初級模擬電路：3-10 BJT實現開關電路

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1. 基本用法

      用BJT晶體管實現開關功能是經常會用到的實用電路。和邏輯門電路類似，當BJT用於開關電路時，也只工作於飽和區和截止區。

      開關功能的實現電路如下圖所示，負載可以是發光二極體、電動機等等。

圖3-10.01 

      開關電路的工作原理如下：

      • 當v_i輸入0V時，晶體管截止，負載R_L上沒有電流通過；

      • 當v_i輸入高電平時（一般可等於V_CC，也可以定義其他電平值），晶體管導通且進入飽和狀態，負載R_L上有電流通過，並且負載上的電壓約等於V_CC-V_CEsat。

      開關電路的R_B值的設計思路也和前面邏輯門相似，也是根據負載R_L的實際情況，計算出能使晶體管進入飽和區的R_B，然後再代入驗算結果，詳見下例所示：

案例3-10-1：在下麵的開關電路中，V_CC=12V，電動機負載的有效電阻為R_L=5Ω，晶體管的β=100，要求v_i的開啟電壓為5V，試求：（1）能使電路工作的R_B；（2）負載上的電流I_L和負載功耗P_L；（3）晶體管本身的耗損功率。

圖3-10.a1 

解：（1）當晶體管臨界飽和時：

      此時臨界飽和電流I_Csat為：

      然後計算臨界飽和時的I_Bsat值（當處於臨界飽和時，β仍視為100）：

      使此I_Bsat成立的R_Bsat為：

      為使BJT進入更深度的飽和，我們選取R_B為比R_Bsat更小的值，假定選取為100Ω。

驗證：當R_B為100Ω時，I_B為：

      此時電流放大倍數為：

      可知，在此R_B值下，當v_i輸入5V使BJT導通時晶體管確實處於飽和區，原假設正確。

（2）當晶體管飽和時，負載電流I_L為：

      負載上的功耗P_L為：

（3）晶體管上的耗損功率P_D為：

      可以看到，晶體管上的耗損功率P_D和負載功率P_L比起來還是很小的。

（4）補充說明：

      本案例中，負載為電動機，一般對於這種含有電感的負載（電動機、繼電器線圈等），用晶體管直接去關斷比較危險，因為當電感中的電流突變時，電感會產生非常大的感生電動勢，嚴重時可能會超過晶體管的擊穿電壓而使晶體管損壞。

      所以一般的處理方法是在含有電感的負載旁邊並聯一個反向二極體，從而使得當晶體管關斷時，電感中的剩餘電流能夠有迴路泄掉，而不至於突變產生高壓，如下圖所示：

圖3-10.a2 

2. 開關特性

      由於有內部PN結和少數載流子的存在，所以和二極體一樣，BJT晶體管在導通和關斷時也不是瞬間完成的，而是有一定的延遲時間，如下圖所示：

圖3-10.02 

      • td：延遲時間（delay time），當基極輸入變為高電平後，I_C從0上升到目標值的10%所需的時間。

      • tr：上升時間（rise time），I_C從10%上升到90%所需的時間。

      • ton：開啟時間（on time），ton=ts+tr，當I_C從0上升到90%時，我們就可以認為晶體管已基本開啟。

      • ts：存儲時間（storage time），當基極開路或輸入低電平後，I_C從100%下降到90%所需的時間。

      • tf：下降時間（fall time），I_C從90%下降到10%所需的時間。

      • toff：關斷時間（off time），toff=ts+tf，當I_C從100%下降到10%時，我們就可以認為晶體管已基本關斷。

      這些參數在晶體管數據規格書中都會給出，仍以3-8小節的2N4123為例，在規格書的Figure 2中，可讀出這些參數值：

圖3-10.03 

      當I_C=20mA時，在圖中可大致讀出：

      td = 13ns， tr=13ns， ts = 110ns， tf = 11ns

      • 開啟時間為：ton = td + tr = 13ns + 13ns = 26ns

      • 關斷時間為：toff = ts + tf = 100ns + 11ns = 111ns

      在要求不太高的功率開關場合，以上的延遲時間基本也夠用了。另外有一類晶體管稱為開關型晶體管（switching transistor），其開啟和關斷時間要比上面的值再小一個數量級，都只有十幾個納秒（如BSV52等），具體可參看相關數據規格手冊。

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（ end of 3-10）