MOS晶體管開關電路設計與理論知識

晶體管開關電路（工作在飽和狀態(tài)）在現(xiàn)代電路設計應用中很常見。經(jīng)典的74LS、74ALS和其他集成電路內(nèi)部使用晶體管開關電路，但它們只有共同的驅動能力。晶體管開關電路分為兩類，一類是經(jīng)典的TTL晶體管開關電路，另一類是MOS管開關電路。本文將介紹晶體管開關電路的知識，包括TTL晶體管開關電路；?蜂鳴器控制電路—被動蜂鳴器；等等。

晶體管開關電路 1.1發(fā)射器接地開關電路 1.2射極跟隨開關電路

II蜂鳴器控制電路-被動蜂鳴器

III IO控制電源開關是使用晶體管和MOS管 3.1通過IO引腳控制電源 3.2兩根3401金屬氧化物半導體管 3.3穩(wěn)壓管和MOS管調壓電路

VI信號電平轉換改進晶體管基本電路 4.2加速電容器

V常見問題

晶體管開關電路

TTL晶體管開關電路按驅動能力分為小信號開關電路和功率開關電路。根據(jù)晶體管的連接方式分為發(fā)射極接地(PNP晶體管發(fā)射極連接到電源)和shooter跟隨開關電路。

1.1發(fā)射器接地開關電路

上面的基本電路與實際設計電路有點遠：由于晶體管基極電荷的積累，有一個從on到off的過渡(當晶體管關斷時，由于R1的存在，基極電荷釋放減慢，因此Ic不會立即歸零)。換句話說，發(fā)射極接地開關電路有關斷時間。不能直接應用于高頻開關。

說明：當晶體管突然導通時(輸入信號突然跳變)，C1瞬間出現(xiàn)短路，從而使晶體管迅速獲得基極電流，從而加速晶體管的傳導。當晶體管突然關斷時(輸入信號突然跳閘)，C1瞬間導通，為基極電荷的放電提供了一條低阻抗的通路，從而加快了晶體管的關斷速度。C值通常是幾十到幾百的趨膚法。電路中的R2是為了確保晶體管在沒有高輸入時保持斷開狀態(tài)。R4是為了確保晶體管在低輸入時保持關閉，R1和R3用于基極電流限制。

說明：由于TVS 二極管Vf比Vbe小0.2到0.4V，所以大部分基極電流從二極管流到晶體管，然后流到晶體管導通時，最后流到地上，因此流向晶體管基極的電流很小，積累的電荷較少。當晶體管關斷時(IN信號突然跳變)，放電電荷變少，關斷動作自然變快。

在實際的電路設計中，我們需要考慮晶體管Vceo、Vcbo滿足的壓力，以及滿足集電極功耗的晶體管。用負載電流和hfe(取最小晶體管hfe來計算)來計算基極電阻(基極電流保持在0.5到1倍的裕度)。注意特殊二極管反向耐壓。

1.2射極跟隨開關電路

射極跟隨器又稱射極跟隨器，是一種典型的負反饋放大器。從晶體管的連接方式來看，它實際上是一個普通的集電極放大器。信號從基極輸入，從發(fā)射極輸出。重新連接到晶體管發(fā)射極的電阻器在電路中起著重要的作用。它就像一面鏡子，反映了輸出和輸入的以下特性。

輸入電壓usr=ube+usc。通常Usc>Ube，忽略Ube，然后usr≈南加州大學。顯然，這意味著輻射極限跟隨器的電壓放大系數(shù)近似等于1，即輸入電壓幅值近似等于輸出電壓幅值。當Usr增大時，ib和ie均增大，發(fā)射極電壓ue(usc)也增大。反之，當Usr減小時，Usc也隨之降低。這表明輸出電壓和輸入電壓是同相的，這是因為不僅輸出電壓等于輸入電壓，而且相位相等。輸出電壓緊隨輸入電壓變化。我們稱這種具有以下特性的電路為“輻射極限跟隨器”。

發(fā)射極跟隨器可以在較小的輸入電流下獲得較大的輸出電流(即(1+β)ib)。因此，它具有電流放大和功率放大的功能。需要區(qū)別的是，普通的多級共射放大電路不放大電流和放大電壓，這與發(fā)射相反。在電視電路中，電視視頻圖像由發(fā)射電路輸出，以保證輸出圖像隨輸入而變化。需要注意的是，一般振幅應達到1.2V左右，RB和RE必須調整。該比率調整輸出交流波形的振幅。

II蜂鳴器控制電路-被動蜂鳴器

當BUZZ接通高壓時，晶體管T1(N型晶體管)接通，蜂鳴器鳴響。R5的角色用于當前限制。

以下電路添加電容器C18和反向二極管D2，以過濾和阻止反向。二極管的反向擊穿電壓很高。一般的低功耗三極管觸發(fā)電壓很低到0.7V。電流也很小，一般小于1UA。

III IO控制電源開關是使用晶體管和MOS管

MOS：FET MOSFET管的一種，可制成增強型或耗盡型，P溝道或N溝道共型。但實際應用中只有增強型N溝道MOS管和增強型P溝道MOS管，即NMOS和PMOS。

對于這兩種增強型MOS管，NMOS是常用的，具有導通電阻低的特點。通常用于開關電源和電動機驅動。條件：

當Vgs大于某個值時，NMOS打開。當Vgs小于某個值時，PMOS打開。開關損耗：

無論是NMOS還是PMOS，傳導后都存在導通電阻，造成不可避免的損耗?，F(xiàn)在MOS晶體管的導通電阻一般是幾十毫歐姆。 MOS管AO3401:P溝道增強型場效應晶體管

導通條件：對于AO3401，一般不超過-12V。以下是不同壓降下的阻抗：

以下是工程應用中的開關控制電路。

3.1通過IO引腳控制電源

3.2兩根3401金屬氧化物半導體管

以下是兩個3401金屬氧化物半導體管，沒有增加開關控制。輸入電壓等于輸入電壓。在這一點上，你可以用兩種方式來供電。如果J5沒有輸入電壓，通過VBUS供電，通過F1輸出5V電壓。以下電路可以用開關代替R10，Q201始終接通，二極管內(nèi)部壓降約為0.5V。

注：兩個晶體管的方向不同，Q200左邊是S，右邊是D。Q201左邊是D，右邊是S。

當J5有電壓時，Q200導通，Q201也滿足導通條件，電壓為0.1V。注意：VBUS右側斷開。

參考文獻	J5電壓	R11	R9	賣方盡職調查	VBUS
J5和VBUS	5.09	0	0.46	5.07	4.6
只有VBU	4.21	0	0.38	4.21	4.51
只有J5	5.09	0	0.46	5.09	4.75

3.3穩(wěn)壓管和MOS管調壓電路

說明：

VCC可以來自左側的VDD5V U控制，也可以來自PC PS2口供給Vpc U IN。VCC采用高電壓的。

原電路：

左側Vpc U IN由PS2電源供電，右側由VCC供電。

當PS2通電時，左邊是5V，右邊是4.5V左右，可以滿足機器的電壓要求，當PS2端口關閉時，機器可以正常工作。

為了降低PS2的電壓降，我決定采用以下電路：

當PS2端口通電時，三管Q412接通，因此Q411接通，VCC接近Vpc U IN。此時機器采用PS2端口電壓(約5V)。未連接PS2時，電流不能從機器流向PS2端口。使用上述參數(shù)測試記錄：

調壓器兩端電壓	A（輸入）	B	C	D（輸出）	E	B電流
3.41	5.14	1.73	0.68	5.13	0	1.05毫安
3.25	4.63	1.38	0.67	4.63	0	0.71毫安
3.1	4.23	1.13	0.66	4.23	0	0.47毫安
2.9	3.8	0.9	0.64	3.8	0	0.26毫安
2.59	3.32	0.73	0.62	3.32	0	0.09毫安
2.34	2.9	0.56	0.5	2.35	2.25	0.05毫安
2.28	2.73	0.45	0.41	2.16	2.15	0.04毫安

最后兩行顯示：

MOS二極管內(nèi)部二極管壓降約為0.6V。

齊納漏電流可以使晶體管導通。PN結可以在0.6V左右打開。

結論：

輸入電壓在3.3V時，晶體管接通，說明R436電阻過大，需要減小。

齊納漏電流隨輸入電壓的增加而增大，但當兩端電壓達到3.9V時，電流應超過1ma。

為了保證5V左右的輸入電壓能使其穩(wěn)定，必須增大電流，減小電阻，當輸入電壓低于4.7V時，必須關閉晶體管。

調壓器兩端電壓	A（輸入）	B	C	輸出（D）	E	B電流
3.94	5.15	1.21	0.69	5.15	0	5.2毫安
3.85	4.9	1.05	0.65	4.9	0	4毫安
3.8	4.76	0.96	0.63	4.76	0	3.3毫安
3.77	4.65	0.88	0.59	4.65	0	2.9毫安
3.76	4.62	0.86	0.58	4.62	0	2.8毫安
3.72	4.48	0.76	0.51	4.03	3.70	2.5毫安
3.64	4.25	0.61	0.41	3.67	3.67	2毫安

最后兩行顯示：

以滿足PS2輸入電壓在[4.6-5V]達到調節(jié)器的效果。然后再把大鍵盤再連接到機器上，當機器關機時，鍵盤就可以正常工作了。當電動工具工作時也能正常工作。檢測到的問題：

質量測試表明終端不能關機。發(fā)現(xiàn)當終端斷電時，Vpc U In仍有電壓。VCC(4.84V)通過Q411，導致Vpc U in處的電壓為4.8V。D405的電壓降在0.3V左右。當Vpc_IN突然斷電時，電源VCC在斷電瞬間，晶體管接通，所有VCC都會注入端子，晶體管始終接通。

PS2電源電壓的范圍不容易確定。也就是說，當終端電壓較大時，電路是正向導通的。同時，Vpc_IN電壓必須小于一定值，以防止晶體管Q412導通。例如：

IRF530特點：一般VG取12-15V，在正負20V之間浮動

上面的電路是錯誤的。Vgs太小。

對于單片PWM驅動的高壓MOS(VGS在飽和導通狀態(tài)下接近10V)，我們應該考慮以下問題：

電平轉換，高電平單片機輸出不超過5V，一般12-15V，所以驅動電路必須具有電平轉換能力。

相位變換，上面所說的MOS是作為一個逆變器，所以根據(jù)負載的相位和單片機的輸出進行相位轉換。如要求MOS輸出MOS導通，則要求驅動電路同相。

開關頻率不同，驅動電路有不同的頻率響應，對于高達1.5M的開關頻率，用簡單的三極管簡單的自騎電路很難滿足要求，基本需要選擇專用的驅動芯片。另外，一般光耦在開關狀態(tài)以上幾十K的頻率下不工作，如果要隔離，6N137型更好的是，有專門的帶光隔離和驅動光耦，1.5米還是達不到。

驅動電流。雖然MOS在靜態(tài)時不消耗驅動功率，但其輸入是電容性的。為了盡快打開開關，降低開關損耗，需要以最快的速度給Cgs充電，因此驅動電路有一個非常重要的參數(shù)峰值驅動電流，如200MA、600MA、1A、2A、4A、6A。

驅動電路的工作電壓，一般最大VGS不能超過20V，所以驅動電路的工作電壓也不應該超過18V，對于上面的電路，需要加一個15V的電壓，當然可以從40V降壓。

DV/DT問題，由于MOS在高DV/DT下容易損壞，電磁干擾會增加。為了解決這些問題，有時需要增加驅動電路輸出的上升/下降時間。一種簡單的方法是在驅動器輸出和G極之間增加一個小電阻。

VI信號電平轉換

4.1改進電路的基本晶體管開關

有時，我們設定的低電壓電平可能無法使晶體管關斷，特別是當輸入電平接近0.6伏時，為了克服這一臨界條件，我們必須采取糾正措施，確保晶體管必須閉合。圖1顯示了針對這兩種情況設計的改進電路。

圖1確保晶體管開關動作正確，兩個電路修改正確

圖1(a)中的電路有一個二極管串聯(lián)在基極和發(fā)射極之間，使得基極電流通電的輸入電壓值提高0.6伏，這樣即使由于信號源0.6伏的故障，Vin值接近該值，晶體管也不會導通，所以開關仍然可以處于關閉狀態(tài)。

圖1(b)中的電路包含一個次級保持電阻器R2，其設計具有適當?shù)腞1、R2和Vin值，以確保開關在臨界輸入電壓下關閉。如圖1(b)所示，在基極發(fā)射極結不導電(IB0)之前，R1和R2形成一個串聯(lián)的分壓器電路，因此R1必須通過一個固定的(隨Vin變化的)電壓?；鶚O電壓必須低于Vin值。即使車輛識別號(Vin)接近閾值(Vin=0.6伏)，基本電壓仍會被連接到負極電源的輔助斷開電阻拉低至0.6伏以下。由于R1、R2和VBB值的精心設計，只要Vin在高范圍內(nèi)，基極仍有足夠的電壓打開晶體管，而不受輔助關斷電阻的影響。

4.2加速電容器

在需要快速開關動作的應用中，必須提高三極管開關的開關速度。圖2是一種常見的方法，這種方法只與加速度電容器上的一個RB電阻并聯(lián)，因此當Vin從零電壓上升并開始向基極發(fā)送電流時，電容器不能瞬時充電，因此此時同樣短路，有一個瞬時的高電流從電容器流向底座，從而加速了開關的傳導。后來，直到充電完成，電容與開路一樣，不影響晶體管的正常工作。

圖2帶加速電容器的電路

一旦輸入電壓從高電平下降到零電壓電平，電容器會在很短的時間內(nèi)將基極發(fā)射極結轉變?yōu)榉聪蚱珘海捎陔娙萜鞯淖蠖艘殉潆姷秸妷?，導致三極管開關迅速關閉，因此輸入電壓下降的那一刻，由于電容器上的電壓不能瞬間改變而保持在一個固定值，因此輸入電壓立即下降使基極電壓降低，使基極發(fā)射極結成為反向偏壓，并迅速關斷晶體管。選擇合適的加速電容可以使三極管開關的開關時間減少到幾十微秒以下，而且大多數(shù)加速電容器都在幾百pF左右。

有時三極管開關的負載并不是直接施加在集電極和電源之間，而是如圖3所示進行連接。這種連接與小信號放大電路非常接近，但缺少一個輸出耦合電容。這個連接和正常連接正好相反。當晶體管處于關閉狀態(tài)時，晶體管處于啟用狀態(tài)。當晶體管接通時，負載被切斷。這兩種電路的形式是相同的，我們必須有清晰的分辨能力。

圖3將負載連接到晶體管電路的改進電路

晶體管開關最常見的應用之一是驅動指示燈，指示燈可以指示電路特定點的工作狀態(tài)，電機控制器是否通電，或某個限位開關通電或數(shù)字電路是否處于高狀態(tài)。

例如圖4(a)顯示了使用晶體管開關的數(shù)字觸發(fā)器的輸出狀態(tài)。如果觸發(fā)器輸出很高(一般為5伏)，晶體管開關被打開，留下指示燈，這樣操作者只要看一眼燈，就可以知道觸發(fā)器電流的工作情況，而不需要用儀表來檢測。

有時信號源(如觸發(fā)器)的輸出電流容量太小，不足以驅動晶體管開關，此時為避免信號源過載和故障，必須采用圖4(b)所示的改進電路，當輸出很高時，首先用晶體管Q1做驅動發(fā)射極電流放大，然后打開Q2并驅動光源，因為發(fā)射極與輸入級的輸入阻抗相當高，所以觸發(fā)器應提供少量的輸入電流，才能得到滿意的工作。

圖4(a)中的數(shù)字顯示電路通常用于數(shù)字顯示器。