三极管电路图设计 电灯泡控制开关电路仿真实验

三极管不仅可以对模拟信号放大，也可作为控制开关使用，作为开关使用的三极管处于截止与饱和状态，其基本电路如下图所示：

其中，集电极电阻R1为上拉电阻，当三极管Q1截止时将输出电压上拉至电源VCC（高电平），可以理解为开集（OC）输出结构的上拉电阻，具体可参考文章《电阻（4）之上/下拉电阻》，基极串联电阻R2为限流电阻，防止输入电压Vi幅值过高导致基极电流超额而损坏三极管，下拉电阻R3用来确保无输入信号（即悬空）时三极管处于截止状态。

有的厂家已经将电阻R2、R3集成到内部，如下图所示（来自Panasonic内置电阻三极管UNR921xJ系列数据手册）：

此开关电路的基本原理很简单！当输入信号Vi为低电平“L”时，三极管Q1处于截止状态，输出电压Vo由集电极电阻R1上拉为电源VCC（高电平），此时三极管Q1相当于一个处于断开状态的开关，如下图所示：

当输入信号Vi为高电平“H”时，三极管Q1处于饱和状态，输出电压Vo为三极管饱和压降（低电平），此时三极管Q1相当于一个处于闭合状态的开关，如下图所示：

这种开关电路的用法主要有两种，其中之一就是将具体的负载（如电灯泡、马达、电磁阀、继电器、蜂鸣器等等）代替集电极电阻R1，这样输入信号Vi高低电平就可以控制负载是否供电，如下图所示为电灯泡控制开关电路：

当输入为低电平“L”时，三极管Q1是截止的，因此电灯泡两端是没有电压的，当输入为高电平“H”时，三极管Q1是饱和的，此时电源VCC施加到电灯泡两端，如下图所示：

电灯泡是阻性负载（相当于一个电阻），如果换成是感性负载，我们还必须在感性负载两端反向并联一个二极管，如下图所示继电器应用电路：

因为感性负载相当于一个电感，当三极管由导通变为截止时，电感中的电流将会产生突变，如果此时没有一个电流回路慢慢使电流下降，电感两端将产生很高的反向电动势，并联的二极管D1即用来为感性负载续流（防止三极管Q1被击穿的同时也可以保护继电器本身），因而称之为续流二极管，如下图所示：

如果负载消耗的电流比较大，相应的可以选择集电极电流较大的三极管或达林顿管，此处不再赘述。

开关电路的另一个用法是作为高速开关，如BUCK变换器中的开关管，如下图所示（来自TI电源芯片LM2596数据手册）

我们用下图所示开关电路仿真一下（注意输入信号频率是1KHz）：

其相关波形如下图所示：

波形貌似还可以呀！对于一个理想的开关，我们希望开关的通/断状态可以实时响应控制信号，换句话讲，开关的响应速度越快越好，但是如果我们把信号频率提高再仿真一次，就会看出其中的问题了，下图所示为信号频率为1MHz时相关输入输出波形：

输出（三极管集电极）电压已经完全不再是方波了，这主要是因为三极管处于导通时，基区内储存有一定的电荷（相当于一个充满电的电容CBE），如果输入信号Vi由高电平切换为低电平，电容电荷必须通过如下图所示回路进行电荷释放：

这就相当于一个RC放电回路，这里的R为R2与R3的并联值，基区中存储的电荷越多，则三极管由饱和状态切换至截止状态需要的延迟时间越长，这对于高速开关电路是非常不利的。

要优化输出的波形，只能想办法将基区的电荷更快的消除！我们可以在基极串联电阻R2两端并联一个小电容，当输入为高电平时“H”时，该电容充电极性为左正右负，而当输入切换为低电平“L”时，相当于基极施加了一个负压至三极管的发射结（可以加速抵消基区电荷），同时可以将基极串联电阻旁路（相当于减小了放电常数），如下图所示：

我们用200pF的小电容重新仿真一下，如下图所示：

其波形如下图所示：

可以看到，输出电压的波形比之前要好很多，三极管基极出现的负压就是并联小电容在输入高电平期间所存储的电压，其值约为-(VIH-VBE)，这个用来提高开关速度的电容也称为加速电容

我们也可以用肖特基二极管并联在三极管的集电结，如下图所示：

肖特基二极管（也称肖特基势垒二极管，Schottky Barrier Diode，SBD）与普通的二极管稍为有所不同，它的单向导通特性不是由P型半导体与N型半导体接触形成的PN结决定的，而是金属与半导体接触形成的，它的特点是开关速度快、正向压降比普通二极管要低（0.3～0.4V），也就是比三极管的发射结电压要低一些。

当输入信号为高电平“H”时，大部分原本应该全部流入基极的电流通过肖特基二极管D1直接到地了，因此，相对没有添加D1时的电流非常小，换句话说，尽管晶体管现在处于饱和导通状态，但并没有进入深度饱和，因此要退出饱和状态也更加容易（速度更快），如下图所示：

我们将三极管与肖特基二极管的组合称为肖特基箝位晶体管（Schottky-clamped transistor , SCT），如下图所示：

这种组合主要应用在高速数字逻辑电路中，在74系列逻辑电路中也很常见，如下图所示（来自TI反相器74LS04数据手册）：

我们也可以使用射随（共集电极）型开关电路来提升开关速度（LM2596内部的开关管就相当于是射随器），我们用下图所示电路进行仿真：

其相关波形如下图所示：

从波形中可以看到，尽管我们并没有对电路进行加速优化，输出电压也比较理想，而且输出与输入的相位是相同的。

我们也可以用场效应管作为开关电路，可以参考文章《场效应管开关电路》
编辑：hfy