晶體管開關(guān)電路計算實例

引言：三極管是電流型元件，利用偏置電阻產(chǎn)生大于0.7V的Vbe電壓，然后通過控制電流大小，使晶體管工作在不同的區(qū)。 因此關(guān)于晶體管電路的設(shè)計相關(guān)計算，基本用電流起手，而不是用電壓，這一點要與MOS的計算相區(qū)別開來。

圖2-1：三極管導(dǎo)通時電流流向

1.發(fā)射極接地型開關(guān)

發(fā)射極接地型開關(guān)即發(fā)射極直連GND，輸出out連接集電極。

圖2-2：NPN接地型開關(guān)

如圖2-2所示是NPN發(fā)射極接地型開關(guān)，當(dāng)in為高電平時，Q1導(dǎo)通，out端被R3下拉至GND為低電平; 當(dāng)in為低電平時，Q1截止，out端通過限流電阻R3連接VDD輸出高電平，所以射極跟隨器型開關(guān)是一個反相開關(guān)。 當(dāng)輸入信號電平在0.6V以下時，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出電平是VDD，當(dāng)輸入信號電平在0.6V以上時，晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出基本上是GND。

為了確保沒有輸入時晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，需要加上使基極處于GND電位的偏置電阻R2，當(dāng)輸入信號超過0.6V時，晶體管的基極-發(fā)射極間的二極管(BJT-1：三極管的三區(qū)含義)將處于導(dǎo)通狀態(tài)，開始有基極電流流過，但這樣的狀態(tài)不能限制電流，基極電流會比較大，所以串入基極限流電阻R1。 (限流電阻R1的值需要根據(jù)實際使用來計算得出)

圖2-3：PNP接地型開關(guān)

如圖2-3所示是PNP發(fā)射極接地型開關(guān)，當(dāng)in為高電平時，Q1截止，out端被R3下拉至GND為低電平; 當(dāng)in為低電平時，Q1導(dǎo)通，out端連接VDD輸出高電平。

為了確保沒有輸入時晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，需要加上使基極處于高電位的偏置電阻R2，當(dāng)輸入信號超過0.6V時，晶體管的基極-發(fā)射極間的二極管(BJT-1：三極管的三區(qū)含義)將處于導(dǎo)通狀態(tài)，開始有基極電流流過，但這樣的狀態(tài)不能限制電流，基極電流會比較大，所以串入基極限流電阻R1。

2.設(shè)計示例

前提條件：負(fù)載電流=5mA(由out端連接的負(fù)載所需的電流大小決定)，in端高電平為1.8V，低電平為0V，VDD=3.3V。

設(shè)計分析：由于Q1不導(dǎo)通時，VDD--->OUT路徑電流為5mA，所以在Q1導(dǎo)通時，Q1的Ic耐受電流最大額定值需要Ic>5mA(因為不導(dǎo)通時R3已經(jīng)限定了流過Q1的電流為5mA)。VDD=3.3V加在集電極-發(fā)射極之和集電極-基極之間，in=1.8V加在基極-發(fā)射極之間。所以應(yīng)選擇集電極-發(fā)射極間和集電極-基極間電壓最大額定值Vceo，Vcbo大于VDD，Vbeo大于Vin的晶體管。即條件匯總為：

Vceo>3.3V，Vcbo>3.3V，Vbe>1.8V，Ic>5mA。

依此可以選擇通用的小信號晶體管，此處以LRC的型號L2SC4083NWT1G為例：

圖2-4：L2SC4083NWT1G最大額定參數(shù)

如果能使基極電流達(dá)到集電極電流的1/hFE，晶體管將處于導(dǎo)通狀態(tài)，考慮到溫度特性，應(yīng)該使基極電流稍大，稱為過驅(qū)動，通常設(shè)定為按使用晶體管hFE的最低值計算得到的基極電流的1.5-2倍以上。

R1/R2的計算：

圖2-5：L2SC4083NWT1G額定參數(shù)

從上圖可知L2SC4083NWT1G的hfe最低值為56，條件里面的負(fù)載電流為5mA，所以可以控制基極電流Ib=5mA/56×1.5(2)=0.13mA-0.18mA，由于基極電位是0.6V，那么R1上產(chǎn)生的壓降為1.8-0.6=1.2V，Ib取0.2mA，所以R1=1.2V/0.2mA=6kΩ(忽略流過R2的電流，0.6V時be二極管導(dǎo)通，導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)小于R2，電流大部分流向Q1，流向R2的很小)

R2是輸入端開路時確保晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)的電阻，如果R2過大，將容易受噪聲電流的干擾，過小則在晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時無用電流流過R2，R2可以取值10kΩ。

3.超β和達(dá)林頓連接

超β和達(dá)林頓連接是應(yīng)對需要大負(fù)載電流時的設(shè)計方法，由于發(fā)射極接地型開關(guān)的負(fù)載電流就是Ic，所以基極必須提供大于1/hfe的基極電流，當(dāng)Ic需求為幾百mA時，驅(qū)動基極的電路(通常為GPIO)就可能無法提供足夠的基極電流，此時要么采用超β晶體管，即hfe很大的晶體管，要么將兩個晶體管達(dá)林頓連接，實現(xiàn)hfe1×hfe2， 達(dá)到增大hfe的目的。

圖2-6：NPN型達(dá)林頓連接如圖2-6是兩只NPN型達(dá)林頓連接，導(dǎo)通時粉絲基極電流Ib1流入，驅(qū)動Q1和Q2導(dǎo)通，干路電流Ic分為兩個藍(lán)色支路到GND(這樣每個晶體管只承擔(dān)一半的Ic電流)。 不導(dǎo)通時，out輸出高電平。 圖2-7是兩只PNP型達(dá)林頓連接，對于GPIO驅(qū)動in端，有效降低了對GPIO灌電流的要求。

圖2-7：PNP型達(dá)林頓連接采用達(dá)林頓連接時Q1的發(fā)射極電流全部變成Q2的基極電流，所以總hfe=hfe1×hfe2。 若將L2SC4083NWT1G采用達(dá)林頓連接，56×56=3136，那么1mA的基極電流就可以驅(qū)動3A的集電極電流。 在計算達(dá)林頓連接電路的基極電流時，需要注意兩個晶體管導(dǎo)通時，基極-發(fā)射極間的壓降是2×Vbe=1.2V-1.4V。

4.射極跟隨器型開關(guān)

射極跟隨器型開關(guān)即輸出out連接發(fā)射極。

圖2-8：NPN跟隨器型開關(guān)

如圖2-8是NPN跟隨器型開關(guān)，與發(fā)射極接地型開關(guān)不同的是，out端是發(fā)射極的電位，即in為高電平時，Q1導(dǎo)通，out端連接高電平VDD(忽略Vce); 當(dāng)in為低電平時，Q1截止，out端被R3下拉至GND為低電平，所以射極跟隨器型開關(guān)是一個同相開關(guān)，這也就是“跟隨”的由來。

圖2-9：PNP跟隨器型開關(guān)

對于PNP跟隨器型開關(guān)，in為高電平(VDD-Vin<0.6V)時，Q1截止，out端通過R3連接到VDD高電平; 當(dāng)in為低電平(VDD-Vin>0.6V)時，Q1導(dǎo)通，out端直連GND為低電平。 (PNP是發(fā)射極電位最高，基極要比發(fā)射極低0.3V才會導(dǎo)通。 0.3V是鍺管的理論值，硅管則為0.7V左右，實際值可能更低。 )

射極跟隨器型開關(guān)的計算參考發(fā)射機接地型開關(guān)即可，這里不再過多演算。

5.損耗

晶體管的損耗主要體現(xiàn)在導(dǎo)通狀態(tài)，處于導(dǎo)通狀態(tài)時的功率損耗為P損=Vce(sat)×Ic。 (Vcesat：集電極飽和電壓)，Ic比較大時，需要考慮發(fā)熱問題。