晶体管开关电路设计讲解

晶体管开关电路在现在电路设计中十分常见。经典的74LS、74ALS等集成电路内部采用晶体管开关电路，但只有普通的驱动能力。三极管开关电路分为两大类，一类是经典的TTL三极管开关电路，一类是MOS管开关电路。

这里会介绍有关开关电路的知识，包括 TTL晶体管开关电路，蜂鸣器控制电路——无源蜂鸣器等等。

一、晶体管开关电路

TTL 晶体管开关电路按驱动能力分为小信号开关电路和功率开关电路。按三极管连接方式分为发射极地（PNP三极管发射极接电源）和射跟随开关电路。

1 、发射极接地开关电路

发射极接地开关电路

上面的基本电路离实际设计电路有点远：由于三极管基极电荷的积累，存在从开到关的过渡（三极管关断时，由于存在基极电荷释放速度变慢） R1，因此 Ic 不会立即变为零）。也就是说发射极接地开关电路是有关断时间的，它不能直接应用于高频开关。

发射极接地开关电路

工作原理：当三极管突然导通（IN信号突然跳变）时，C1瞬间出现短路，迅速为三极管提供基极电流，从而加速三极管导通。当晶体管突然关闭时（IN 信号突然跳闸），C1 瞬间导通，为释放基极电荷提供低阻抗路径，从而加速晶体管关闭。

C值通常是几十到几百皮法，电路中的R2是保证三极管在没有IN高电平输入时保持关断状态。 R4是保证三极管在没有IN低电平输入时保持关断状态。 R1和R3用于基极限流。

发射极接地开关电路

工作原理：由于TVS 二极管的Vf比Vbe小0.2~0.4V，所以基极电流大部分从二极管流过，然后流向三极管，最后在三极管导通时流向地，所以流向基极的电流晶体管小，积累的电荷少。当三极管关断时（IN信号突然跳变），放电的电荷变少，关断动作自然变快。

发射极接地开关电路

在实际电路设计中，需要考虑三极管Vceo、Vcbo满足压强，三极管满足集电极功耗。使用负载电流和hfe（取晶体管hfe的最小值来计算）来计算基极电阻（基极电流留0.5到1倍的余量）。注意特殊二极管的反向耐压。

2、射极跟随器开关电路

射极跟随器又称射极跟随器，是典型的负反馈放大器。从晶体管的连接方式来看，它实际上是一个普通的集电极放大器。信号从基极输入，从发射极输出。接在三极管发射极上的电阻Re在电路中起着重要的作用。它就像一面镜子，反映输出和输入的以下特征。

输入电压usr=ube+usc。通常Usc>Ube，忽略Ube，则usr≈usc。显然，这意味着发射极限跟随器的电压放大倍数约等于1，即输入电压幅值约等于输出电压幅值。当Usr增加时，ib和ie都增加，发射极电压ue(usc)也增加。相反，当 Usr 减小时，Usc 也减小。这表明输出电压与输入电压同相，正是因为不仅输出电压等于输入电压，而且同相。输出电压紧随输入电压而变化。我们称这种具有以下特点的电路为“辐射极限跟随器”。

射极跟随器可以用很小的输入电流得到很大的输出电流（即=（1+β）ib）。因此，它具有电流放大和功率放大的作用。需要区分的是，普通的多级共发射极放大电路不放大电流，放大电压，与发射相反。

二、蜂鸣器控制电路——无源蜂鸣器

当 BUZZ 为高电压时，三极管T1（N型三极管）导通，蜂鸣器发声。 R5的作用是用于限流。

蜂鸣器控制电路

三、 IO 控制电源开关打开-使用三极管和MOS管

MOS：FET MOSFET管的一种，可制成增强型或耗尽型、P沟道或N沟道共型。但实际应用只有增强型N沟道MOS管和增强型P沟道MOS管，即NMOS和PMOS。

对于这两种增强型MOS管，常用的是NMOS，特点是导通电阻低。通常应用于开关电源和电机驱动。

导通条件：当 Vgs 大于某个值时，NMOS 导通。当 Vgs 小于某个值时，PMOS 导通。

开关损耗：不管是NMOS还是PMOS，导通后都有导通电阻，造成不可避免的损耗。而现在的MOS管导通电阻一般都是几十毫欧。

MOS管AO3401：P沟道增强型场效应管

MOS管AO3401

导通条件：一般不超过-12V即可为AO3401。以下是不同压降下的阻抗：

mos管不同压降下的阻抗

下面是工程应用中的开关控制电路。

1、通过 IO管脚控制电源--两只3401 MOS管

下面是两只3401 MOS管，没有加开关控制。刚上电后，VDD 等于输入电压。此时，你可以通过两种方式供电。如果J5没有输入电压，由VBUS供电，通过F1输出5V电压。下面的电路可以用一个开关代替R10，Q201一直导通，内部二极管压降0.5V左右。

注意：两个三极管的方向不同，Q200左边是S，右边是D。 Q201左边是D，右边是S。

当J5有电压时，Q200导通，Q201也满足导通条件，电压为0.1V。

IO 控制电源开关打开

注意：VBUS 右侧断开。

电压参考

2、稳压管和MOS管稳压电路

工作原理：VCC可以来自左侧VDD5V_Control，也可以来自PC PS2口供电的Vpc_IN。 VCC采用电压高的。

稳压管和MOS管稳压电路

原电路：

稳压管和MOS管稳压电路

左侧Vpc_IN由PS2供电，右侧由VCC供电。 PS2通电时，左边是5V，右边是4.5V左右，可以满足机器的电压要求，当PS2口关闭时，机器可以正常工作。

为了减小PS2的压降，可以决定采用如下电路：

稳压管和MOS管稳压电路

当PS2口上电时，三管Q412导通，Q411导通，VCC接近Vpc_IN。此时机器采用PS2口电压（5V左右）。当 PS2 未连接时，电流无法从机器流向 PS2 端口。

使用以上参数测试记录：

1最后两行显示：MOS二极管内部二极管压降约为0.6V，齐纳漏电流可使晶体管导通。 PN结在0.6V左右即可导通。

结论：输入电压在3.3V，三极管导通，说明R436阻值太大，需要减小。齐纳漏电流随着输入电压的增加而增加，但当两端电压达到3.9V时，电流应超过1mA。

为了保证输入电压在5V左右能稳定下来，必须加大电流，减小电阻，当输入电压低于4.7V时，必须关断三极管。

参数记录表格

最后两行显示：满足PS2输入电压在[4.6-5V]达到稳压的效果。再将大键盘与机器相连，当机器断电时，键盘可以正常工作。电动工具工作时也能正常工作。

检测到的问题：质量测试表明终端不能关机。发现终端断电后，Vpc_In处仍有电压。 VCC (4.84V) 通过 Q411，在 Vpc_In 产生 4.8V 的电压。而D405的压降为0.3V左右。当Vpc_IN突然断电时，电源VCC在断电的瞬间，三极管导通，所有的VCC都会灌入端子，三极管一直导通。

PS2供电电压的范围不容易确定。即当端电压较大时，电路为正向导通。同时，Vpc_IN电压必须小于一定值，以防止晶体管Q412导通。

例如：IRF530特点：一般VGS取12-15V，正负20V间浮动。

稳压管和MOS管稳压电路

但上面是错误的，因为Vgs 太小。

对于单片机PWM驱动高压MOS（饱和导通状态下VGS接近10V），需要考虑以下问题：

电平转换：高电平单片机输出不超过5V，一般12-15V，所以驱动电路必须具备电平转换能力。

相位转换：上面说的MOS是作为逆变器，所以根据负载的相位和单片机输出进行相位转换。如要求MOS输出MOS导通，则要求驱动电路同相。

开关频率：不同的驱动电路有不同的频率响应，对于高达1.5M的开关频率，用简单的三极管简单的自骑电路很难满足要求，基本需要选择专用的驱动IC。还有，一般的光耦是不能工作在开关态以上几十K的频率的，如果要隔离，6N137好一些，有专门带光隔离和驱动光耦的，1.5M还是达不到。

驱动电流：MOS虽然静态时不消耗驱动功率，但输入是容性的。为了尽快导通开关，降低开关损耗，需要以最快的速度给Cgs充电，所以驱动电路有一个很重要的参数Peak drive current，如200MA，600MA，1A， 2A、4A、6A。

驱动电路的工作电压：一般最大VGS不能超过20V，所以驱动电路的工作电压也不要超过18V，上面的电路需要加15V的电压，当然可以从 40V 降压。

DV/DT问题：电磁干扰会增加，因为MOS在高DV/DT下容易损坏。为了解决这些问题，有时需要增加驱动电路输出的上升/下降时间。一种简单的方法是在驱动器输出和 G 极之间添加一个小电阻。

四、信号电平转换

1、改进电路的基本晶体管开关

有时，我们设置的低电平可能无法使晶体管关断，尤其是当输入电平接近 0.6 V 时。为了克服这个临界条件，必须采取纠正措施以确保晶体管必须关闭。下图给出了针对这两种情况设计的改进电路。

保证三极管开关动作，正确的二次修改电路

上图左边的电路：在基极和发射极之间串联了一个二极管，使使基极电流导通的输入电压值升高 0.6 V，这样即使 Vin 的值接近由于信号源故障值0.6V，晶体管不会导通，因此开关仍可处于关断状态。

上图右边的电路：包含一个次级释抑电阻 R2，该电阻设计有适当的 R1、R2 和 Vin 值，以确保开关在临界输入电压下关断。如上图所示，R1和R2在基极发射结未导通（IB0）之前构成串联分压电路，因此R1必须通过一个固定（随Vin变化）的电压。并且基极电压必须低于Vin值。即使 Vin 接近阈值（Vin = 0.6 伏），基极电压仍会被连接到负电源的辅助关断电阻拉低至 0.6 伏以下。由于 R1、R2 和 VBB 值的精心设计，只要 Vin 处于高范围内，基极仍将有足够的电压开启晶体管，而不受辅助关断电阻的影响。

2、加速电容

1）在加速电容上并联了一个RB电阻

在需要快速开关动作的应用中，必须提高三极管开关的开关速度。下图是一种常见的方法，这种方法只是在加速电容上并联了一个RB电阻，所以当Vin从零电压上升并开始向基极送电流时，电容不能瞬时充电，所以同样短路但是，此时有瞬时大电流从电容流向基极，从而加快了开关管的导通。后来一直到充电完成，电容就跟开路一样，不影响三极管的正常工作。

带加速电容的电路

一旦输入电压从高电平下降到零电压电平，电容在极短的时间内将基极发射结变为反向偏压，由于电容左端的作用，导致三极管开关迅速关断充电到正电压，所以在输入电压下降的瞬间，电容两端的电压不会瞬间改变，会保持在一个固定值，所以输入电压立即下降使基极电压下降，使基极发射结变为反向偏压，迅速关断三极管。正确选择加速电容可将三极管开关的开关时间缩短到几个微秒以下，而大多数加速电容都在数百个PF的顺序上。

2）与小信号放大电路很接近，只是少了一个输出耦合电容。

有时三极管开关的负载不是直接加在集电极和电源之间，而是下图所示的接法。这种接法与小信号放大电路很接近，只是少了一个输出耦合电容。这种连接与正常连接正好相反。当晶体管关闭时，负载被启用。当晶体管导通时，负载被切断。这两种电路的形式很常见，我们必须要有明确的解析能力。