MOS晶体管开关电路设计与理论知识

晶体管开关电路（工作在饱和状态）在现代电路设计应用中很常见。经典的74LS、74ALS和其他集成电路内部使用晶体管开关电路，但它们只有共同的驱动能力。晶体管开关电路分为两类，一类是经典的TTL晶体管开关电路，另一类是MOS管开关电路。本文将介绍晶体管开关电路的知识，包括TTL晶体管开关电路； 蜂鸣器控制电路—被动蜂鸣器；等等。

目录

晶体管开关电路 1.1发射器接地开关电路 1.2射极跟随开关电路

II蜂鸣器控制电路-被动蜂鸣器

III IO控制电源开关是使用晶体管和MOS管 3.1通过IO引脚控制电源 3.2两根3401金属氧化物半导体管 3.3稳压管和MOS管调压电路

VI信号电平转换 改进晶体管基本电路 4.2加速电容器

V常见问题

晶体管开关电路

TTL晶体管开关电路按驱动能力分为小信号开关电路和功率开关电路。根据晶体管的连接方式分为发射极接地(PNP晶体管发射极连接到电源)和shooter跟随开关电路。

1.1发射器接地开关电路

上面的基本电路与实际设计电路有点远：由于晶体管基极电荷的积累，有一个从on到off的过渡(当晶体管关断时，由于R1的存在，基极电荷释放减慢，因此Ic不会立即归零)。换句话说，发射极接地开关电路有关断时间。不能直接应用于高频开关。

说明：当晶体管突然导通时(输入信号突然跳变)，C1瞬间出现短路，从而使晶体管迅速获得基极电流，从而加速晶体管的传导。当晶体管突然关断时(输入信号突然跳闸)，C1瞬间导通，为基极电荷的放电提供了一条低阻抗的通路，从而加快了晶体管的关断速度。C值通常是几十到几百的趋肤法。电路中的R2是为了确保晶体管在没有高输入时保持断开状态。R4是为了确保晶体管在低输入时保持关闭，R1和R3用于基极电流限制。

说明：由于TVS二极管Vf比Vbe小0.2到0.4V，所以大部分基极电流从二极管流到晶体管，然后流到晶体管导通时，最后流到地上，因此流向晶体管基极的电流很小，积累的电荷较少。当晶体管关断时(IN信号突然跳变)，放电电荷变少，关断动作自然变快。

在实际的电路设计中，我们需要考虑晶体管Vceo、Vcbo满足的压力，以及满足集电极功耗的晶体管。用负载电流和hfe(取最小晶体管hfe来计算)来计算基极电阻(基极电流保持在0.5到1倍的裕度)。注意特殊二极管反向耐压。

1.2射极跟随开关电路

射极跟随器又称射极跟随器，是一种典型的负反馈放大器。从晶体管的连接方式来看，它实际上是一个普通的集电极放大器。信号从基极输入，从发射极输出。重新连接到晶体管发射极的电阻器在电路中起着重要的作用。它就像一面镜子，反映了输出和输入的以下特性。

输入电压usr=ube+usc。通常Usc>Ube，忽略Ube，然后usr≈南加州大学。显然，这意味着辐射极限跟随器的电压放大系数近似等于1，即输入电压幅值近似等于输出电压幅值。当Usr增大时，ib和ie均增大，发射极电压ue(usc)也增大。反之，当Usr减小时，Usc也随之降低。这表明输出电压和输入电压是同相的，这是因为不仅输出电压等于输入电压，而且相位相等。输出电压紧随输入电压变化。我们称这种具有以下特性的电路为“辐射极限跟随器”。

发射极跟随器可以在较小的输入电流下获得较大的输出电流(即(1+β)ib)。因此，它具有电流放大和功率放大的功能。需要区别的是，普通的多级共射放大电路不放大电流和放大电压，这与发射相反。在电视电路中，电视视频图像由发射电路输出，以保证输出图像随输入而变化。需要注意的是，一般振幅应达到1.2V左右，RB和RE必须调整。该比率调整输出交流波形的振幅。

II蜂鸣器控制电路-被动蜂鸣器

当BUZZ接通高压时，晶体管T1(N型晶体管)接通，蜂鸣器鸣响。R5的角色用于当前限制。

以下电路添加电容器C18和反向二极管D2，以过滤和阻止反向。二极管的反向击穿电压很高。一般的低功耗三极管触发电压很低到0.7V。电流也很小，一般小于1UA。

III IO控制电源开关是使用晶体管和MOS管

MOS：FET MOSFET管的一种，可制成增强型或耗尽型，P沟道或N沟道共型。但实际应用中只有增强型N沟道MOS管和增强型P沟道MOS管，即NMOS和PMOS。

对于这两种增强型MOS管，NMOS是常用的，具有导通电阻低的特点。通常用于开关电源和电动机驱动。 条件：

当Vgs大于某个值时，NMOS打开。当Vgs小于某个值时，PMOS打开。 开关损耗：

无论是NMOS还是PMOS，传导后都存在导通电阻，造成不可避免的损耗。现在MOS晶体管的导通电阻一般是几十毫欧姆。 MOS管AO3401:P沟道增强型场效应晶体管

导通条件：对于AO3401，一般不超过-12V。以下是不同压降下的阻抗：

以下是工程应用中的开关控制电路。

3.1通过IO引脚控制电源

3.2两根3401金属氧化物半导体管

以下是两个3401金属氧化物半导体管，没有增加开关控制。输入电压等于输入电压。在这一点上，你可以用两种方式来供电。如果J5没有输入电压，通过VBUS供电，通过F1输出5V电压。以下电路可以用开关代替R10，Q201始终接通，二极管内部压降约为0.5V。

注：两个晶体管的方向不同，Q200左边是S，右边是D。Q201左边是D，右边是S。

当J5有电压时，Q200导通，Q201也满足导通条件，电压为0.1V。 注意：VBUS右侧断开。

参考文献	J5电压	R11	R9	卖方尽职调查	VBUS
J5和VBUS	5.09	0	0.46	5.07	4.6
只有VBU	4.21	0	0.38	4.21	4.51
只有J5	5.09	0	0.46	5.09	4.75

3.3稳压管和MOS管调压电路

说明：

VCC可以来自左侧的VDD5V U控制，也可以来自PC PS2口供给Vpc U IN。VCC采用高电压的。

原电路：

左侧Vpc U IN由PS2电源供电，右侧由VCC供电。

当PS2通电时，左边是5V，右边是4.5V左右，可以满足机器的电压要求，当PS2端口关闭时，机器可以正常工作。

为了降低PS2的电压降，我决定采用以下电路：

当PS2端口通电时，三管Q412接通，因此Q411接通，VCC接近Vpc U IN。此时机器采用PS2端口电压(约5V)。未连接PS2时，电流不能从机器流向PS2端口。 使用上述参数测试记录：

调压器两端电压	A（输入）	B	C	D（输出）	E	B电流
3.41	5.14	1.73	0.68	5.13	0	1.05毫安
3.25	4.63	1.38	0.67	4.63	0	0.71毫安
3.1	4.23	1.13	0.66	4.23	0	0.47毫安
2.9	3.8	0.9	0.64	3.8	0	0.26毫安
2.59	3.32	0.73	0.62	3.32	0	0.09毫安
2.34	2.9	0.56	0.5	2.35	2.25	0.05毫安
2.28	2.73	0.45	0.41	2.16	2.15	0.04毫安

最后两行显示：

MOS二极管内部二极管压降约为0.6V。

齐纳漏电流可以使晶体管导通。PN结可以在0.6V左右打开。

结论：

输入电压在3.3V时，晶体管接通，说明R436电阻过大，需要减小。

齐纳漏电流随输入电压的增加而增大，但当两端电压达到3.9V时，电流应超过1ma。

为了保证5V左右的输入电压能使其稳定，必须增大电流，减小电阻，当输入电压低于4.7V时，必须关闭晶体管。

调压器两端电压	A（输入）	B	C	输出（D）	E	B电流
3.94	5.15	1.21	0.69	5.15	0	5.2毫安
3.85	4.9	1.05	0.65	4.9	0	4毫安
3.8	4.76	0.96	0.63	4.76	0	3.3毫安
3.77	4.65	0.88	0.59	4.65	0	2.9毫安
3.76	4.62	0.86	0.58	4.62	0	2.8毫安
3.72	4.48	0.76	0.51	4.03	3.70	2.5毫安
3.64	4.25	0.61	0.41	3.67	3.67	2毫安

最后两行显示：

以满足PS2输入电压在[4.6-5V]达到调节器的效果。然后再把大键盘再连接到机器上，当机器关机时，键盘就可以正常工作了。当电动工具工作时也能正常工作。 检测到的问题：

质量测试表明终端不能关机。发现当终端断电时，Vpc U In仍有电压。VCC(4.84V)通过Q411，导致Vpc U in处的电压为4.8V。D405的电压降在0.3V左右。当Vpc_IN突然断电时，电源VCC在断电瞬间，晶体管接通，所有VCC都会注入端子，晶体管始终接通。

PS2电源电压的范围不容易确定。也就是说，当终端电压较大时，电路是正向导通的。同时，Vpc_IN电压必须小于一定值，以防止晶体管Q412导通。 例如：

IRF530特点：一般VG取12-15V，在正负20V之间浮动

上面的电路是错误的。Vgs太小。

对于单片PWM驱动的高压MOS(VGS在饱和导通状态下接近10V)，我们应该考虑以下问题：

电平转换，高电平单片机输出不超过5V，一般12-15V，所以驱动电路必须具有电平转换能力。

相位变换，上面所说的MOS是作为一个逆变器，所以根据负载的相位和单片机的输出进行相位转换。如要求MOS输出MOS导通，则要求驱动电路同相。

开关频率不同，驱动电路有不同的频率响应，对于高达1.5M的开关频率，用简单的三极管简单的自骑电路很难满足要求，基本需要选择专用的驱动芯片。另外，一般光耦在开关状态以上几十K的频率下不工作，如果要隔离，6N137型更好的是，有专门的带光隔离和驱动光耦，1.5米还是达不到。

驱动电流。虽然MOS在静态时不消耗驱动功率，但其输入是电容性的。为了尽快打开开关，降低开关损耗，需要以最快的速度给Cgs充电，因此驱动电路有一个非常重要的参数峰值驱动电流，如200MA、600MA、1A、2A、4A、6A。

驱动电路的工作电压，一般最大VGS不能超过20V，所以驱动电路的工作电压也不应该超过18V，对于上面的电路，需要加一个15V的电压，当然可以从40V降压。

DV/DT问题，由于MOS在高DV/DT下容易损坏，电磁干扰会增加。为了解决这些问题，有时需要增加驱动电路输出的上升/下降时间。一种简单的方法是在驱动器输出和G极之间增加一个小电阻。

VI信号电平转换

4.1改进电路的基本晶体管开关

有时，我们设定的低电压电平可能无法使晶体管关断，特别是当输入电平接近0.6伏时，为了克服这一临界条件，我们必须采取纠正措施，确保晶体管必须闭合。图1显示了针对这两种情况设计的改进电路。

图1确保晶体管开关动作正确，两个电路修改正确

图1(a)中的电路有一个二极管串联在基极和发射极之间，使得基极电流通电的输入电压值提高0.6伏，这样即使由于信号源0.6伏的故障，Vin值接近该值，晶体管也不会导通，所以开关仍然可以处于关闭状态。

图1(b)中的电路包含一个次级保持电阻器R2，其设计具有适当的R1、R2和Vin值，以确保开关在临界输入电压下关闭。如图1(b)所示，在基极发射极结不导电(IB0)之前，R1和R2形成一个串联的分压器电路，因此R1必须通过一个固定的(随Vin变化的)电压。基极电压必须低于Vin值。即使车辆识别号(Vin)接近阈值(Vin=0.6伏)，基本电压仍会被连接到负极电源的辅助断开电阻拉低至0.6伏以下。由于R1、R2和VBB值的精心设计，只要Vin在高范围内，基极仍有足够的电压打开晶体管，而不受辅助关断电阻的影响。

4.2加速电容器

在需要快速开关动作的应用中，必须提高三极管开关的开关速度。图2是一种常见的方法，这种方法只与加速度电容器上的一个RB电阻并联，因此当Vin从零电压上升并开始向基极发送电流时，电容器不能瞬时充电，因此此时同样短路，有一个瞬时的高电流从电容器流向底座，从而加速了开关的传导。后来，直到充电完成，电容与开路一样，不影响晶体管的正常工作。

图2带加速电容器的电路

一旦输入电压从高电平下降到零电压电平，电容器会在很短的时间内将基极发射极结转变为反向偏压，由于电容器的左端已充电到正电压，导致三极管开关迅速关闭，因此输入电压下降的那一刻，由于电容器上的电压不能瞬间改变而保持在一个固定值，因此输入电压立即下降使基极电压降低，使基极发射极结成为反向偏压，并迅速关断晶体管。选择合适的加速电容可以使三极管开关的开关时间减少到几十微秒以下，而且大多数加速电容器都在几百pF左右。

有时三极管开关的负载并不是直接施加在集电极和电源之间，而是如图3所示进行连接。这种连接与小信号放大电路非常接近，但缺少一个输出耦合电容。这个连接和正常连接正好相反。当晶体管处于关闭状态时，晶体管处于启用状态。当晶体管接通时，负载被切断。这两种电路的形式是相同的，我们必须有清晰的分辨能力。

图3将负载连接到晶体管电路的改进电路

晶体管开关最常见的应用之一是驱动指示灯，指示灯可以指示电路特定点的工作状态，电机控制器是否通电，或某个限位开关通电或数字电路是否处于高状态。

例如图4(a)显示了使用晶体管开关的数字触发器的输出状态。如果触发器输出很高(一般为5伏)，晶体管开关被打开，留下指示灯，这样操作者只要看一眼灯，就可以知道触发器电流的工作情况，而不需要用仪表来检测。

有时信号源(如触发器)的输出电流容量太小，不足以驱动晶体管开关，此时为避免信号源过载和故障，必须采用图4(b)所示的改进电路，当输出很高时，首先用晶体管Q1做驱动发射极电流放大，然后打开Q2并驱动光源，因为发射极与输入级的输入阻抗相当高，所以触发器应提供少量的输入电流，才能得到满意的工作。

图4(a)中的数字显示电路通常用于数字显示器。

图4(a)基本电路图

(b)改进电路图

分析：如果FREOF为高5V，输出FREOUT应为1.3khz的方波，波形如下：C39左侧和C41右侧为1.3K左右的方波，一高一低。

关于RC充放电实验：

在下图中，当输入1Hz方波信号时，截取左边的波形C3如下。充满电大约需要4毫秒。

理论计算：充放电原理相同。首先计算充放电常数TC=RC，单位为欧姆和F。

以下电路TC=1K*1uf=1ms 3TC通常可以达到0.95E，4.75V，因此3ms可以达到4.75V，与波形一致。

图中是一个简单的控制电路：

当KSEL较高时，KCLK1和KCLK0通过，KDAT1和KDAT0通过。

在低电平时，电路阻塞。

V常见问题

1.什么是晶体管开关电路?

电子电路中晶体管最常见的用途之一就是简单的开关。简言之，晶体管只有在基极上施加电压时才在集电极-发射极路径上传导电流。。。当基极饱和时，开关接通，这样集电极电流可以不受限制地流动。

2.哪种晶体管最常用?

MOSFET是目前数字电路和模拟电路中应用最广泛的晶体管，占世界晶体管总数的99.9%。双极结晶体管(BJT)是20世纪50年代至60年代最常用的晶体管。

晶体管的主要用途是什么?

晶体管，用于放大、控制和产生电信号的半导体器件。晶体管是集成电路(或称“微芯片”)中的有源元件，通常在其光亮的表面上刻有数十亿个这种微小的器件。

晶体管的工作原理是什么?

晶体管由两个背靠背连接的PN二极管组成。它有三个端子，即发射极、基极和集电极。晶体管背后的基本思想是，它可以通过改变流经第二个通道的较小电流的强度来控制流过一个通道的电流。

5.如何识别晶体管?

制造晶体管的材料包括硅和锗。双极结晶体管是最常用的类型。为了帮助识别它们，晶体管的外壳上都标有数字和字母。晶体管根据使用的编号系统进行标记。

6.今天使用的两种基本类型的结晶体管是什么?

目前有两种最常见的晶体管类型：金属氧化物半导体(MOS)和双极结晶体管(BJT)。

7.机械开关和晶体管的两大区别是什么?

总开关是单个部件;晶体管开关需要配套元件(电阻器等)。一个通用的开关可以有多个位置(投切)和电路(极)，但是这些必须使用晶体管开关、使用多个晶体管和支持组件来设计。

8.晶体管和放大器有什么区别?

在这个意义上，放大器调节电源的输出，使输出信号比输入信号强。晶体管是一种半导体器件，用于放大和转换电子信号和电能。

晶体管会改变电压吗?

记住，机械开关在打开状态下没有电压降，因为触点之间没有电阻。另一方面，晶体管在接通时集电极/发射极端子(RCE)上有少量电阻，因此会产生电压降。

晶体管10能放大吗?

是的，晶体管放大直流电。然而，直流电只能用BJT而不能用FET放大。输入的直流电被放大到基极，这个放大的电流在集电极处被提取出来。

　　审核编辑：汤梓红