晶体管开关电路设计案例分析

基本的晶体管开关电路

饱和开关的问题点：OFF延时时间

如图1所示，使场效应晶体管开关动作时，加给晶体管的基极电流IB：

IB=IC/hFE，决定的值大的电流。

这是由于晶体管的集电极一发射极饱和电压VCE（set）减小，使晶体管的ON时的电力损耗降低的缘故。

这样，晶体管饱和动作时，如图2所示，基极电流IB，即使为0，晶体管也不能立刻OFF，

集电极电流在积蓄（strage）时间tstg+上升时间tr，之后才变为0（toff=tstg=tr）。

图1 基本的晶体管开关电路

图2 为使开关高速，减小toff很重要

用于OFF晶体管的时间莎。toff比用于ON的时间ton要长，而且根据驱动基极的条件变化很大，这在高速开关电路中必需注意。

如上图，问题是，输出端的波形下降沿和上升沿不可能是垂直的，有个斜率，

如何减小这个斜率（就是让边沿陡一点），我说把基极对地的电阻加大一点，

他说不对，还说让我加个东西就行了，想不出来，我想了一下不可能是电容，二极管也不太对，

真的没想到好的答案，晕死，这么简单的电路想不出来

谢谢各位了，哎，加个电容，我原来还看见过这种电路的，怎么就没有想起来呢，

说一句，那家单位是做伺服的，主要想想这么简单的东西不太会问的，疏忽了

BE间的电阻还有个很重要的作用，那就是泄放PN结电容存储的点荷，

使晶体管很快地从饱和区进入截止区，在高频或晶体管频率太低时，

这电阻尤为重要，对输出上升沿影响很大（假定是反相用法），电阻应该减小，

真正的高频电路中甚至小到几十欧。要加个东西，使边沿陡峭点，又没说是什么东西，那就再输出端加个门作缓冲器吧。

在基极限流电阻旁并一小电容，能加速三极管的开关动作。

另把集电极电阻减小，能显著加速输出的上升速度。

改变基极的两个电阻阻值，在特定条件下也有一定的效果。

集电极电阻取小主要是考虑电容负载的问题

根据内阻，要调整参数

有肖特基箝位

无肖特基箝位

电容加速

从上面的讨论可否得这样的结论：

要提高输出脉冲的前后沿速度，就要加大激励信号，又要避免晶体管深饱和造成存储延迟，于是：

1.用电容加速，只在前后沿大激励，即提高了沿的速度，又不至深饱和

2.整个脉冲大激励，提高沿的速度，用肖特基箝位来避免深饱和。

就上面的电路参数仿真看，电容对沿的加速作用似乎更明显。

1、加速电容构成微分电路，利用电容两端电压不能突变的特性让输入瞬间的变化量直接引入到三极管基极，

用过冲加快三极管的状态变化。等过渡过程结束后又回归到两个电阻的直流分压，所以电容不影响饱和深度；

2、在基-集间加二极管箝位，可避免深饱和，给三极管节省了从深饱和退出的时间，使整个导通→截止的变化曲线平移提前了。

即使不用二极管箝位，根据输入电平适当计算两个基极电阻的比值，也能避免三极管深饱和

下面这个电路中，高速开关二极管（1N4148）与电阻R1的作用是当晶体管截止时，

为反向基极电流提供一个低阻抗的通路。这个为“开关”关的动作提供了尽可能快的支持，因为它迅速让电荷从三极管的pn势垒电容里释放掉。

脉冲电路中最常用的反相器电路

就拿脉冲电路中最常用的反相器电路（图 1 ）来说，从电路形式上看，它和放大电路中的共发射极电路很相似。

在放大电路中，基极电阻 R b2 是接到正电源上以取得基极偏压；而这个电路中，为了保证电路可靠地截止，R b2 是接到一个负电源上的，而且 R b1 和 R b2 的数值是按晶体管能可靠地进入饱和区或止区的要求计算出来的。不仅如此，为了使晶体管开关速度更快，在基极上还加有加速电容 C ，在脉前沿产生正向尖脉冲可使晶体管快速进入导通并饱和；在脉冲后沿产生负向尖脉冲使晶体管快速进入截止状态。除了射极输出器是个特例，脉冲电路中的晶体管都是工作在开关状态的，这是一个特点。

脉冲电路的另一个特点是一定有电容器（用电感较少）作关键元件，脉冲的产生、波形的变换都离不开电容器的充放电。

箝位器

能把脉冲电压维持在某个数值上而使波形保持不变的电路称为箝位器。它也是整形电路的一种。例如电视信号在传输过

会造成失真，为了使脉冲波形恢复原样，接收机里就要用箝位电路把波形顶部箝制在某个固定电平上。

图 8 中反相器输出端上就有一个箝位二极管 VD 。

如果没有这个二极管，输出脉冲高电平应该是 12 伏，现在增加了箝位二极管，输出脉冲高电平被箝制在 3 伏上。

加速电容器（speed-up capacitors）

在要求快速切换动作的应用中，必须加快三极管开关的切换速度。

图7为一种常见的方式，此方法只须在RB电阻上并联一只加速电容器，

如此当Vin由零电压往上升并开始送电流至基极时，电容器由于无法瞬间充电，故形同短路，

然而此时却有瞬间的大电流由电容器流向基极，因此也就加快了开关导通的速度。

稍后，待充电完毕后，电容就形同开路，而不影响三极管的正常工作。

加速电路及其波形

加速电容器C和三极管输入电阻R组成微分电路。

在输入信号正跳变时，可提供比无加速电容大得多的正向基极电流，使三极管很快达到饱和，见图。

在输入信号下跳时，又可提供很大的反向基极电流，使基区存储的电荷消散，三极管迅速进入截止状态。

电容加速电路

电容加速电路也是经常在设计中用到的一种实用电路。如图1所示：

这是在脉冲放大器电路中的一种的应用。其中的三极管VT1是工作在开关状态下。

开头提到的所谓加速，就是加快响应速度，加快对输入信号的响应速度。

从图1中的三极管VT1来看，就是要求三极管在截止，饱和两种状态之间的转换速度越快越好。

那么图1中的电路是如何起到加速作用呢？

为了做一个比较与便于理解，先简单分析没有加入加速电容之前的电路，如图2所示。

在图2中，当输入Ui是矩形脉冲信号加到VT1基极时，

若Ui为高，VT1饱和导 通，若Ui为低，VT1截止。

在接入C1后，如图1所示，其可等效成如图3所示的微分电路：

此时还是加入同样的输入信号Ui：

当Ui从低 —》高时，由于微分电路的作用，使加到基极的电压出现一个尖顶脉冲，

使基极的电流很大，从而加快了VT1从截止进入导通的速度，缩短了时间。

在t0之后，对C1的充电很快就结束，这时Ui加到基极的电压较小，维持VT1导 通。

当Ui从高 —》低时，即t1时刻，由于C1上原先的电压极性为左正右负，

这一电压加到基极为负顶脉冲，加快了从基区抽出电荷，使VT1以更快的速度从饱和转换到截止，

缩短了VT1的截止时间。

上述的Ui和Uo的波形如图4所示，直观反映了电容加速电路的工作原理。

1．分析加速电容电路三要点

分析这一电路工作原理首先要搞清楚下列三个方面的问题，才能做到有的放矢：

（1）脉冲放大器中的三极管工作在开关状态下，即一种工作状态是饱和，另一种是截止。

要求三极管从截止、饱和两种状态之间转换的速度愈快愈好，加速电容电路就是用来加速这种转换的电路，

了解这一点对理解加速电容电路工作原理有益。

（2）了解微分电路工作原理。

（3）掌握电容两端不能突变的特性，这对分析加速电容的工作原理非常重要。掌握电容充电和放电特性，加速电容在工作过程中就是充电和放电的过程。

2．利用微分电路分析加速电容电路的方法

电路分析的基本方法和思路是：

当输入电压Ui是一个矩形脉冲信号，它是加到三极管VT1基极的电压，当Ui为高》电平时给三极管VT1正向偏置电压而使之饱和导通，当Ui为低电平时给VT1管反向偏置电压而使之状态。

第二步讨论接入加速电容C1之后的电路工作原理。

从电路中可以看出，加速如图14所示是脉冲放大器电路。

电路中，VT1是三极管，构成脉冲放大管，C1并联在R1上，C1是加速电容。

C1的作用是加快VT1管导通和截止的转换速度，所以称为加速电容，许多电路的名称是根据电路所起作用而来的。

第二步讨论接入加速电容C1之后的电路工作原理。

从电路中可以看出，加速电容Cl与三极管VT1的输入电阻Ri构成微分电路，如下图所示等效电路和波形示意图。

根据微分电路的有关特性可知，当输入信号电压Ui从OV跳变到高电平时，由于电容c1和Ri微分电路的作用，

使加到VTl管基极的电压出现一个尖顶脉冲，见输出电压UO波形所示，在t0时刻这一尖顶脉冲使VT1管基极电流很大，

这样VT1管迅速从截止状态进入饱和状态，加速了VT1管的饱和导通，缩短了VT1管饱和导通时间。

在t0之后，对Cl的充电很快结束，这时输入信号电压Ui加到VT1管基极的电压比较小，维持VT1管的饱和导通状态。

当输入信号电压Ui从高电平突然跳变到OV时，即t1时刻，由于C1上原先充到的电压极性为左+右一，见图中所示，这一电压加到VT1管基极电压，

为负尖项脉冲，由于加到VT1管基极的电压为负，加快了VT1管从基区抽出电荷，使VT1管以更快的速度迅速从饱和状态转换到截止状态，缩短了VT1管截止时间。

3．电路分析方法提示

（1）加速电容电路主要出现在电子开关电路或脉冲放大器电路中，对于音频放大器电路不用这种电路。在脉冲放大器中的输入信号为脉冲信号。

（2）通过对电路分析可知，由于接入电容C1，使VT1管以更快的迅速进入饱和状态，

同样也是以更快的迅速进入截止，可见电容C1具有加速VT1管工作状态转换的作用，所以将C1称为加速电容。

Improving BJT Switching Time