【技术】解析三极管的开关特性

时间： 2022-11-23 来源：英锐芯公众号

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很多人在大学的课本上学习的大多数都是三极管的放大特性，其实，在实际的电路设计中，三极管的很多应用场景只是利用三级管的开关特性，我们往往是运用三极管来实现开关电路，做一些电平转化的功能。这是由于两个原因造成的：①由于数字电路的快速发展，模拟电路设计比重越来越小；②运算放大器越来越便宜，各项特性也比分立器件实现的放大电路相对稳定，集成度也高。其实单独把三极管的开关特性弄清楚，只花10%的时间，可能可以解决80%的问题。所以本文单独了解一下“利用三极管设计开关电路”。

严格说起来，三极管与一般的机械接点式开关在动作上并不完全相同，但是三极管却具有一些机械式开关所没有的特点。图1所示，即为三级管电子开关的基本电路图。

由图可知，负载电阻被直接跨接在三极管的集电极与电源之间，而位居三极管主电流的回路上。输入电压V_in则控制三极管开关的断开和闭合动作，当三极管呈断开状态时，负载电流便被阻断；当三极管呈闭合状态时，电流便可以流通。具体的解释就是当V_in为低电压时，由于基极没有电流，因此集电极也没有电流，致使连接于集电极端的负载也没有电流，而相当于开关的断开，此时，三极管处于截止区。同理，当V_in为高电压时，由于有基极电流流动，因此使集电极流过更大的放大电流，因此负载回路便被导通，而相当于开关的闭合，此时三极管仍处于饱和区。

由于对硅三极管而言，其基极的正向偏压值约为0.6V，因此欲使三极管截止，V_in必须低于0.6V，以使三极管的基极电流为零。通常，为了可以更确定三极管必处于截止状态，往往使V_in值低于0.3V。

如图黄色圈圈处，本质就是一个二极管。因为二极管模型比较简单，单纯看基极、发射机之间的电压，理解成为让二极管导通的原理，就容易理解多了。如果想让三极管打开，首先需要让二极管导通，则需要二极管两端的电压大于其导通电压。

当然，输入电压越接近0V越能保证三极管开关必处于截止状态。要将电流传送到负载上，则三极管的集电极与发射极必须短路，就想机械开关的闭合动作一样。如此就必须使V_in达到够高的准位，以驱动三极管使其进入饱和工作区工作，三极管呈饱和状态时，集电极电流相当大，几乎使得整个电源电压VCC均跨在负载电阻上，如此V_CE便接近于0，而使三极管的集电极和发射极几乎呈短路。在理想状态下，根据奥姆定律，三极管呈饱和时，其集电极电流为：

期待饱和，就要让集电极电流达到I_C这个值。我们知道三极管是一个流控电流源：

β和α称为三极管的电流分配系数，其中β值大家比较熟悉，称为电流放大系数。三个电流中，有一个电流发生变化，另外两个电流也会随着按比例变化。例如，基极电流的变化量∆I_b=10μA，β=50，根据∆Ic=β∆I_b的关系式，算出集电极电流的变化量∆Ic=50×10=500μA，实现了电流放大。因此，想要让三极管饱和，则Ic需要足够大，由于在饱和之前，Ic=βI_b，所以基极电流最少为：

上式表出了Ic与I_b之间的基本关系，式中的β值代表三极管的直流电流增益，对某些三极管而言，其交流β值和直流β值之间，有着较大的差异。要使开关闭合，则其V_in值必须够高，以超过或等于上式所要求的最低基极电流值。由于基极回路只是一个电阻和基射极接面的串联电路，故V_in可由下式来求解：

这是V_in至少需要保证大于的值，才能保证三极管进入饱和状态。当然这个电压值越高，越能保证饱和的状态。因为β值有一定的离散型，0.6V也有一定的离散型。

一旦基极电压超过上式所求得的数值，三极管便导通，使全部的供应电压均跨在负载电阻上，而完成了开关的闭合动作。总而言之，三极管设计成图1的电路后，它的作用就和一只与负载相串联的机械式开关一样，而其开启、关闭开关的方式，则可以直接利用输入电压来控制，而无须采用机械式开关所常用的机械引动、螺管柱塞、继电器电枢等控制方式。