三极管之开关电路，这篇文章看懂了

三极管不仅可以放大模拟信号，还可以作为控制开关。三极管作为开关处于截止和饱和状态。其基本电路如下图所示:

集电极电阻R1.当三极管上拉电阻时Q输出电压在1截止时上拉至电源VCC(高电平)可以理解为开集（OC）输出结构的上拉电阻可参考文章《电阻(4)以上/下拉电阻》R2.防止输入电压Vi基极电流导致基极电流过大，损坏三极管，下拉电阻R3用于确保三极管在无输入信号(即悬空)时处于截止状态。

有的厂家已经将电阻R2、R3集成到内部，如下图所示(来自)Panasonic内置电阻三极管UNR921xJ系列数据手册：

这个开关电路的基本原理很简单！输入信号时Vi为低电平“L三极管Q1处于截止状态，输出电压Vo集电极电阻R1上拉为电源VCC(高电平)此时三极管Q1相当于断开状态的开关，如下图所示：

当输入信号Vi为高电平“H三极管Q1处于饱和状态，输出电压Vo三极管饱和压降(低电平)Q如下图所示：

这种开关电路主要有两种用途，其中一种是用集电极电阻代替具体负载(如灯泡、电机、电磁阀、继电器、蜂鸣器等)。R这样输入信号Vi高低电平可控制负载是否供电，如下图所示，电灯泡控制开关电路：

当输入为低电平时L三极管Q1是截止日期，所以当输入为高电平时，灯泡两端没有电压。H三极管Q1是饱和的，此时电源VCC应用于电灯泡的两端，如下图所示：

电灯泡是电阻负载(相当于电阻)。如果是感性负载，我们还必须在感性负载的两端反向并联一个二极管，如下图所示:

由于感性负载相当于电感，当三极管从导通变为截止日期时，电感中的电流会突变。如果此时没有电流电路慢慢降低电流，电感两端会产生高反向电势，并联二极管D1用于感性负载续流(防止三极管)Q1被击穿也能保护继电器本身)，因此被称为续流二极管，如下图所示:

假如负载消耗的电流较大，相应的可选择集电极电流较大的三极管或达林顿管，此处不再赘述。

开关电路的另一种用途是作为高速开关，如BUCK变换器中的开关管如下图所示(来自TI电源芯片LM2596数据手册）

模拟下图所示的开关电路(注意输入信号频率为1KHz）：

相关波形如下图所示：

波形似乎还可以！对于理想的开关，我们希望开关的开关/断开状态能够实时响应控制信号。换句话说，开关的响应速度越快越好。然而，如果我们再次模拟信号频率，我们将看到问题。如下图所示，信号频率为1MHz相关输入输出波形：

输出(三极管集电极)的电压不再是方波，主要是因为三极管在导通时储存在一定的电荷(相当于一个充满电的电容CBE），若输入信号Vi由高电平切换为低电平，电容电荷必须通过下图所示的电路释放：

这相当于一个RC这里的R是放电电路R2与R3的并联值，基区内储存的电荷越多，从饱和状态到截止状态的三极管延迟时间越长，对高速开关电路非常不利。

为了优化输出的波形，我们只能尽快消除基区的电荷！我们可以在基极串联电阻R2两端并联一个小电容，当输入为高电平时“H当输入切换为低电平时，电容器的充电极性为左正右负L当基极施加负压至三极管的发射结（加速基区电荷）时，基极串联电阻旁路（减少放电常数），如下图所示：

我们用200pF重新模拟小电容器，如下图所示：

波形如下图所示：

可以看出，输出电压的波形比以前好得多。三极管基极的负压是输入高电平时并联小电容器存储的电压，其值约为-(VIH-VBE)，用于提高开关速度的电容器也被称为加速电容器

我们还可以使用肖特基二极管并联三极管的集电结，如下图所示：

肖特基二极管(又称肖特基势垒二极管)SchottkyBarrier Diode，SBD）与普通二极管略有不同，其单向导通特性不是由P型半导体与N型半导体接触形成的PN它是由金属与半导体接触形成的，其特点是开关速度快，正压降低于普通二极管(0.3～0.4V），也就是说，发射结电压低于三极管。

当输入信号为高电平时H在这种情况下，大多数应该通过肖特基二极管流入基极的电流D1直接到地，所以相对没有添加D1点的电流非常小。换句话说，虽然晶体管处于饱和导通状态，但没有进入深度饱和，因此更容易退出饱和状态（更快），如下图所示：

我们称三极管和肖特基二极管的组合为肖特基钳晶体管（Schottky-clamped transistor, SCT），如下图所示：

这种组合主要用于高速数字逻辑电路，在74系列逻辑电路中也很常见(如下图所示)TI反相器74LS04数据手册：

我们也可以使用射随(共集电极)开关电路来提高开关速度（LM2596内部的开关管相当于射随器)，我们用下图所示的电路进行模拟:

相关波形如下图所示：

从波形可以看出，虽然我们没有加速优化电路，但输出电压相对理想，输出相与输入相位相同。

我们也可以用场效应管作为开关电路，文章《场效应管开关电路》