三极管开关电路的基本原理分析

三极管处于导通状态时有基极电流流过，所以在基区内会积累电子，因此，在这种状态下即使输入信号变成了0V，基区中的电子并不能立即消失(电荷存储效应)，所以三极管应用于开关作用时，如果是应用在高频开关场合，就需要考虑三极管的开关速度了!这期从三极管放大角度，以发射极接地放大电路来分析三极管开关电路的基本原理。

关键词：发射极放大电路;

虽然还没有开始三极管放大电路的讲解，但是这里只引用其放大的作用，并没有对其参数进行分析!

01发射极接地放大电路

1.1、电路结构

图1-1是电压增益(放大倍数)Av=10的发射极接地型放大电路：

图1-1 发射极接地型放大电路结构

1.2、仿真建模

在Multisim软件中搭建仿真电路如图1-2所示：

图1-2 系统仿真电路

图1-2中所用的交流小信号V2内部参数配置如图1-3所示：

图1-3 小信号电源内部参数图

图1-3中设置【电压(RMS)】：1V;【频率(F)】：1000Hz。

1.3、仿真分析

在图1-2中使用双踪示波器XSC1，第一通道测量输入信号【粉色】，第二通道测量输出信号【橙色】。点击仿真运行，示波器波形如图1-4所示：

图1-4 示波器波形图

图1-4所示，输入信号是1KHz、1Vp-p信号的输入波形，这时输出波形没有通过耦合电容取出，而是集电极电位，由于放大倍数Av=10，所以输出应该时10Vp-p，但是由于电源电压以及发射极电阻上电压降的缘故，如图1-4所示，波形的上下部分均被截去了(输出饱和)。

输出波形的上半周被截去的情况时由于输出电平与电源电压相等，所以集电极电阻上没有了电压降，也就是晶体管的集电极-发射极间没有电流流过(集电极电流为零)，此时，晶体管处于截止状态。

相反，输出波形的下半周被截去的情况时因为输出电平处于更接近GND电平的电位(集电极电阻上的电压降非常大)，晶体管的集电极处于最大值，此时，晶体管处于导通状态。

这样的开关电路只要利用输入信号输出波形被限幅就可以实现(使晶体管处于接通/断开状态就可以)，所以可以认为只要放大电路具有非常大的放大倍数，或者加上很大的输入信号就可以。但是这样的开关电路必须使直流的接通/断开状态，所以必须具有一定的放大倍数。

02从放大电路到开关电路

2.1、分析步骤

图1-5是从发射极放大电路演变到开关电路的示意图。

第一步：首先为了获得直流增益(放大倍数)，从图1-5(a)的一般发射极放大电路中去掉输入输出的耦合电容C1、C2得到图1-5(b)的电路。

第二步：为了进一步提高放大倍数，去掉发射极电阻Re，变成图1-5(c)的电路，这样一来，也就没有必要加基极偏置电压。

第三步：当输入信号为0V时，晶体管处于截止状态，所以集电极就没有必要流过无用的电流【空载电流】。因此，图1-5(d)所示去掉偏置用的R1。

图1-5 发射极接地放大电路演变为开关电路

图1-5(e)中电阻R2的由来：

为了确保没有输入信号时晶体管处于截止状态，需要保留使基极处于GND电位的R2;

图1-5(e)中电阻R3的由来：

但是图1-5(d)的电路中如果输入信号超过+0.6V，晶体管基极-发射极间的二极管就会处于导通状态，就会有基极电流流过，也就是说，这样的状态不能限制电流，会有非常大的基极电流流过，因此，图1-5(e)所示还需要插入限制基极电流的电阻R3，这样就可以将发射极接地放大电路变成开关电路。

2.2、仿真验证

按照图1-5(e)中将图1-2所示的发射极接地放大电路改为开关电路，如图1-6所示：

图1-6 开关电路仿真

在输入1KHz、1Vp-p信号时，示波器XSC1测量的输入信号与输出信号波形如图1-7所示：

图1-7 输入信号与输出信号波形

输出端不是完整的方波信号的原因是，输入信号是正弦波形，其从0V-0.6V是连续的，所以基极是有微弱的电流信号的，将输入信号由正弦信号变为方波，其输入波形如1-8所示：

图1-7 方波输入信号

如图1-7所示，将信号变为方波输入后，其输出波形就是很好的方波了，并且是反相的，这点需要注意。

2.3、提高输入信号的频率

如图1-8所示是方波输入的开关电路图：

图1-8 输入频率为100K

其输入信号与输出信号波形如图1-9所示：

如图1-9所示，输入信号频率增加后输出信号就变得延迟，与输入信号就不是同相的了，这是什么原因?