晶體管開關(guān)電路詳解.doc

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晶體管開關(guān)電路詳解 圖８．１是一例發(fā)射極接地放大電路，這種電路能夠通過輸入信號(hào)（電壓）連續(xù)地——— 模擬地控制流過集電極發(fā)射極間電流，獲得輸出電壓。但是開關(guān)電路，如圖８．２所示是一種計(jì)數(shù)地接通／斷開晶體管的集電極發(fā)射極間的電流作為開關(guān)使用的電路。 圖８．３是電壓增益（放大倍數(shù)）Av＝10的發(fā)射極接地型放大電路。照片８．１是給這個(gè)電路輸入１ｋＨｚ、１ＶP-P信號(hào)時(shí)的輸入輸出波形。這時(shí)的輸出波形不是通過介入耦合電容取出的， 而是集電極電位。由于AV＝10，所以輸出應(yīng)該是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，如照片所示，波形的上下部分均被截去（輸出飽和）。 輸出波形的上半周被截去的情況是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，也就是說晶體管的集電極發(fā)射極間沒有電流流過（集電極電流為零）。換句話說，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是因?yàn)檩敵鲭娖教幱诟咏牵危碾娖降碾娢唬姌O電阻上的電壓降非常大），晶體管的集電極電流處于最大值。也就是說，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(hào)使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(hào)就可以。但是，這樣的開關(guān)電路必須是直流的接通／斷開狀態(tài)（這樣的用途非常多），所以必須具有一定的直流的放大倍數(shù)。 ８．１．２從放大電路到開關(guān)電路圖 ８．４是從發(fā)射極放大電路演變到開關(guān)電路的示意圖。首先為了獲得直流增益（放大倍數(shù)），從圖８．４（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８．４（ｂ）的電路。進(jìn)一步為了提高放大倍數(shù)，去掉發(fā)射極電阻Ｅ，變成圖８．４（ｃ）的電路。這樣一來，也就沒有必要加基極偏置電壓。當(dāng)輸入信號(hào)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， 如圖 ８．４（ｄ）所示去掉偏置用的R1。 為了確保沒有輸入信號(hào)時(shí)晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，需要保留使基極處于ＧＮＤ電位的電阻R2。但是，圖８．４（ｄ）的電路中如果輸入信號(hào)超過＋０．６Ｖ，晶體管基極發(fā)射極間的二極管將處于導(dǎo)通狀態(tài)，就開始有基極電流流過。也就是說，這樣的狀態(tài)不能限制電流，會(huì)有非常大的基極電流流過。因此，如圖８．４（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形成開關(guān)電路。 ８．１．３觀測(cè)開關(guān)波形 圖８．５是上述電路代入了具體數(shù)值的實(shí)際開關(guān)電路，照片８．２是給這個(gè)電路輸入１ｋＨｚ、２ＶP-P的正弦波時(shí)的輸入輸出波形。輸入信號(hào)是正弦波。但是由于電路的放大倍數(shù)足夠大，所以輸出波形變成了方波。當(dāng)輸入信號(hào)電平在＋０．６Ｖ以下時(shí)體管處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出電平是＋５Ｖ（電源電壓）。當(dāng)超過＋０．６Ｖ時(shí)，晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出基本上是ＧＮＤ電平。 通常開關(guān)電路的輸入信號(hào)只是控制開關(guān)的接通／斷開，所以采用與接通／斷開電平相對(duì)于的二值信號(hào)，即方波。經(jīng)常用ＴＴＬ或ＣＭＯＳ等數(shù)字電路的輸出直接控制開關(guān)電路。 照片８．３是給圖８．５的電路輸入１ｋＨｚ、０Ｖ／＋５Ｖ方波時(shí)的輸入輸出波形。由于用０Ｖ／＋５Ｖ的方波使晶體管于接通／斷開狀態(tài)，所以輸出波形也是＋５Ｖ／０Ｖ的方波。這個(gè)電路可以認(rèn)為是發(fā)射極接地放大電路的變形，所以與放大電路一樣，輸入輸出信號(hào)的相位是反轉(zhuǎn)的。 從照片８．３看到的輸入輸出波形簡(jiǎn)直就是數(shù)字電路中倒相器（ＮＯＴ電路）的輸入輸出波形。所以這個(gè)電路可以作為倒相器使用。但是，為了能夠像數(shù)字ＩＣ那樣高速動(dòng)作還需要作一些改進(jìn)。這將在后面介紹。 如果電源設(shè)置為＋１５Ｖ，由于輸入信號(hào)是０Ｖ／＋５Ｖ的ＣＭＯＳ（ＴＴＬ）電平，所以可以作為向０Ｖ／＋１５Ｖ的ＣＭＯＳ電平變換的邏輯電平變換電路。當(dāng)然反過來也可以由０Ｖ／＋１５Ｖ變換為０Ｖ／＋５Ｖ。 ８．１．４如果集電極開路 圖８．５的電路中集電極連接著負(fù)載電阻Ｌ。如圖８．６所示，當(dāng)不連接負(fù)載電阻時(shí)這個(gè)電路的集電極就原封不動(dòng)地變成輸出端。把這個(gè)電路叫做開路集電極，它廣泛應(yīng)用于以繼電器或燈泡等為外部負(fù)載的開關(guān)電路。 如圖８．６所示，在使用ＮＰＮ晶體管的電路中，如果在電位高于ＧＮＤ的電源與集電極（輸出端）之間連接負(fù)載，這時(shí)就像是吸入負(fù)載電流。在使用ＰＮＰ晶體管的電路中，如果在比正電源電位低的電源（在圖８．６（ｂ）中是ＧＮＤ）與集電極間連接負(fù)載，這時(shí)就像負(fù)載電流在流出。因此，這個(gè)開路集電極能夠接通／斷開負(fù)載電流而與負(fù)載連接幾伏的電源沒有關(guān)系，所以是一個(gè)對(duì)于開關(guān)外部負(fù)載非常方便的電路。 ８．２發(fā)射極接地型開關(guān)電路的設(shè)計(jì) 上面圖８．５所示電路的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下。輸入采用０Ｖ／＋５Ｖ的４０００Ｂ系列ＣＭＯＳ邏輯電路的信號(hào)，接通／斷開５ｍＡ的負(fù)載電流（＋５Ｖ電源上連接RＬ＝１ｋΩ）。 ８．２．１開關(guān)晶體管的選擇 由于負(fù)載電流（集電極電流）的指標(biāo)是５ｍＡ，所以晶體管集電極電流IＣ的最大額定值必須大于５ｍＡ。當(dāng)晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，連接負(fù)的電源的電壓（這里是＋５Ｖ）加在集電極發(fā)射極之間和集電極基極之間。因此應(yīng)選擇集電極發(fā)射極間和集電極基極間電壓最大額定值VCEO、VCBO大于連接負(fù)載的電源電壓的晶體管。這里按照VCEO＞＋５Ｖ，VCBO＞＋５Ｖ，Ｃ＞５ｍＡ的條件，選擇２ＳＣ２４５８（東芝）。表８．１是２ＳＣ２４５８器件的特性。 順便指出，使用ＰＮＰ晶體管時(shí)的電路就變成圖８．７那樣。當(dāng)然使用時(shí)并不介意選擇ＮＰＮ晶體管還是ＰＮＰ晶體管。 圖８．５的電路已經(jīng)在集電極與＋５Ｖ電源間連接了負(fù)載（RL＝１ｋΩ），所以是根據(jù)這個(gè)電源電壓和負(fù)載電流來決定晶體管的。在開路集電極的場(chǎng)合選擇的方法也完全相同。由外部負(fù)載連接的電源電壓和從輸出端（集電極）吸入或流出的最大負(fù)載電流共同選擇晶體管。 ８．２．２當(dāng)需要大的負(fù)載電流時(shí) 發(fā)射極接地型開關(guān)電路的負(fù)載電流就是集電極電流，所以必須能夠從輸入端提供大于１／hFE的基極電流。對(duì)于圖８．５的電路由于負(fù)載電流小，只有５ｍＡ，所以沒有什么問題。但是當(dāng)負(fù)載電流達(dá)數(shù)百毫安以上時(shí)驅(qū)動(dòng)基極的電路（接續(xù)輸入端的電路）就有可能無法提供足夠的基極電流。 在這種情況下，需要采用稱為“ 超晶體管”的hFE非常大的晶體管（例如２ＳＣ３１１３（東芝）的hFE可達(dá)到６００～３６００），或者如圖８．８所示將兩個(gè)晶體管達(dá)林頓連接。 如圖８．８所示，采用達(dá)林頓連接時(shí)Ｔｒ１的發(fā)射極電流全部變成Ｔｒ２的基極電流，所以總的hFE是各自晶體管的hFE之積（hFE1hFE2）。 例如，如果hＦＥ1＝hＦＥ2＝１００，那么總的hＦＥ就是１００００，用１ｍＡ的基極電流就能夠開關(guān)１０Ａ的集電極電流。但是在計(jì)算達(dá)林頓連接電路的基極電流時(shí)需要注意的是，當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)基極發(fā)射極之間的電壓降是１．２～１．４Ｖ（兩個(gè)VＢＥ）。 圖８．９是一例采用達(dá)林頓連接的開關(guān)電路，是一個(gè)電燈開關(guān)電路。由于晶體管是達(dá)林頓連接，所以可以用０．５ｍＡ的基極電流開關(guān)０．９Ａ的負(fù)載。在設(shè)計(jì)大負(fù)載電流的電路時(shí)，還需要注意晶體管的集電極發(fā)射極間飽和電壓VＣＥ（sat）。盡管晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的集電極發(fā)射極間電阻值非常小，但還不是零，所以當(dāng)集電極電流流過時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓降。這就是集電極飽和電壓VＣＥ（sat）ｓａｔ是ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ的簡(jiǎn)寫）。 圖８．１０是２ＳＣ２４５８的集電極流過１００ｍＡ的負(fù)載電流時(shí)的開關(guān)電路。照片８．４是給這個(gè)電路輸入１ｋＨｚ，０Ｖ／＋５Ｖ控制信號(hào)時(shí)的集電極波形。這個(gè)電路中，VＣＥ（sat）＝０．１６Ｖ。晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的功率損耗是VＣＥ（sat)與集電極電流之積，它們?nèi)孔兂蔁釗p耗。所以當(dāng)負(fù)載電流大時(shí)，必須注意晶體管的發(fā)熱問題。 另外如圖８．９所示，當(dāng)發(fā)射極接地型開關(guān)電路中采用達(dá)林頓連接時(shí)，Ｔｒ２的集電極發(fā)射極間電壓并不是VＣＥ（sat)而是Ｔｒ２的VＢＥ（＝０．６～０．７Ｖ）。這是因?yàn)椋裕颍驳募姌O電位如果不是與Ｔｒ１的發(fā)射極電位（＝Ｔｒ２的基極電位）同電位，那么Ｔｒ１的基極集電極間的PＮ結(jié)將處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此，采用達(dá)林頓連接處理大電流時(shí)，特別要注意晶體管的熱損耗問題（０．６～０．７Ｖ集電極電流＝熱損耗）。 ８．２．３確定偏置電路R1、R2 如果能使基極電流達(dá)到集電極電流的１／hFE倍，晶體管將處于導(dǎo)通狀態(tài)。考慮到hFE的分散性或者基極電流受溫度影響而變化等因素（因?yàn)閂BE具有溫度特性，所以基極電流也隨溫度變化），應(yīng)該使流過的基極電流稍大些。這叫做過驅(qū)動(dòng)，通常設(shè)定為按所使用晶體管hFE的最低值計(jì)算得到的基極電流的１．５～２倍以上。 由表８．１得知２ＳＣ２４５８的hFE最低值是７０，圖８．５中電路的負(fù)載電流為５ｍＡ，所以可以設(shè)定流過的基極電流大于０．１ｍＡ（（５ｍＡ／７０）１．５）～０．１４ｍＡ（（５ｍＡ／７０）２）。 如圖８．１１所示，由于基極電位是＋０．６Ｖ，所以輸入信號(hào)為＋５Ｖ時(shí)R1上產(chǎn)生的電壓降為４．４Ｖ（但是要注意，達(dá)林頓連接時(shí)基極電位為＋１．２Ｖ）。按照上述條件，為使晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)要求流過的基極電流為０．２ｍＡ，所以R1＝２２ｋΩ（＝４．４Ｖ／０．２ｍＡ）（但是忽略了流過R2的電流）。R2是輸入端開路時(shí)確保晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)的電阻。如果R2過大，將容易受噪聲的干擾，過小則在晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)會(huì)有無用電流流過R2。這里設(shè)定R2＝２２ｋΩ（與R1值相同）。 最近，已經(jīng)有些廠家產(chǎn)生出如圖８．１２所示那樣內(nèi)藏有偏置電阻的晶體管產(chǎn)品。R1、R２電阻也有各種取值。如果使用內(nèi)藏電阻的晶體管將會(huì)減少電路的元件數(shù)目，這對(duì)于開關(guān)電路是很方便的。 ８．２．４開關(guān)速度慢———ｓ量級(jí) 照片8．５是給圖８．５的電路輸入１００ｋＨｚ、０Ｖ／＋５Ｖ方波時(shí)的輸入輸出波形。當(dāng)輸入信號(hào)從０變化到＋５Ｖ時(shí)，晶體管立即由截止?fàn)顟B(tài)變化到導(dǎo)通狀態(tài)，輸出信號(hào)也立即響應(yīng)，從＋５Ｖ變化到０Ｖ。但是，當(dāng)從＋５Ｖ變化到０Ｖ時(shí)，晶體管從導(dǎo)通狀態(tài)變化到截止?fàn)顟B(tài)時(shí)卻花費(fèi)時(shí)間，從Ｖ變化到＋５Ｖ時(shí)間滯后了。 晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)有基極電流流過，所以在基區(qū)內(nèi)積累有電子。因此，在這種狀態(tài)下即使輸入信號(hào)變成了０Ｖ，基區(qū)中的電子并不能立即消失（電荷存儲(chǔ)效應(yīng)）。而且在基極限流電阻R1的作用下，也不可能立即從基區(qū)取出全部電子，這就是造成時(shí)間滯后的原因。在開關(guān)調(diào)節(jié)器之類使負(fù)載高速開關(guān)的應(yīng)用電路中，這種時(shí)間滯后是很不利的。 ８．３如何提高開關(guān)速度 使用晶體管開關(guān)時(shí)，上述圖８．５電路的開關(guān)速度往往不能滿足要求。許多應(yīng)用需要高的開關(guān)速度。這里就提高速度的基本技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 ８．３．１使用加速電容 圖８．１３是給基極限流電阻R1并聯(lián)小容量電容器的電路。這樣，當(dāng)輸入信號(hào)上升、下降時(shí)能夠使R1電阻瞬間被旁路并提供基極電流，所以在晶體管由導(dǎo)通狀態(tài)變化到截止?fàn)顟B(tài)時(shí)能夠迅速從基區(qū)取出電子（因?yàn)镽1被旁路），消除開關(guān)的時(shí)間滯后。這個(gè)電容器的作用是提高開關(guān)速度， 所以稱為加速電容。 照片８．６是給圖８．１３的電路輸入１００ｋＨｚ、０Ｖ／＋５Ｖ方波時(shí)的輸入輸出波形?？梢钥闯鲇捎诩铀匐娙莸淖饔?，已經(jīng)看不到照片８．５中的時(shí)間滯后。照片８．６中還看得不很清楚，實(shí)際上晶體管由截止?fàn)顟B(tài)到導(dǎo)通狀態(tài)的時(shí)間也縮短了。由于所使用的晶體管以及基極電流、集電極電流值等因素，加速電容的最佳值是各不相同的。因此，加速電容的值要通過觀測(cè)實(shí)際電路的開關(guān)波形決定。 對(duì)一般的晶體管來說，容量約為數(shù)十皮法至數(shù)百皮法。 ８．３．２肖特基箍位 提高晶體管開關(guān)速度的另一個(gè)方法是利用肖特基二極管箍位。這種方法是７４ＬＳ、７４ＡＬＳ、７４ＡＳ等典型的數(shù)字ＩＣＴＴＬ的內(nèi)部電路中所采用的技術(shù)。 圖８．１４是對(duì)圖８．５的電路進(jìn)行肖特基箍位的電路。所謂肖特基箍位在基極集電極之間接入肖特基二極管。這種二極管不是ＰＮ結(jié)，而是由金屬與半導(dǎo)體接觸形成具有整流作用的二極管，其特點(diǎn)是開關(guān)速度快，正向電壓降VF比硅ＰＮ結(jié)小，準(zhǔn)確地說叫做肖特基勢(shì)壘二極管。 這里的肖特基二極管采用１ＳＳ２８６（日立）。照片８．７是給圖８．１４的電路輸入１００ｋＨｚ、０Ｖ／＋５Ｖ方波時(shí)的輸入輸出波形?？梢钥闯銎湫Чc接入加速電容（參見照片８．６）時(shí)相同，晶體管從導(dǎo)通狀態(tài)變化到截止?fàn)顟B(tài)時(shí)沒有看到時(shí)間滯后。 圖８．１５是圖８．１４的電路中晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)（輸出為０Ｖ）時(shí)的動(dòng)作。如圖８．１６所示，肖特基二極管的正向電壓降VF比晶體管的VBE?。▓D８．１４電路中的VF≈０．３Ｖ），所以本來應(yīng)該流過晶體管的大部分基極電流現(xiàn)在通過Ｄ1被旁路掉了。這時(shí)流過晶體管的基極電流非常小，所以可以認(rèn)為這時(shí)晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)很接近截止?fàn)顟B(tài)。因此，如照片８．７所示從導(dǎo)通狀態(tài)變化到截止?fàn)顟B(tài)時(shí)的時(shí)間滯后非常?。ɑ鶚O電流小，所以電荷存儲(chǔ)效應(yīng)的影響?。?。照片８．７中，輸出波形由０Ｖ變化到＋５Ｖ時(shí)之所以波形上升沿不很陡，是由于R1與晶體管密勒效應(yīng)構(gòu)成低通濾波器的影響，與電荷存儲(chǔ)效應(yīng)沒有關(guān)系。 ８．３．３如何提高輸出波形的上升速度 照片８．８是圖８．１４所示的電路中R1＝１ｋΩ 時(shí)的開關(guān)波形（輸入信號(hào)是１００ｋＨｚ、０Ｖ／＋５Ｖ的方波）。可以看出當(dāng)R1小時(shí)由于低通濾波器的截止頻率升高，所以輸出波形從０Ｖ變化到＋５Ｖ時(shí)的上升速度加快了。 加速電容是一種與減小R1值等效的提高開關(guān)速度的方法（減小R1值，也會(huì)加快輸出波形的上升速度）。肖特基箍位可以看作是改變晶體管的工作點(diǎn)，減小電荷存儲(chǔ)效應(yīng)影響，提高開關(guān)速度的方法。 由于肖特基箍位電路不像接入加速電容那樣會(huì)降低電路的輸入阻抗，所以當(dāng)驅(qū)動(dòng)開關(guān)電路的前級(jí)電路的驅(qū)動(dòng)能力較低時(shí)，采用這種方法很有效。 在設(shè)計(jì)這種電路時(shí)需要注意肖特基二極管的反向電壓VR的最大額定值。肖特基二極管中某些器件的VR最大額定值非常低（高頻電路中應(yīng)用的某些器件僅為３Ｖ）。圖８．１４的電路中因?yàn)榫w管截止時(shí)電源電壓原封不動(dòng)地加在Ｄ1上，所以必須使用VR的最大額定值大于５Ｖ的器件（１ＳＳ２８６是２５Ｖ）。 ８．４．１給射極跟隨器輸入大振幅 射極跟隨器是電壓放大倍數(shù)為１的放大電路。這種電路具有直流增益，利用輸入大振幅的方波可以起到與開關(guān)電路相同的作用。 圖８．１７示出將射極跟隨器演變?yōu)殚_關(guān)電路的過程。首先，為了獲得直流增益從圖８．１７（ａ）一般的射極跟隨器中去掉輸入輸出耦合電容C1和C2，變成圖８．１７（ｂ）所示的電路。由于沒有必要給基極加偏置電壓（因?yàn)檩斎胄盘?hào)為０Ｖ時(shí)晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)），所以如圖８．１７（ｃ）所示再去掉１。但是，為了確保沒有輸入信號(hào)時(shí)晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，所以保留使基極處于ＧＮＤ電位的電阻R2。這樣就把射極跟隨器變成了開關(guān)電路。 圖８．１８的電路是給圖８．１７（ｃ）的電路賦予具體電路常數(shù)值的射極跟隨器型開關(guān)電路。照片８．９是給這個(gè)電路輸入１ｋＨｚ、４ＶP-P的正弦波時(shí)的輸入輸出波形。當(dāng)輸入信號(hào)的振幅在＋０．６Ｖ以下時(shí)晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，所以只有ｉ的正半周波形作為輸出波形出現(xiàn)。而且的振幅值總比低０．６Ｖ（晶體管的VBE）。 照片８．１０是給圖８．１８的電路輸入１ＭＨｚ、０Ｖ／＋５Ｖ方波時(shí)的輸入輸出波形。因?yàn)檩敵霾ㄐ尉褪蔷w管的發(fā)射極電位，所以它追隨輸入信號(hào)，輸出的是０Ｖ／＋４．４Ｖ的方波。也就是說由于這個(gè)電路是射極跟隨器的變形，所以輸入輸出信號(hào)的相位也與放大電路的情況相同，都是同相的。 ８．４．２開關(guān)速度 ８．３節(jié)曾經(jīng)講到如果發(fā)射極接地型開關(guān)電路中不采用加速電容等技術(shù)，就不能夠提高開關(guān)速度。但是，這里的射極跟隨器型開關(guān)電路繼承了射極跟隨器頻率特性好的優(yōu)點(diǎn)。如照片８．１０所示，即使１ＭＨｚ的頻率也能夠很容易地實(shí)現(xiàn)開關(guān)。盡管圖８．５和圖８．１８中使用的晶體管是相同的。射極跟隨器型開關(guān)電路的重要特點(diǎn)就是能夠?qū)崿F(xiàn)高速開關(guān)。與發(fā)射極接地型開關(guān)電路相比，由于不需要限制基極電流的電阻（因?yàn)榛鶚O電流必須是負(fù)載電流的１／hFE），所以它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是元件少。 圖８．１８的電路是在發(fā)射極連接負(fù)載電阻RＬ。不過也有不連接負(fù)載電阻的電路，如圖８．１９那樣發(fā)射極原封不動(dòng)地成了輸出端。 與發(fā)射極接地型開關(guān)電路的開路集電極相對(duì)應(yīng)，把這種電路叫做開路發(fā)射極電路。它應(yīng)用于高速開關(guān)外部負(fù)載的場(chǎng)合。 ８．４．３設(shè)計(jì)開關(guān)電路的指標(biāo) 圖８．１８的電路的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下。這是應(yīng)用０Ｖ／＋５Ｖ的４０００Ｂ系列ＣＭＯＳ邏輯電路的信號(hào)對(duì)５ｍＡ的負(fù)載電流進(jìn)行接通／斷開的電路。 ８．４．４晶體管的選擇 負(fù)載電流（發(fā)射極電流）的指標(biāo)是５ｍＡ，所以晶體管的集電極電流（＝發(fā)射極電流）的最大額定值必須大于５ｍＡ。因?yàn)楸仨氂桑矗埃埃埃孪盗校茫停希樱桑锰峁┗鶚O電流，所以為了將基極電流抑制在０．１ｍＡ（一般不怎么能夠從４０００Ｂ系列ＣＭＯＳＩＣ中取出電流 ），而負(fù)載電流是５ｍＡ， 所以hFE必須在５０（＝５ｍＡ／０．１ｍＡ）以上。 另外，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)電源電壓（在這里是＋５Ｖ）是加在集電極發(fā)射極間和集電極基極間，所以所選擇晶體管的集電極發(fā)射極間和集電極基極間的最大額定值VCEO、VCBO必須大于電源電壓。 按照IC＞５ｍＡ，hFE＞５０，VCEO＞５Ｖ，VCBO＞５Ｖ的條件，與發(fā)射極接地時(shí)情況相同選擇２ＳＣ２４５８（東芝）。當(dāng)然使用 ＰＮＰ晶體管也無妨，不過這時(shí)的電路變成圖８．２０所示的那樣。 開路發(fā)射極的設(shè)計(jì)也完全相同，由加在外部負(fù)載上的電壓以及從輸出端（發(fā)射極）流出或者吸入的最大負(fù)載電流為根據(jù)選擇晶體管。 射極跟隨器型開關(guān)電路的負(fù)載電流原封不動(dòng)地就是發(fā)射極電流，所以必須給輸入端提供它的１／hFE的基極電流。但是當(dāng)負(fù)載電流大時(shí)，有可能無法提供驅(qū)動(dòng)輸入端電路所必要的基極電流。在這種情況下，仍然和發(fā)射極接地時(shí)的辦法一樣，或者采用超晶體管，或者如圖８．２１所示將晶體管達(dá)林頓連接使用。但是，達(dá)林頓連接時(shí)需要注意發(fā)射極電位要比基極電位低１．２～１．４Ｖ（兩個(gè)VBE）。 射極跟隨器型開關(guān)電路中當(dāng)晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，發(fā)射極電位比基極電位低０．６～０．７Ｖ。因此，即使基極電位與集電極電位（即電源電壓）相等，晶體管的集電極發(fā)射極間電壓VCE還是０．６～０．７Ｖ（達(dá)林頓連接時(shí)是１．２～１．４Ｖ）。這個(gè)VCE與集電極電流＝發(fā)射極電流 ）之積就是晶體管的熱損耗，所以當(dāng)負(fù)載電流大時(shí)應(yīng)該注意晶體管的發(fā)熱問題。 ８．４．５偏置電阻１的確定 R1是當(dāng)輸入端開路時(shí)為確保晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)所使用的電阻。當(dāng)R1值大時(shí)容易受噪聲的影響，反之，當(dāng)R1值小時(shí)將有無用電流從輸入端流入R1。這里設(shè)定R1＝１０ｋΩ。 ８．５．１ 繼電器驅(qū)動(dòng)電路 圖８．２２ 是用晶體管驅(qū)動(dòng)繼電器的電路。繼電器是磁性機(jī)械開關(guān)元件，是用邏輯信號(hào)開關(guān)各種信號(hào)時(shí)使用的元件。照片８．１１示出各種繼電器。由繼電器的大小決定能夠開關(guān)的信號(hào)的大小。圖８．２２的電路就是把圖８．５電路中的負(fù)載電阻置換為繼電器的開關(guān)電路。這個(gè)電路必須注意的是在繼電器線圈上并聯(lián)有二極管。 當(dāng)開關(guān)的負(fù)載為電動(dòng)機(jī)或者繼電器等電感性負(fù)載時(shí)，在截?cái)嗔鬟^負(fù)載的電流時(shí)（晶體管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)時(shí)）會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)（楞茨定則）。這時(shí)產(chǎn)生的電壓非常大。當(dāng)這種電壓超過晶體管的集電極基極間、集電極發(fā)射極間電壓的最大額定值VCBO、VCEO時(shí)，晶體管將會(huì)被擊穿。因此實(shí)際上如圖８．２２所示，給負(fù)載（線圈）并聯(lián)接續(xù)二極管（注意如果二極管的方向與圖示方向相反，后果將很嚴(yán)重?。?。這樣一來，由于開關(guān)截止時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)集電極的電位變?yōu)殡娫措妷海▓D８．２２中為＋１２Ｖ）＋０．６Ｖ（二極管的正向電壓降）時(shí)，二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，使反電動(dòng)勢(shì)閉合（也可以認(rèn)為集電極電位被箍位在電源電壓＋０．６Ｖ）。也就是說，由于集電極的電位不高于電源電壓＋０．６Ｖ， 所以能夠防止晶體管被擊穿。這個(gè)晶體管叫做續(xù)流二極管或者閉合二極管。 照片８．１２是圖８．２２的電路中沒有接續(xù)流二極管時(shí)的集電極波形（控制信號(hào)是１５０Ｈｚ、０Ｖ／＋５Ｖ的方波）。繼電器線圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)電壓達(dá)到了１４０Ｖ！大大超過２ＳＣ２４５８的最大額定值VCBO＝VCEO＝５０Ｖ。在這種狀態(tài)下，開關(guān)晶體管難免會(huì)被擊穿。 照片８．１３是接續(xù)了續(xù)流二極管時(shí)（參見圖８．２２）的集電極波形，這個(gè)續(xù)流二極管采用硅二極管１ＳＳ１７６（最大反向電壓是３５，最大正向電流是３００ｍＡ，東芝）。可以看出由于續(xù)流二極管使反電動(dòng)勢(shì)閉合，所以沒有產(chǎn)生高于電源電壓的電壓（照片中看不清楚，實(shí)際上繼電器斷開時(shí)的瞬間電壓是電源電壓＋０．６Ｖ）。 ８．５．２ＬＥＤ顯示器動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電路（發(fā)射極接地） 圖８．２３是７段ＬＥＤ發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)電路。這種７段ＬＥＤ在用數(shù)字顯示數(shù)字電路的ＢＣＤ輸出時(shí)應(yīng)用得很多，是一種很常見的電路。 照片８．１４是一例７段ＬＥＤ。 　　 在ＬＥＤ顯示器的場(chǎng)合，如果位數(shù)（ＬＥＤ的器件數(shù)）多，那么將有很多靜態(tài)電流流過ＬＥＤ，消耗許多功率。因此經(jīng)常采用一位一位依次點(diǎn)燈的動(dòng)態(tài)點(diǎn)燈方式。動(dòng)態(tài)點(diǎn)燈時(shí)在某一位點(diǎn)燈期間其他各位都處于熄燈狀態(tài)（通常只有一位處于點(diǎn)燈狀態(tài)），所以能夠降低功耗。圖８．２３的電路是由上方采用ＰＮＰ晶體管的開路集電極電路與下方采用ＮＰＮ晶體管達(dá)林頓連接的開路集電極電路以及中間夾入的ＬＥＤ構(gòu)成的電路。上方是與段（器件）相對(duì)應(yīng)的開關(guān)，下面是與數(shù)字（位）相對(duì)應(yīng)的開關(guān)。只有當(dāng)上下兩方都處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)ＬＥＤ才會(huì)有電流流過而發(fā)光。下方的位開關(guān)中會(huì)流過７個(gè)段的電流，因此采用達(dá)林頓連接以保證能夠吸收大電流。 圖８．２４是圖８．２３電路的控制信號(hào)的工作波形。通過ＤＧ０～ＤＧ２數(shù)字信號(hào)依次為＋５Ｖ，對(duì)位進(jìn)行掃描。這時(shí)，ａ～ 的段信號(hào)控制輸入信號(hào)電平（０Ｖ：發(fā)光，＋５Ｖ：熄燈），使得發(fā)光的位顯示為文字。一個(gè)位發(fā)光的時(shí)間一般是幾百微秒至幾毫秒。通常這種動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)（形成圖８．２４那樣的周期）是利用微處理器進(jìn)行。如果是一般的ＬＥＤ（不是高輝度燈泡）靜態(tài)發(fā)光，流過ＬＥＤ的電流有幾毫安至幾十毫安就足夠了。動(dòng)態(tài)點(diǎn)燈時(shí)由于熄燈的時(shí)間較長，流過靜態(tài)發(fā)光場(chǎng)合電流的２～３倍就能夠獲得足夠的輝度。 圖８．２３的電路中，每段ＬＥＤ各流過３０ｍＡ電流。流過ＬＥＤ的電流由串聯(lián)到各段的限流電阻R1～R7決定。 首先，由于２ＳＡ１０４８置于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的飽和電壓VCE（sat）非常?。ǎ埃保忠韵拢?，可以忽略不計(jì)。所以，從電源電壓減去７段ＬＥＤ的電壓降２Ｖ（顯示用ＬＥＤ的正向電壓降與流過的電流不怎么有關(guān)，為２Ｖ）以及達(dá)林頓連接的集電極發(fā)射極間電壓０．６Ｖ值余下的就是加在R1～R7上的電壓。為了使流過ＬＥＤ的電流為３０ｍＡ，取R1～R7＝８２Ω（＝（５Ｖ－２Ｖ－０．６Ｖ）／３０ｍＡ）。 圖８．２３的電路采用了７段ＬＥＤ有共同陰極的共陰極型ＬＥＤ。如果是采用共陽極型ＬＥＤ，其電路如圖８．２５所示，段一側(cè)的開關(guān)電路要與數(shù)字型開關(guān)電路調(diào)換。 ８．５．３ＬＥＤ顯示器動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電路（射極跟隨器） 圖８．２６與圖８．２３相同也是７段ＬＥＤ的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電路。數(shù)字一側(cè)的驅(qū)動(dòng)電路是達(dá)林頓連接的發(fā)射極接地型開關(guān)。段驅(qū)動(dòng)電路采用ＮＰＮ晶體管射極跟隨器型開關(guān)。這個(gè)電路與前面的圖８．２３比較，由于采用射極跟隨器型開關(guān)，所以沒有必要給基極插入限流電阻，從而減少了電路的元件數(shù)目。流過段的電流也與圖８．２３的電路相同，設(shè)定為３０ｍＡ。由于射極跟隨器型開關(guān)晶體管的ＣＥ是０．６Ｖ（圖８．２３的發(fā)射極接地型開關(guān)中VCE（sat）在０．１Ｖ以下，可以忽略），所以R1～R7的值小了（R1～R7＝（５Ｖ－２Ｖ－０．６Ｖ－０．６Ｖ）／３０ｍＡ≈６２Ω）。 ８．５．４光耦合器的傳輸電路 如圖８．２７所示，光耦合器是由ＬＥＤ（發(fā)光二極管）與光敏二極管（接收光并將光轉(zhuǎn)換為電流的二極管）以及晶體管組合起來的放大／開關(guān)器件（也有用光敏晶體管（利用光進(jìn)行接通／斷開的晶體管）替代光敏二極管和晶體管的器件）。 光耦合器是通過電流流過ＬＥＤ使之發(fā)光，再用光敏二極管接收這個(gè)光并轉(zhuǎn)換為基極電流使晶體管工作的器件。它可以成為晶體管開關(guān)電路的一部分。在這里簡(jiǎn)單作以介紹。由于晶體管的基極電流是由光轉(zhuǎn)換提供的，所以光耦合器的最大特點(diǎn)是ＬＥＤ部分與晶體管部分能夠?qū)崿F(xiàn)電學(xué)分離。這樣一來，在發(fā)光的ＬＥＤ與受光的晶體管之間不論存在多么大的電位差都能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的交接。因此光耦合器應(yīng)用于電位差不同的電路間的信號(hào)交接、數(shù)字電路與模擬電路的ＧＮＤ———地的分離等場(chǎng)合。 表征光耦合器的重要特性是電流轉(zhuǎn)移比ＣＴＲ（也叫做轉(zhuǎn)移效率）。ＣＴＲ是流過輸入端ＬＥＤ的電流IF與相應(yīng)的輸出端晶體管的集電極電流IC之比IF／IC，用“％”表示。一般的光耦合器中ＣＴＲ的值為百分之幾至百分之幾百。ＣＴＲ相當(dāng)于是光耦合器的hFE，所以在電路設(shè)計(jì)中必須充分予以考慮。 圖８．２８是使用高速光耦合器６Ｎ１３６（ＨＰ）的ＣＭＯＳ數(shù)字電路間的連接電路。由于數(shù)字電路中間用光耦合器連接，所以可以把電路間的ＧＮＤ線分離，從而截?cái)啵牵危木€的電位差和噪聲。 電路的設(shè)計(jì)首先求光耦合器集電極電阻RC的值。光耦合器的集電極中，即使晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)仍然有量級(jí)的暗電流流動(dòng)。所以如果RC值不是小到某種程度的話，就會(huì)降低晶體管在截止?fàn)顟B(tài)的輸出電壓。這里設(shè)定RC＝４．７ｋΩ，所以Ｃ≈１ｍＡ。 其次是確定流過ＬＥＤ的電流IF。這需要在考慮ＣＴＲ后才能求得。６Ｎ１３６的ＣＴＲ是２０％（根據(jù)數(shù)據(jù)表，所以可以設(shè)定IF＝５ｍＡ（≈１ｍＡ／２０％）。由于ＣＴＲ隨溫度和使用時(shí)間的變化較大，所以通常留有２至數(shù)十倍的余量。圖８．２８的電路中，留有３倍的余量，設(shè)定IF＝１５ｍＡ。 ＬＥＤ的正向電壓降VF是１．５Ｖ（根據(jù)數(shù)據(jù)表），所以RL＝２２０Ω（約為（５Ｖ－１．５Ｖ）／１５ｍＡ）（假定ＣＭＯＳ倒相器的輸出電壓是０Ｖ）。由于流過ＬＥＤ的電流大（１５ｍＡ），所以可以并聯(lián)接續(xù)ＣＭＯＳ倒相器，以提高負(fù)載的驅(qū)動(dòng)能力。 圖８．２８的電路中是用ＣＭＯＳ倒相器驅(qū)動(dòng)ＬＥＤ的陰極，所以當(dāng)輸入處于Ｈ電平時(shí)，光耦合器的晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出Ｈ電平。希望反邏輯時(shí)，如圖８．２９所示可以用ＣＭＯＳ倒相器驅(qū)動(dòng)ＬＥＤ的陽極（這樣一來，當(dāng)輸入為Ｈ電平時(shí)，光耦合器的晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，所以輸出Ｌ電平）。 圖８．３０比較特殊，是一例將光耦合器用于恒壓電源的過電流檢出的電路。這個(gè)電路用串聯(lián)插入的３Ω 電阻RF檢出恒壓電源的輸出電流，通過它上面的電壓降使光耦合器ＰＣ８１２（夏普）的ＬＥＤ發(fā)光，從而獲得檢出信號(hào)。圖８．３０中的電路常數(shù)是當(dāng)電源的輸出電流為５００ｍＡ?xí)r過電流檢出輸出為Ｌ電平。但是，由于光耦合器的ＣＴＲ隨溫度和使用時(shí)間的變化大，所以輸出電流的檢出值不能夠準(zhǔn)確地設(shè)定為５００ｍＡ（即使通過調(diào)整RF正確地設(shè)定了輸出電流，由于環(huán)境溫度的變化或者長期使用的原因也會(huì)使ＣＴＲ變化，從而偏離設(shè)定值 ）。