基本的晶體管開關(guān)電路

飽和開關(guān)的問(wèn)題點(diǎn)：關(guān)斷延時(shí)時(shí)間

如圖1所示，使場(chǎng)效應(yīng)晶體管開關(guān)動(dòng)作時(shí)，加給晶體管的基極電流IB：

IB=IC/hFE。

晶體管飽和動(dòng)作時(shí)，如圖2所示，基極電流IB，即使為0，晶體管也不能立即關(guān)斷，集電極電流在積蓄(strage)時(shí)間tstg+上升時(shí)間tr，之后才變?yōu)?(toff=tstg=tr)。

圖1 基本的晶體管開關(guān)電路

圖2 為使開關(guān)高速，減小toff很重要

用于OFF晶體管的時(shí)間差。toff比用于ON的時(shí)間ton要長(zhǎng)，而且根據(jù)驅(qū)動(dòng)基極的條件變化很大，這在高速開關(guān)電路中必需注意。

BE間的電阻還有個(gè)很重要的作用，那就是泄放PN結(jié)電容存儲(chǔ)的點(diǎn)荷，使晶體管很快地從飽和區(qū)進(jìn)入截止區(qū)，在高頻或晶體管頻率太低時(shí)，這電阻尤為重要，對(duì)輸出上升沿影響很大（假定是反相用法），電阻應(yīng)該減?。徽嬲母哳l電路中甚至小到幾十歐。要加個(gè)東西，使邊沿陡峭點(diǎn)，那就再輸出端加個(gè)門作緩沖器吧。

在基極限流電阻旁并一小電容，能加速三極管的開關(guān)動(dòng)作。

另把集電極電阻減小，能顯著加速輸出的上升速度。

改變基極的兩個(gè)電阻阻值，在特定條件下也有一定的效果。

集電極電阻取小主要是考慮電容負(fù)載的問(wèn)題

根據(jù)內(nèi)阻,要調(diào)整參數(shù)

有肖特基箝位

無(wú)肖特基箝位

電容加速

從上面的討論可否得出這樣的結(jié)論:

要提高輸出脈沖的前后沿速度,就要加大激勵(lì)信號(hào),又要避免晶體管深飽和造成存儲(chǔ)延遲,于是:

1.用電容加速,只在前后沿加大激勵(lì),即提高了沿的速度,又不至深飽和
2.整個(gè)脈沖大激勵(lì),提高沿的速度,用肖特基箝位來(lái)避免深飽和。

就上面的電路參數(shù)仿真看,電容對(duì)沿的加速作用似乎更明顯。

1、加速電容構(gòu)成微分電路，利用電容兩端電壓不能突變的特性讓輸入瞬間的變化量直接引入到三極管基極，用過(guò)沖加快三極管的狀態(tài)變化。等過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后又回歸到兩個(gè)電阻的直流分壓，所以電容不影響飽和深度。

2、在基-集間加二極管箝位，可避免深飽和，給三極管節(jié)省了從深飽和退出的時(shí)間，使整個(gè)導(dǎo)通→截止的變化曲線平移提前了。

即使不用二極管箝位，根據(jù)輸入電平適當(dāng)計(jì)算兩個(gè)基極電阻的比值，也能避免三極管深飽和。

下面這個(gè)電路中，高速開關(guān)二極管（1N4148）與電阻R1的作用是當(dāng)晶體管截止時(shí)，

為反向基極電流提供一個(gè)低阻抗的通路。這個(gè)為“開關(guān)”關(guān)的動(dòng)作提供了盡可能快的支持，因?yàn)樗杆僮岆姾蓮娜龢O管的pn勢(shì)壘電容里釋放掉。

脈沖電路中最常用的反相器電路

就拿脈沖電路中最常用的反相器電路（圖 1 ）來(lái)說(shuō)，從電路形式上看，它和放大電路中的共發(fā)射極電路很相似。

在放大電路中，基極電阻 Rb2 是接到正電源上以取得基極偏壓；而這個(gè)電路中，為了保證電路可靠地截止，

Rb2 是接到一個(gè)負(fù)電源上的，而且 Rb1 和 Rb2 的數(shù)值是按晶體管能可靠地進(jìn)入飽和區(qū)或止區(qū)的要求計(jì)算出來(lái)的。

不僅如此，為了使晶體管開關(guān)速度更快，在基極上還加有加速電容 C ，在脈前沿產(chǎn)生正向尖脈沖可使晶體管快速進(jìn)入導(dǎo)通并飽和；在脈沖后沿產(chǎn)生負(fù)向尖脈沖使晶體管快速進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。

除了射極輸出器是個(gè)特例，脈沖電路中的晶體管都是工作在開關(guān)狀態(tài)的，這是一個(gè)特點(diǎn)。

脈沖電路的另一個(gè)特點(diǎn)是一定有電容器（用電感較少）作關(guān)鍵元件，脈沖的產(chǎn)生、波形的變換都離不開電容器的充放電。

箝位器

能把脈沖電壓維持在某個(gè)數(shù)值上而使波形保持不變的電路稱為箝位器。它也是整形電路的一種。

例如電視信號(hào)在傳輸過(guò)會(huì)造成失真，為了使脈沖波形恢復(fù)原樣，接收機(jī)里就要用箝位電路把波形頂部箝制在某個(gè)固定電平上。

圖 8 中反相器輸出端上就有一個(gè)箝位二極管 VD 。

如果沒(méi)有這個(gè)二極管，輸出脈沖高電平應(yīng)該是 12 伏，現(xiàn)在增加了箝位二極管，輸出脈沖高電平被箝制在 3 伏上。

加速電容(speed-up capacitors)

在要求快速切換動(dòng)作的應(yīng)用中，必須加快三極管開關(guān)的切換速度。

下圖為一種常見(jiàn)的方式，此方法只須在Rb電阻上并聯(lián)一只加速電容，如此當(dāng)Vin由0電壓往上升并開始送電流至基極時(shí)，

電容器由于無(wú)法瞬間充電，故形同短路，然而此時(shí)卻有瞬間的大電流由電容器流向基極，因此也就加快了開關(guān)導(dǎo)通的速度。

稍后，待充電完畢后，電容就形同開路，而不影響三極管的正常工作。

加速電路及其波形

加速電容器C和三極管輸入電阻R組成微分電路。

在輸入信號(hào)正跳變時(shí)，可提供比無(wú)加速電容大得多的正向基極電流，使三極管很快達(dá)到飽和，見(jiàn)圖。

在輸入信號(hào)下跳時(shí)，又可提供很大的反向基極電流，使基區(qū)存儲(chǔ)的電荷消散，三極管迅速進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。

電容加速電路

電容加速電路也是經(jīng)常在設(shè)計(jì)中用到的一種實(shí)用電路。如圖1所示：

這是在脈沖放大器電路中的一種的應(yīng)用。其中的三極管VT1是工作在開關(guān)狀態(tài)下。

開頭提到的所謂加速，就是加快響應(yīng)速度，加快對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)速度。

從圖1中的三極管VT1來(lái)看，就是要求三極管在截止，飽和兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換速度越快越好。

那么圖1中的電路是如何起到加速作用呢？

為了做一個(gè)比較與便于理解，先簡(jiǎn)單分析沒(méi)有加入加速電容之前的電路，如圖2所示。

在圖2中，當(dāng)輸入U(xiǎn)i是矩形脈沖信號(hào)加到VT1基極時(shí)，

若Ui為高，VT1飽和導(dǎo)通，若Ui為低，VT1截止。

在接入C1后，如圖1所示，其可等效成如圖3所示的微分電路：

此時(shí)還是加入同樣的輸入信號(hào)Ui：

當(dāng)Ui從低 —>高時(shí)，由于微分電路的作用，使加到基極的電壓出現(xiàn)一個(gè)尖頂脈沖，使基極的電流很大，從而加快了VT1從截止進(jìn)入導(dǎo)通的速度，縮短了時(shí)間。

在t0之后，對(duì)C1的充電很快就結(jié)束，這時(shí)Ui加到基極的電壓較小，維持VT1導(dǎo)通。

當(dāng)Ui從高 —>低時(shí)，即t1時(shí)刻，由于C1上原先的電壓極性為左正右負(fù)，這一電壓加到基極為負(fù)頂脈沖，加快了從基區(qū)抽出電荷，使VT1以更快的速度從飽和轉(zhuǎn)換到截止，縮短了VT1的截止時(shí)間。

上述的Ui和Uo的波形如圖4所示，直觀反映了電容加速電路的工作原理。

1．分析加速電容電路三要點(diǎn)

分析這一電路工作原理首先要搞清楚下列三個(gè)方面的問(wèn)題，才能做到有的放矢：

(1)脈沖放大器中的三極管工作在開關(guān)狀態(tài)下，即一種工作狀態(tài)是飽和，另一種是截止。

要求三極管從截止、飽和兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的速度愈快愈好，加速電容電路就是用來(lái)加速這種轉(zhuǎn)換的電路，了解這一點(diǎn)對(duì)理解加速電容電路工作原理有益。

(2)了解微分電路工作原理。

(3)掌握電容兩端不能突變的特性，這對(duì)分析加速電容的工作原理非常重要。掌握電容充電和放電特性，加速電容在工作過(guò)程中就是充電和放電的過(guò)程。

2．利用微分電路分析加速電容電路的方法

電路分析的基本方法和思路是：

當(dāng)輸入電壓Ui是一個(gè)矩形脈沖信號(hào)，它是加到三極管VT1基極的電壓，當(dāng)Ui為高>電平時(shí)給三極管VT1正向偏置電壓而使之飽和導(dǎo)通，當(dāng)Ui為低電平時(shí)給VT1管反向偏置電壓而使之狀態(tài)。

接入加速電容C1之后的電路工作原理

從電路中可以看出，加速如圖14所示是脈沖放大器電路。
電路中，VT1是三極管，構(gòu)成脈沖放大管，C1并聯(lián)在R1上，C1是加速電容。

C1的作用是加快VT1管導(dǎo)通和截止的轉(zhuǎn)換速度，所以稱為加速電容，許多電路的名稱是根據(jù)電路所起作用而來(lái)的。

從電路中可以看出，加速電容Cl與三極管VT1的輸入電阻Ri構(gòu)成微分電路，如下圖所示等效電路和波形示意圖。

根據(jù)微分電路的有關(guān)特性可知，當(dāng)輸入信號(hào)電壓Ui從OV跳變到高電平時(shí)，由于電容c1和Ri微分電路的作用，

使加到VTl管基極的電壓出現(xiàn)一個(gè)尖頂脈沖，見(jiàn)輸出電壓UO波形所示，在t0時(shí)刻這一尖頂脈沖使VT1管基極電流很大，

這樣VT1管迅速?gòu)慕刂範(fàn)顟B(tài)進(jìn)入飽和狀態(tài)，加速了VT1管的飽和導(dǎo)通，縮短了VT1管飽和導(dǎo)通時(shí)間。

在t0之后，對(duì)Cl的充電很快結(jié)束，這時(shí)輸入信號(hào)電壓Ui加到VT1管基極的電壓比較小，維持VT1管的飽和導(dǎo)通狀態(tài)。

當(dāng)輸入信號(hào)電壓Ui從高電平突然跳變到OV時(shí)，即t1時(shí)刻，由于C1上原先充到的電壓極性為左+右一，見(jiàn)圖中所示，這一電壓加到VT1管基極電壓，

為負(fù)尖項(xiàng)脈沖，由于加到VT1管基極的電壓為負(fù)，加快了VT1管從基區(qū)抽出電荷，使VT1管以更快的速度迅速?gòu)娘柡蜖顟B(tài)轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)，縮短了VT1管截止時(shí)間。

3．電路分析方法提示

(1)加速電容電路主要出現(xiàn)在電子開關(guān)電路或脈沖放大器電路中，對(duì)于音頻放大器電路不用這種電路。在脈沖放大器中的輸入信號(hào)為脈沖信號(hào)。

(2)通過(guò)對(duì)電路分析可知，由于接入電容C1，使VT1管以更快的迅速進(jìn)入飽和狀態(tài)，

同樣也是以更快的迅速進(jìn)入截止，可見(jiàn)電容C1具有加速VT1管工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換的作用，所以將C1稱為加速電容。

審核編輯 ：李倩