晶體管開關電路設計講解

晶體管開關電路在現在電路設計中十分常見。經典的74LS、74ALS等集成電路內部采用晶體管開關電路，但只有普通的驅動能力。三極管開關電路分為兩大類，一類是經典的TTL三極管開關電路，一類是MOS管開關電路。

這里會介紹有關開關電路的知識，包括 TTL晶體管開關電路，蜂鳴器控制電路——無源蜂鳴器等等。

一、晶體管開關電路

TTL 晶體管開關電路按驅動能力分為小信號開關電路和功率開關電路。按三極管連接方式分為發射極地（PNP三極管發射極接電源）和射跟隨開關電路。

1 、發射極接地開關電路

發射極接地開關電路

上面的基本電路離實際設計電路有點遠：由于三極管基極電荷的積累，存在從開到關的過渡（三極管關斷時，由于存在基極電荷釋放速度變慢） R1，因此 Ic 不會立即變為零）。也就是說發射極接地開關電路是有關斷時間的，它不能直接應用于高頻開關。

發射極接地開關電路

工作原理：當三極管突然導通（IN信號突然跳變）時，C1瞬間出現短路，迅速為三極管提供基極電流，從而加速三極管導通。當晶體管突然關閉時（IN 信號突然跳閘），C1 瞬間導通，為釋放基極電荷提供低阻抗路徑，從而加速晶體管關閉。

C值通常是幾十到幾百皮法，電路中的R2是保證三極管在沒有IN高電平輸入時保持關斷狀態。 R4是保證三極管在沒有IN低電平輸入時保持關斷狀態。 R1和R3用于基極限流。

發射極接地開關電路

工作原理：由于TVS 二極管的Vf比Vbe小0.2~0.4V，所以基極電流大部分從二極管流過，然后流向三極管，最后在三極管導通時流向地，所以流向基極的電流晶體管小，積累的電荷少。當三極管關斷時（IN信號突然跳變），放電的電荷變少，關斷動作自然變快。

發射極接地開關電路

在實際電路設計中，需要考慮三極管Vceo、Vcbo滿足壓強，三極管滿足集電極功耗。使用負載電流和hfe（取晶體管hfe的最小值來計算）來計算基極電阻（基極電流留0.5到1倍的余量）。注意特殊二極管的反向耐壓。

2、射極跟隨器開關電路

射極跟隨器又稱射極跟隨器，是典型的負反饋放大器。從晶體管的連接方式來看，它實際上是一個普通的集電極放大器。信號從基極輸入，從發射極輸出。接在三極管發射極上的電阻Re在電路中起著重要的作用。它就像一面鏡子，反映輸出和輸入的以下特征。

輸入電壓usr=ube+usc。通常Usc>Ube，忽略Ube，則usr≈usc。顯然，這意味著發射極限跟隨器的電壓放大倍數約等于1，即輸入電壓幅值約等于輸出電壓幅值。當Usr增加時，ib和ie都增加，發射極電壓ue(usc)也增加。相反，當 Usr 減小時，Usc 也減小。這表明輸出電壓與輸入電壓同相，正是因為不僅輸出電壓等于輸入電壓，而且同相。輸出電壓緊隨輸入電壓而變化。我們稱這種具有以下特點的電路為“輻射極限跟隨器”。

射極跟隨器可以用很小的輸入電流得到很大的輸出電流（即=（1+β）ib）。因此，它具有電流放大和功率放大的作用。需要區分的是，普通的多級共發射極放大電路不放大電流，放大電壓，與發射相反。

二、蜂鳴器控制電路——無源蜂鳴器

當 BUZZ 為高電壓時，三極管T1（N型三極管）導通，蜂鳴器發聲。 R5的作用是用于限流。

蜂鳴器控制電路

三、 IO 控制電源開關打開-使用三極管和MOS管

MOS：FET MOSFET管的一種，可制成增強型或耗盡型、P溝道或N溝道共型。但實際應用只有增強型N溝道MOS管和增強型P溝道MOS管，即NMOS和PMOS。

對于這兩種增強型MOS管，常用的是NMOS，特點是導通電阻低。通常應用于開關電源和電機驅動。

導通條件：當 Vgs 大于某個值時，NMOS 導通。當 Vgs 小于某個值時，PMOS 導通。

開關損耗：不管是NMOS還是PMOS，導通后都有導通電阻，造成不可避免的損耗。而現在的MOS管導通電阻一般都是幾十毫歐。

MOS管AO3401：P溝道增強型場效應管

MOS管AO3401

導通條件：一般不超過-12V即可為AO3401。以下是不同壓降下的阻抗：

mos管不同壓降下的阻抗

下面是工程應用中的開關控制電路。

1、通過 IO管腳控制電源--兩只3401 MOS管

下面是兩只3401 MOS管，沒有加開關控制。剛上電后，VDD 等于輸入電壓。此時，你可以通過兩種方式供電。如果J5沒有輸入電壓，由VBUS供電，通過F1輸出5V電壓。下面的電路可以用一個開關代替R10，Q201一直導通，內部二極管壓降0.5V左右。

注意：兩個三極管的方向不同，Q200左邊是S，右邊是D。 Q201左邊是D，右邊是S。

當J5有電壓時，Q200導通，Q201也滿足導通條件，電壓為0.1V。

IO 控制電源開關打開

注意：VBUS 右側斷開。

電壓參考

2、穩壓管和MOS管穩壓電路

工作原理：VCC可以來自左側VDD5V_Control，也可以來自PC PS2口供電的Vpc_IN。 VCC采用電壓高的。

穩壓管和MOS管穩壓電路

原電路：

穩壓管和MOS管穩壓電路

左側Vpc_IN由PS2供電，右側由VCC供電。 PS2通電時，左邊是5V，右邊是4.5V左右，可以滿足機器的電壓要求，當PS2口關閉時，機器可以正常工作。

為了減小PS2的壓降，可以決定采用如下電路：

穩壓管和MOS管穩壓電路

當PS2口上電時，三管Q412導通，Q411導通，VCC接近Vpc_IN。此時機器采用PS2口電壓（5V左右）。當 PS2 未連接時，電流無法從機器流向 PS2 端口。

使用以上參數測試記錄：

1最后兩行顯示：MOS二極管內部二極管壓降約為0.6V，齊納漏電流可使晶體管導通。 PN結在0.6V左右即可導通。

結論：輸入電壓在3.3V，三極管導通，說明R436阻值太大，需要減小。齊納漏電流隨著輸入電壓的增加而增加，但當兩端電壓達到3.9V時，電流應超過1mA。

為了保證輸入電壓在5V左右能穩定下來，必須加大電流，減小電阻，當輸入電壓低于4.7V時，必須關斷三極管。

參數記錄表格

最后兩行顯示：滿足PS2輸入電壓在[4.6-5V]達到穩壓的效果。再將大鍵盤與機器相連，當機器斷電時，鍵盤可以正常工作。電動工具工作時也能正常工作。

檢測到的問題：質量測試表明終端不能關機。發現終端斷電后，Vpc_In處仍有電壓。 VCC (4.84V) 通過 Q411，在 Vpc_In 產生 4.8V 的電壓。而D405的壓降為0.3V左右。當Vpc_IN突然斷電時，電源VCC在斷電的瞬間，三極管導通，所有的VCC都會灌入端子，三極管一直導通。

PS2供電電壓的范圍不容易確定。即當端電壓較大時，電路為正向導通。同時，Vpc_IN電壓必須小于一定值，以防止晶體管Q412導通。

例如：IRF530特點：一般VGS取12-15V，正負20V間浮動。

穩壓管和MOS管穩壓電路

但上面是錯誤的，因為Vgs 太小。

對于單片機PWM驅動高壓MOS（飽和導通狀態下VGS接近10V），需要考慮以下問題：

電平轉換：高電平單片機輸出不超過5V，一般12-15V，所以驅動電路必須具備電平轉換能力。

相位轉換：上面說的MOS是作為逆變器，所以根據負載的相位和單片機輸出進行相位轉換。如要求MOS輸出MOS導通，則要求驅動電路同相。

開關頻率：不同的驅動電路有不同的頻率響應，對于高達1.5M的開關頻率，用簡單的三極管簡單的自騎電路很難滿足要求，基本需要選擇專用的驅動IC。還有，一般的光耦是不能工作在開關態以上幾十K的頻率的，如果要隔離，6N137好一些，有專門帶光隔離和驅動光耦的，1.5M還是達不到。

驅動電流：MOS雖然靜態時不消耗驅動功率，但輸入是容性的。為了盡快導通開關，降低開關損耗，需要以最快的速度給Cgs充電，所以驅動電路有一個很重要的參數Peak drive current，如200MA，600MA，1A， 2A、4A、6A。

驅動電路的工作電壓：一般最大VGS不能超過20V，所以驅動電路的工作電壓也不要超過18V，上面的電路需要加15V的電壓，當然可以從 40V 降壓。

DV/DT問題：電磁干擾會增加，因為MOS在高DV/DT下容易損壞。為了解決這些問題，有時需要增加驅動電路輸出的上升/下降時間。一種簡單的方法是在驅動器輸出和 G 極之間添加一個小電阻。

四、信號電平轉換

1、改進電路的基本晶體管開關

有時，我們設置的低電平可能無法使晶體管關斷，尤其是當輸入電平接近 0.6 V 時。為了克服這個臨界條件，必須采取糾正措施以確保晶體管必須關閉。下圖給出了針對這兩種情況設計的改進電路。

保證三極管開關動作，正確的二次修改電路

上圖左邊的電路：在基極和發射極之間串聯了一個二極管，使使基極電流導通的輸入電壓值升高 0.6 V，這樣即使 Vin 的值接近由于信號源故障值0.6V，晶體管不會導通，因此開關仍可處于關斷狀態。

上圖右邊的電路：包含一個次級釋抑電阻 R2，該電阻設計有適當的 R1、R2 和 Vin 值，以確保開關在臨界輸入電壓下關斷。如上圖所示，R1和R2在基極發射結未導通（IB0）之前構成串聯分壓電路，因此R1必須通過一個固定（隨Vin變化）的電壓。并且基極電壓必須低于Vin值。即使 Vin 接近閾值（Vin = 0.6 伏），基極電壓仍會被連接到負電源的輔助關斷電阻拉低至 0.6 伏以下。由于 R1、R2 和 VBB 值的精心設計，只要 Vin 處于高范圍內，基極仍將有足夠的電壓開啟晶體管，而不受輔助關斷電阻的影響。

2、加速電容

1）在加速電容上并聯了一個RB電阻

在需要快速開關動作的應用中，必須提高三極管開關的開關速度。下圖是一種常見的方法，這種方法只是在加速電容上并聯了一個RB電阻，所以當Vin從零電壓上升并開始向基極送電流時，電容不能瞬時充電，所以同樣短路但是，此時有瞬時大電流從電容流向基極，從而加快了開關管的導通。后來一直到充電完成，電容就跟開路一樣，不影響三極管的正常工作。

帶加速電容的電路

一旦輸入電壓從高電平下降到零電壓電平，電容在極短的時間內將基極發射結變為反向偏壓，由于電容左端的作用，導致三極管開關迅速關斷充電到正電壓，所以在輸入電壓下降的瞬間，電容兩端的電壓不會瞬間改變，會保持在一個固定值，所以輸入電壓立即下降使基極電壓下降，使基極發射結變為反向偏壓，迅速關斷三極管。正確選擇加速電容可將三極管開關的開關時間縮短到幾個微秒以下，而大多數加速電容都在數百個PF的順序上。

2）與小信號放大電路很接近，只是少了一個輸出耦合電容。

有時三極管開關的負載不是直接加在集電極和電源之間，而是下圖所示的接法。這種接法與小信號放大電路很接近，只是少了一個輸出耦合電容。這種連接與正常連接正好相反。當晶體管關閉時，負載被啟用。當晶體管導通時，負載被切斷。這兩種電路的形式很常見，我們必須要有明確的解析能力。