如何實現(xiàn)晶體管用作開關應用

雖然晶體管（BJT）通常用于制造放大器電路，但它們也可以有效地用于開關應用。

晶體管開關是一種電路，其中晶體管的集電極以相對較大的電流打開/關閉，以響應其基極發(fā)射極上相應切換的低電流ON/OFF信號。

例如，以下BJT配置可用作反相計算機邏輯電路輸入信號的開關。

在這里，您可以發(fā)現(xiàn)輸出電壓Vc與施加在晶體管基極/發(fā)射極上的電位相反。

此外，與基于放大器的電路不同，基極不與任何固定直流電源連接。集電極具有與系統(tǒng)電源電平相對應的直流電源，例如在此計算機應用案例中為 5 V 和 0

V。

我們將討論如何設計這種電壓反轉，以確保工作點沿負載線正確從切斷切換到飽和，如下圖所示：

對于目前的情況，在上圖中，我們假設IC = ICEO = 0 mA，當IB = 0 uA時（關于增強施工策略的一個很好的近似值）。此外，假設VCE =

VCE（sat） = 0 V，而不是通常的0.1至0.3 V電平。

現(xiàn)在，在Vi = 5 V時，BJT將接通，設計考慮因素必須確保配置高度飽和，IB幅度可能大于接近飽和水平的IB曲線的相關值。

如上圖所示，該條件要求IB大于50 uA。

計算飽和度水平

所示電路的集電極飽和水平可以使用以下公式計算：

IC（衛(wèi)星） = Vcc / Rc

飽和水平之前有源區(qū)域的基極電流大小可以使用以下公式計算：

IB（最大值） ? IC（衛(wèi)星） / βdc ----------公式 1

這意味著，要實現(xiàn)飽和度，必須滿足以下條件：

IB 》 IC / IC / βdc -------- 公式 2

在上面討論的圖中，當Vi = 5 V時，可以用以下方法評估得到的IB水平：

如果我們用這些結果測試等式 2，我們會得到：

這似乎完全滿足了所需的條件。毫無疑問，任何高于60 uA的IB值都將被允許通過與垂直軸非常接近的負載線穿過Q點進入。

現(xiàn)在，參考第一個圖中顯示的BJT網絡，當Vi = 0 V，IB = 0 uA時，假設IC = ICEO = 0

mA，RC上發(fā)生的壓降將按照以下公式計算：

VRC = 紅十字國際委員會 = 0 V。

對于上面的第一張圖，這給了我們VC = +5 V。

除了計算機邏輯切換應用外，這種BJT配置還可以像使用負載線相同極值點的開關一樣實現(xiàn)。

當發(fā)生飽和時，電流IC趨于相當高，這相應地將電壓VCE降至最低點。

這在兩個端子上產生一個電阻水平，如下圖所示，并使用以下公式計算：

R（sat） = VCE（sat） / IC（sat），如下圖所示。

如果我們假設VCE（sat）的典型平均值，例如上式中的0.15 V，我們得到：

與BJT集電極端子上的串聯(lián)電阻（以千歐姆為單位）相比，集電極發(fā)射極兩端的電阻值看起來非常小。

現(xiàn)在，當輸入Vi = 0 V時，BJT開關將被切斷，導致集電極發(fā)射極兩端的電阻為：

R（截止） = Vcc / ICEO = 5 V / 0 mA = ∞ Ω

這導致集電極發(fā)射極端子上出現(xiàn)開路情況。如果我們考慮ICEO的典型值為10 uA，則截止電阻的值如下所示：

截止 = Vcc / ICEO = 5 V / 10 uA = 500 k Ω

該值看起來非常大，相當于大多數(shù)BJT配置作為開關的開路。

求解一個實際的例子

計算下面配置如逆變器的晶體管開關的RB和RC值，假設ICmax = 10mA

表示收集器飽和度的公式為：

ICsat = Vcc / Rc

∴ 10 mA = 10 V / Rc

∴ Rc = 10 V / 10 mA = 1 kΩ

此外，在飽和點

IB ? IC（衛(wèi)星） / βdc = 10 mA / 250 = 40 μA

為了保證飽和，讓我們選擇IB = 60 μA，并使用公式

IB = Vi - 0.7 V / RB，我們得到

RB = 10 V - 0.7 V / 60 μA = 155 kΩ ，

將上述結果四舍五入為150 kΩ，并再次計算上述公式，我們得到：

IB = Vi - 0.7 V / RB

= 10 V - 0.7 V / 150 kΩ = 62 μA，

由于 IB = 62 μA 》 ICsat / βdc = 40 μA

這證實了我們必須使用 RB = 150 kΩ

計算開關晶體管

您會發(fā)現(xiàn)稱為開關晶體管的特殊晶體管，因為它們從一個電壓電平切換到另一個電壓電平的速度很快。

下圖將符號為 ts、td、tr 和 tf 的時間段與器件的集電極電流進行了比較。

時間段對集電極速度響應的影響由集電極電流響應定義，如下所示：

晶體管從“關”狀態(tài)切換到“開”狀態(tài)所需的總時間表示為 t（on），可通過以下公式確定：

t（on） = tr + td

此處，td標識輸入開關信號改變狀態(tài)和晶體管輸出響應變化時發(fā)生的延遲。時間tr表示從10%到90%的最終開關延遲。

bJt 從打開狀態(tài)到關閉狀態(tài)所花費的總時間表示為 t（off），由以下公式表示：

t（關閉） = ts + tf

TS 確定存儲時間，而 tf 確定從原始值的 90% 到 10% 的下降時間。

參考上圖，對于通用BJT，如果集電極電流Ic = 10 mA，我們可以看到：

TS = 120 ns， TD = 25 ns， TR = 13 ns， TF = 12 ns

這意味著 t（on） = tr + td = 13 ns + 25 ns = 38 ns

t（off） = ts + tf = 120 ns + 12 ns = 132 ns