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三極管不僅可以對模擬信號放大，也可作為控制開關(guān)使用，作為開關(guān)使用的三極管處于截止與飽和狀態(tài)，其基本電路如下圖所示：
其中，集電極電阻R1為上拉電阻，當三極管Q1截止時將輸出電壓上拉至電源VCC（高電平），可以理解為開集（OC）輸出結(jié)構(gòu)的上拉電阻，具體可參考文章《電阻（4）之上/下拉電阻》，基極串聯(lián)電阻R2為限流電阻，防止輸入電壓Vi幅值過高導致基極電流超額而損壞三極管，下拉電阻R3用來確保無輸入信號（即懸空）時三極管處于截止狀態(tài)。 有的廠家已經(jīng)將電阻R2、R3集成到內(nèi)部，如下圖所示（來自Panasonic內(nèi)置電阻三極管UNR921xJ系列數(shù)據(jù)手冊）： 此開關(guān)電路的基本原理很簡單！當輸入信號Vi為低電平“L”時，三極管Q1處于截止狀態(tài)，輸出電壓Vo由集電極電阻R1上拉為電源VCC（高電平），此時三極管Q1相當于一個處于斷開狀態(tài)的開關(guān)，如下圖所示： 當輸入信號Vi為高電平“H”時，三極管Q1處于飽和狀態(tài)，輸出電壓Vo為三極管飽和壓降（低電平），此時三極管Q1相當于一個處于閉合狀態(tài)的開關(guān)，如下圖所示：
這種開關(guān)電路的用法主要有兩種，其中之一就是將具體的負載（如電燈泡、馬達、電磁閥、繼電器、蜂鳴器等等）代替集電極電阻R1，這樣輸入信號Vi高低電平就可以控制負載是否供電，如下圖所示為電燈泡控制開關(guān)電路：
當輸入為低電平“L”時，三極管Q1是截止的，因此電燈泡兩端是沒有電壓的，當輸入為高電平“H”時，三極管Q1是飽和的，此時電源VCC施加到電燈泡兩端，如下圖所示： 電燈泡是阻性負載（相當于一個電阻），如果換成是感性負載，我們還必須在感性負載兩端反向并聯(lián)一個二極管，如下圖所示繼電器應用電路：
因為感性負載相當于一個電感，當三極管由導通變?yōu)榻刂箷r，電感中的電流將會產(chǎn)生突變，如果此時沒有一個電流回路慢慢使電流下降，電感兩端將產(chǎn)生很高的反向電動勢，并聯(lián)的二極管D1即用來為感性負載續(xù)流（防止三極管Q1被擊穿的同時也可以保護繼電器本身），因而稱之為續(xù)流二極管，如下圖所示：
如果負載消耗的電流比較大，相應的可以選擇集電極電流較大的三極管或達林頓管，此處不再贅述。
開關(guān)電路的另一個用法是作為高速開關(guān)，如BUCK變換器中的開關(guān)管，如下圖所示（來自TI電源芯片LM2596數(shù)據(jù)手冊）
我們用下圖所示開關(guān)電路仿真一下（注意輸入信號頻率是1KHz）：
其相關(guān)波形如下圖所示： 波形貌似還可以呀！對于一個理想的開關(guān)，我們希望開關(guān)的通/斷狀態(tài)可以實時響應控制信號，換句話講，開關(guān)的響應速度越快越好，但是如果我們把信號頻率提高再仿真一次，就會看出其中的問題了，下圖所示為信號頻率為1MHz時相關(guān)輸入輸出波形：
輸出（三極管集電極）電壓已經(jīng)完全不再是方波了，這主要是因為三極管處于導通時，基區(qū)內(nèi)儲存有一定的電荷（相當于一個充滿電的電容CBE），如果輸入信號Vi由高電平切換為低電平，電容電荷必須通過如下圖所示回路進行電荷釋放： 這就相當于一個RC放電回路，這里的R為R2與R3的并聯(lián)值，基區(qū)中存儲的電荷越多，則三極管由飽和狀態(tài)切換至截止狀態(tài)需要的延遲時間越長，這對于高速開關(guān)電路是非常不利的。
要優(yōu)化輸出的波形，只能想辦法將基區(qū)的電荷更快的消除！我們可以在基極串聯(lián)電阻R2兩端并聯(lián)一個小電容，當輸入為高電平時“H”時，該電容充電極性為左正右負，而當輸入切換為低電平“L”時，相當于基極施加了一個負壓至三極管的發(fā)射結(jié)（可以加速抵消基區(qū)電荷），同時可以將基極串聯(lián)電阻旁路（相當于減小了放電常數(shù)），如下圖所示：
我們用200pF的小電容重新仿真一下，如下圖所示：
其波形如下圖所示： 可以看到，輸出電壓的波形比之前要好很多，三極管基極出現(xiàn)的負壓就是并聯(lián)小電容在輸入高電平期間所存儲的電壓，其值約為-(VIH-VBE)，這個用來提高開關(guān)速度的電容也稱為加速電容
我們也可以用肖特基二極管并聯(lián)在三極管的集電結(jié)，如下圖所示： 肖特基二極管（也稱肖特基勢壘二極管，Schottky Barrier Diode，SBD）與普通的二極管稍為有所不同，它的單向?qū)ㄌ匦圆皇怯蒔型半導體與N型半導體接觸形成的PN結(jié)決定的，而是金屬與半導體接觸形成的，它的特點是開關(guān)速度快、正向壓降比普通二極管要低（0.3～0.4V），也就是比三極管的發(fā)射結(jié)電壓要低一些。
當輸入信號為高電平“H”時，大部分原本應該全部流入基極的電流通過肖特基二極管D1直接到地了，因此，相對沒有添加D1時的電流非常小，換句話說，盡管晶體管現(xiàn)在處于飽和導通狀態(tài)，但并沒有進入深度飽和，因此要退出飽和狀態(tài)也更加容易（速度更快），如下圖所示： 我們將三極管與肖特基二極管的組合稱為肖特基箝位晶體管（Schottky-clamped transistor , SCT），如下圖所示：
這種組合主要應用在高速數(shù)字邏輯電路中，在74系列邏輯電路中也很常見，如下圖所示（來自TI反相器74LS04數(shù)據(jù)手冊）：
我們也可以使用射隨（共集電極）型開關(guān)電路來提升開關(guān)速度（LM2596內(nèi)部的開關(guān)管就相當于是射隨器），我們用下圖所示電路進行仿真：
其相關(guān)波形如下圖所示： 從波形中可以看到，盡管我們并沒有對電路進行加速優(yōu)化，輸出電壓也比較理想，而且輸出與輸入的相位是相同的。
我們也可以用場效應管作為開關(guān)電路，可以參考文章《場效應管開關(guān)電路》 |
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