三極管開關(guān)電路設(shè)計(jì)詳細(xì)過程

圖6(a) 的電路，在基射極間串接上一只二極管，因此使得可令基極電流導(dǎo)通的輸入電壓值提升了0.6伏特，如此即使Vin值由于信號(hào)源的誤動(dòng)作而接近0.6伏特時(shí)，亦不致使三極管導(dǎo)通，因此開關(guān)仍可處于截止?fàn)顟B(tài)。圖6(b)的電路加上了一只輔助-截止(hold-off)電阻R2，適當(dāng)?shù)腞1，R2及Vin值設(shè)計(jì)，可于臨界輸入電壓時(shí)確保開關(guān)截止。由圖6(b)可知在基射極接面未導(dǎo)通前(IB0)，R1和R2形成一個(gè)串聯(lián)分壓電路，因此R1必跨過固定(隨Vin而變) 的分電壓，所以基極電壓必低于Vin值，因此即使Vin接近于臨界值(Vin=0.6伏特) ，基極電壓仍將受連接于負(fù)電源的輔助-截止電阻所拉下，使低于0.6伏特。由于R1，R2及VBB值的刻意設(shè)計(jì)，只要Vin在高值的范圍內(nèi)，基極仍將有足夠的電壓值可使三極管導(dǎo)通，不致受到輔助-截止電阻的影響。

加速電容器(speed-up capacitors)

在要求快速切換動(dòng)作的應(yīng)用中，必須加快三極管開關(guān)的切換速度。圖7為一種常見的方式，此方法只須在RB電阻上并聯(lián)一只加速電容器，如此當(dāng)Vin由零電壓往上升并開始送電流至基極時(shí)，電容器由于無(wú)法瞬間充電，故形同短路，然而此時(shí)卻有瞬間的大電流由電容器流向基極，因此也就加快了開關(guān)導(dǎo)通的速度。稍后，待充電完畢后，電容就形同開路，而不影響三極管的正常工作。

圖7 加了加速電容器的電路

一旦輸入電壓由高準(zhǔn)位降回零電壓準(zhǔn)位時(shí)，電容器會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)即令基射極接面變成反向偏壓，而使三極管開關(guān)迅速切斷，這是由于電容器的左端原已充電為正電壓，如圖6-9所示，因此在輸入電壓下降的瞬間，電容器兩端的電壓無(wú)法瞬間改變?nèi)詫⒕S持于定值，故輸入電壓的下降立即使基極電壓隨之而下降，因此令基射極接面成為反向偏壓，而迅速令三極管截止。適當(dāng)?shù)倪x取加速電容值可使三極管開關(guān)的切換時(shí)間減低至幾十分之微秒以下，大多數(shù)的加速電容值約為數(shù)百個(gè)微微法拉(pF) 。

有時(shí)候三極管開關(guān)的負(fù)載并非直接加在集電極與電源之間，而是接成圖8的方式，這種接法和小信號(hào)交流放大器的電路非常接近，只是少了一只輸出耦合電容器而已。這種接法和正常接法的動(dòng)作恰好相反，當(dāng)三極管截止時(shí)，負(fù)載獲能，而當(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載反被切斷，這兩種電路的形式都是常見的，因此必須具有清晰的分辨能力。

圖8 將負(fù)載接于三極管開關(guān)電路的改進(jìn)接法

圖騰式開關(guān)(Totem-pole switches)

假使圖8的三極管開關(guān)加上了電容性負(fù)載(假定其與RLD并聯(lián)) ，那么在三極管截止后，由于負(fù)載電壓必須經(jīng)由RC電阻對(duì)電容慢慢充電而建立，因此電容量或電阻值愈大，時(shí)間常數(shù)(RC) 便愈大，而使得負(fù)載電壓之上升速率愈慢，在某些應(yīng)用中，這種現(xiàn)象是不容許的，因此必須采用圖9的改良電路。

圖9 圖騰式三極管開關(guān)

圖騰式電路是將一只三極管直接迭接于另一三極管之上所構(gòu)成的，它也因此而得名。欲使負(fù)載獲能，必須使Q1三極管導(dǎo)通，同時(shí)使Q2三極管截?cái)?，如此?fù)載便可經(jīng)由Q1而連接至VCC上，欲使負(fù)載去能，必須使Q1三極管截?cái)啵瑫r(shí)使Q2三極管導(dǎo)通，如此負(fù)載將經(jīng)由Q2接地。由于Q1的集電極除了極小的接點(diǎn)電阻外，幾乎沒有任何電阻存在(如圖9所示) ，因此負(fù)載幾乎是直接連接到正電源上的，也因此當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，就再也沒有電容的慢速充電現(xiàn)象存在了。所以可說(shuō)Q1“將負(fù)載拉起”，而稱之為“挽起 (pull up) 三極管”，Q2則稱為“拉下(pull down) 三極管”。圖9左半部的輸入控制電路，負(fù)責(zé)Q1和Q2三極管的導(dǎo)通與截?cái)嗫刂?，但是必須確保Q1和Q2使不致同時(shí)導(dǎo)通，否則將使VCC和地之間經(jīng)由Q1和 Q2而形同短路，果真如此，則短路的大電流至少將使一只三極管燒毀。因此圖騰式三極管開關(guān)絕對(duì)不可如圖6-4般地采用并聯(lián)方式來(lái)使用，否則只要圖騰上方的三極管Q1群中有任一只導(dǎo)通，而下方的Q2群中又恰好有一只導(dǎo)通，電源便經(jīng)由導(dǎo)通之Q1和Q2短路，而造成嚴(yán)重的后果。

第三節(jié) 三極管開關(guān)之應(yīng)用

晶體管開關(guān)最常見的應(yīng)用之一，是用以驅(qū)動(dòng)指示燈，利用指示燈可以指示電路某特定點(diǎn)的動(dòng)作狀況，亦可以指示馬達(dá)的控制器是否被激勵(lì)，此外亦可以指示某一限制開關(guān)是否導(dǎo)通或是某一數(shù)字電路是否處于高電位狀態(tài)。

舉例而言，圖10(a)即是利用晶體管開關(guān)來(lái)指示一只數(shù)字正反器(flip-flop)的輸出狀態(tài)。假使正反器的輸出為高準(zhǔn)位(一般為5伏特) ，晶體管開關(guān)便被導(dǎo)通，而令指示燈發(fā)亮，因此操作員只要一看指示燈，便可以知道正反器目前的工作狀況，而不須要利用電表去檢測(cè)。

有時(shí)信號(hào)源(如正反器)輸出電路之電流容量太小，不足以驅(qū)動(dòng)晶體管開關(guān)，此時(shí)為避免信號(hào)源不勝負(fù)荷而產(chǎn)生誤動(dòng)作，便須采用圖10(b) 所示的改良電路，當(dāng)輸出為高準(zhǔn)位時(shí)，先驅(qū)動(dòng)射極隨耦晶體管Q1做電流放大后，

圖10(a) 基本電路圖 圖10(b) 改良電路

再使Q2導(dǎo)通而驅(qū)動(dòng)指示燈，由于射極隨耦級(jí)的輸入阻抗相當(dāng)高，因此正反器之須要提供少量的輸入電流，便可以得到滿意的工作。

數(shù)字顯示器圖10(a)之電路經(jīng)常被使用于數(shù)字顯示器上。

利用三極管開關(guān)做為不同電壓準(zhǔn)位之界面電路

在工業(yè)設(shè)備中，往往必須利用固態(tài)邏輯電路來(lái)?yè)?dān)任控制的工作，有關(guān)數(shù)字邏輯電路的原理，將在下一章詳細(xì)加以介紹，在此為說(shuō)明界面電路起見，先將工業(yè)設(shè)備的控制電路分為三大部份s(1)輸入部份，(2)邏輯部份，(3)輸出部份。

為達(dá)到可靠的運(yùn)作，工業(yè)設(shè)備的輸入與輸出部份通常工作于較高的電壓準(zhǔn)位，一般為220伏特。而邏輯部份卻是操作于低電壓準(zhǔn)位的，為了使系統(tǒng)正常工作，便必須使這兩種不同的電壓準(zhǔn)位之間能夠溝通，這種不同電壓間的匹配工作就稱做界面(interface)問題。擔(dān)任界面匹配工作的電路，則稱為界面電路。三極管開關(guān)就經(jīng)常被用來(lái)?yè)?dān)任此類工作。

圖11利用三極管開關(guān)做為由高壓輸入控制低壓邏輯的界面電路之實(shí)例，當(dāng)輸入部份的微動(dòng)開關(guān)閉合時(shí)，降壓變壓器便被導(dǎo)通，而使全波整流濾波電路送出低壓的直流控制信號(hào)，此信號(hào)使三極管導(dǎo)通，此時(shí)集電極電壓降為0(飽和)伏特，此0伏特信號(hào)可被送入邏輯電路中，以表示微動(dòng)開關(guān)處于閉合狀態(tài)。

反之，若微動(dòng)開關(guān)開啟，變壓器便不通電，而使三極管截止，此時(shí)集電極電壓便上升至VCC值，此一VCC信號(hào)，可被送入邏輯電路中，藉以表示微動(dòng)開關(guān)處于開啟狀態(tài)。在圖11之中，邏輯電路被當(dāng)作三極管的負(fù)載，連接于集電極和地之間(如圖11) ，因此三極管開關(guān)電路的R1，R2和RC值必須慎加選擇，以保證三極管只工作于截止區(qū)與飽和區(qū)，而不致工作于主動(dòng)(線性) 區(qū)內(nèi)。

圖11三極管開關(guān)當(dāng)作輸入部份與邏輯部份之間的界面