)電路仿真

在輸入1KHz、1Vp-p信號時(shí)，示波器XSC1測量的輸入信號與輸出信號波形如圖1-7所示：

圖1-7 輸入信號與輸出信號波形

輸出端不是完整的方波信號的原因是，輸入信號是正弦波形，其從0V-0.6V是連續(xù)的，所以基極是有微弱的電流信號的，將輸入信號由正弦信號變?yōu)榉讲?，其輸入波形?-8所示：

圖1-7 方波輸入信號

如圖1-7所示，將信號變?yōu)榉讲ㄝ斎牒螅漭敵霾ㄐ尉褪呛芎玫姆讲?，并且是反相的，這點(diǎn)需要注意。

2.3、提高輸入信號的頻率

如圖1-8所示是方波輸入的開關(guān)電路圖：

圖1-8 輸入頻率為100K

其輸入信號與輸出信號波形如圖1-9所示：

如圖1-9所示，輸入信號頻率增加后輸出信號就變得延遲，與輸入信號就不是同相的了，這是什么原因?