晶体管开关电路详解

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时间:2019-02-27

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1、晶体管开关电路详解图8.1是一例发射极接地放大电路,这种电路能够通过输入信号(电压)连续地———模拟地控制流过集电极发射极间电流,获得输出电压。 但是开关电路,如图8.2所示是一种计数地接通/断开晶体管的集电极发射极间的电流作为开关使用的电路。 图8.3是电压增益(放大倍数)Av=10的发射极接地型放大电路。照片8.1是给这个电路输入1kHz、1VP-P信号时的输入输出波形。这时的输出波形不是通过介入耦合电容取出的,而是集电极电位。由于AV=10,所以输出应该是10VP-P。但是由于电源电压以及发射极电阻上电压降的缘故,如照片所示,波形的上下部分均被截

2、去(输出饱和)。输出波形的上半周被截去的情况是由于输出电平与电源电压相等,所以集电极电阻上没有了电压降,也就是说晶体管的集电极发射极间没有电流流过(集电极电流为零)。换句话说,晶体管处于截止状态。相反,输出波形的下半周被截去的情况是因为输出电平处于更接近GND电平的电位(集电极电阻上的电压降非常大),晶体管的集电极电流处于最大值。也就是说,晶体管处于导通状态。这样的开关电路只要利用输入信号使输出波形被限幅就可以实现(使晶体管处于接通/断开状态就可以),所以可以认为只要放大电路具有非常大的放大倍数,或者加上很大的输入信号就可以。但是,这样的开关电路必须是

3、直流的接通/断开状态(这样的用途非常多),所以必须具有一定的直流的放大倍数。8.1.2从放大电路到开关电路图8.4是从发射极放大电路演变到开关电路的示意图 。首先为了获得直流增益(放大倍数),从图8.4(a)的一般发射极放大电路中去掉输入输出的耦合电容C1、C2,得到图8.4(b)的电路。进一步为了提高放大倍数,去掉发射极电阻E,变成图8.4(c)的电路。这样一来,也就没有必要加基极偏置电压。当输入信号为0V时,晶体管处于截止状态 ,所以集电极就没有必要流过无用的电流———空载电流。因此,如图8.4(d)所示去掉偏置用的R1。为了确保没有输入信号时晶体

4、管处于截止状态,需要保留使基极处于GND电位的电阻R2。但是,图8.4(d)的电路中如果输入信号超过+0.6V,晶体管基极发射极间的二极管将处于导通状态,就开始有基极电流流过。也就是说,这样的状态不能限制电流,会有非常大的基极电流流过。因此,如图8.4(e)所示还需要插入限制基极电流的电阻R3。这样就可以将发射极接地放大电路变形成开关电路。8.1.3观测开关波形图8.5是上述电路代入了具体数值的实际开关电路,照片8.2是给这个电路输入1kHz、2VP-P的正弦波时的输入输出波形。输入信号是正弦波。但是由于电路的放大倍数足够大,所以输出波形变成了方波。当

5、输入信号电平在+0.6V以下时体管处于截止状态,输出电平是+5V(电源电压)。当超过+0.6V时,晶体管处于导通状态,输出基本上是GND电平。通常开关电路的输入信号只是控制开关的接通/断开,所以采用与接通/断开电平相对于的二值信号,即方波。经常用TTL或CMOS等数字电路的输出直接控制开关电路。照片8.3是给图8.5的电路输入1kHz、0V/+5V方波时的输入输出波形。由于用0V/+5V的方波使晶体管于接通/断开状态,所以输出波形也是+5V/0V的方波。这个电路可以认为是发射极接地放大电路的变形,所以与放大电路一样,输入输出信号的相位是反转的。从照片8

6、.3看到的输入输出波形简直就是数字电路中倒相器(NOT电路)的输入输出波形。所以这个电路可以作为倒相器使用。但是,为了能够像数字IC那样高速动作还需要作一些改进。这将在后面介绍。如果电源设置为+15V,由于输入信号是0V/+5V的CMOS(TTL)电平,所以可以作为向0V/+15V的CMOS电平变换的逻辑电平变换电路。当然反过来也可以由0V/+15V变换为0V/+5V。 8.1.4如果集电极开路图8.5的电路中集电极连接着负载电阻L。如图8.6所示,当不连接负载电阻时这个电路的集电极就原封不动地变成输出端。把这个电路叫做开路集电极,它广泛应用于以继电器

7、或灯泡等为外部负载的开关电路。如图8.6所示,在使用NPN晶体管的电路中,如果在电位高于GND的电源与集电极(输出端)之间连接负载,这时就像是吸入负载电流。在使用PNP晶体管的电路中,如果在比正电源电位低的电源(在图8.6(b)中是GND)与集电极间连接负载,这 时就像负载电流在流出。因此,这个开路集电极能够接通/断开负载电流而与负载连接几伏的电源没有关系,所以是一个对于开关外部负载非常方便的电路。 8.2发射极接地型开关电路的设计上面图8.5所示电路的设计指标如下。输入采用0V/+5V的4000B系列CMOS逻辑电路的信号,接通/断开5mA的负载电流

8、(+5V电源上连接RL=1kΩ)。8.2.1开关晶体管的选择由于负载电流(集电极电流)的指标是

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