如何实现晶体管用作开关应用

虽然晶体管（BJT）通常用于制造放大器电路，但它们也可以有效地用于开关应用。

晶体管开关是一种电路，其中晶体管的集电极以相对较大的电流打开/关闭，以响应其基极发射极上相应切换的低电流ON/OFF信号。

例如，以下BJT配置可用作反相计算机逻辑电路输入信号的开关。

在这里，您可以发现输出电压Vc与施加在晶体管基极/发射极上的电位相反。

此外，与基于放大器的电路不同，基极不与任何固定直流电源连接。集电极具有与系统电源电平相对应的直流电源，例如在此计算机应用案例中为 5 V 和 0

V。

我们将讨论如何设计这种电压反转，以确保工作点沿负载线正确从切断切换到饱和，如下图所示：

对于目前的情况，在上图中，我们假设IC = ICEO = 0 mA，当IB = 0 uA时（关于增强施工策略的一个很好的近似值）。此外，假设VCE =

VCE（sat） = 0 V，而不是通常的0.1至0.3 V电平。

现在，在Vi = 5 V时，BJT将接通，设计考虑因素必须确保配置高度饱和，IB幅度可能大于接近饱和水平的IB曲线的相关值。

如上图所示，该条件要求IB大于50 uA。

计算饱和度水平

所示电路的集电极饱和水平可以使用以下公式计算：

IC（卫星） = Vcc / Rc

饱和水平之前有源区域的基极电流大小可以使用以下公式计算：

IB（最大值） ≅ IC（卫星） / βdc ----------公式 1

这意味着，要实现饱和度，必须满足以下条件：

IB 》 IC / IC / βdc -------- 公式 2

在上面讨论的图中，当Vi = 5 V时，可以用以下方法评估得到的IB水平：

如果我们用这些结果测试等式 2，我们会得到：

这似乎完全满足了所需的条件。毫无疑问，任何高于60 uA的IB值都将被允许通过与垂直轴非常接近的负载线穿过Q点进入。

现在，参考第一个图中显示的BJT网络，当Vi = 0 V，IB = 0 uA时，假设IC = ICEO = 0

mA，RC上发生的压降将按照以下公式计算：

VRC = 红十字国际委员会 = 0 V。

对于上面的第一张图，这给了我们VC = +5 V。

除了计算机逻辑切换应用外，这种BJT配置还可以像使用负载线相同极值点的开关一样实现。

当发生饱和时，电流IC趋于相当高，这相应地将电压VCE降至最低点。

这在两个端子上产生一个电阻水平，如下图所示，并使用以下公式计算：

R（sat） = VCE（sat） / IC（sat），如下图所示。

如果我们假设VCE（sat）的典型平均值，例如上式中的0.15 V，我们得到：

与BJT集电极端子上的串联电阻（以千欧姆为单位）相比，集电极发射极两端的电阻值看起来非常小。

现在，当输入Vi = 0 V时，BJT开关将被切断，导致集电极发射极两端的电阻为：

R（截止） = Vcc / ICEO = 5 V / 0 mA = ∞ Ω

这导致集电极发射极端子上出现开路情况。如果我们考虑ICEO的典型值为10 uA，则截止电阻的值如下所示：

截止 = Vcc / ICEO = 5 V / 10 uA = 500 k Ω

该值看起来非常大，相当于大多数BJT配置作为开关的开路。

求解一个实际的例子

计算下面配置如逆变器的晶体管开关的RB和RC值，假设ICmax = 10mA

表示收集器饱和度的公式为：

ICsat = Vcc / Rc

∴ 10 mA = 10 V / Rc

∴ Rc = 10 V / 10 mA = 1 kΩ

此外，在饱和点

IB ≅ IC（卫星） / βdc = 10 mA / 250 = 40 μA

为了保证饱和，让我们选择IB = 60 μA，并使用公式

IB = Vi - 0.7 V / RB，我们得到

RB = 10 V - 0.7 V / 60 μA = 155 kΩ ，

将上述结果四舍五入为150 kΩ，并再次计算上述公式，我们得到：

IB = Vi - 0.7 V / RB

= 10 V - 0.7 V / 150 kΩ = 62 μA，

由于 IB = 62 μA 》 ICsat / βdc = 40 μA

这证实了我们必须使用 RB = 150 kΩ

计算开关晶体管

您会发现称为开关晶体管的特殊晶体管，因为它们从一个电压电平切换到另一个电压电平的速度很快。

下图将符号为 ts、td、tr 和 tf 的时间段与器件的集电极电流进行了比较。

时间段对集电极速度响应的影响由集电极电流响应定义，如下所示：

晶体管从“关”状态切换到“开”状态所需的总时间表示为 t（on），可通过以下公式确定：

t（on） = tr + td

此处，td标识输入开关信号改变状态和晶体管输出响应变化时发生的延迟。时间tr表示从10%到90%的最终开关延迟。

bJt 从打开状态到关闭状态所花费的总时间表示为 t（off），由以下公式表示：

t（关闭） = ts + tf

TS 确定存储时间，而 tf 确定从原始值的 90% 到 10% 的下降时间。

参考上图，对于通用BJT，如果集电极电流Ic = 10 mA，我们可以看到：

TS = 120 ns， TD = 25 ns， TR = 13 ns， TF = 12 ns

这意味着 t（on） = tr + td = 13 ns + 25 ns = 38 ns

t（off） = ts + tf = 120 ns + 12 ns = 132 ns