晶体管开关电路计算实例(一)
晶体管开关电路计算实例
引言：三极管是电流型元件，利用偏置电阻产生大于0.7v的vbe电压，然后通过控制电流大小，使晶体管工作在不同的区。 因此关于晶体管电路的设计相关计算，基本用电流起手，而不是用电压，这一点要与mos的计算相区别开来。
图2-1：三极管导通时电流流向
1.发射极接地型开关
发射极接地型开关即发射极直连gnd，输出out连接集电极。
图2-2：npn接地型开关
如图2-2所示是npn发射极接地型开关，当in为高电平时，q1导通，out端被r3下拉至gnd为低电平; 当in为低电平时，q1截止，out端通过限流电阻r3连接vdd输出高电平，所以射极跟随器型开关是一个反相开关。 当输入信号电平在0.6v以下时，晶体管处于截止状态，输出电平是vdd，当输入信号电平在0.6v以上时，晶体管处于导通状态，输出基本上是gnd。
为了确保没有输入时晶体管处于截止状态，需要加上使基极处于gnd电位的偏置电阻r2，当输入信号超过0.6v时，晶体管的基极-发射极间的二极管(bjt-1：三极管的三区含义)将处于导通状态，开始有基极电流流过，但这样的状态不能限制电流，基极电流会比较大，所以串入基极限流电阻r1。 (限流电阻r1的值需要根据实际使用来计算得出)
图2-3：pnp接地型开关
如图2-3所示是pnp发射极接地型开关，当in为高电平时，q1截止，out端被r3下拉至gnd为低电平; 当in为低电平时，q1导通，out端连接vdd输出高电平。
为了确保没有输入时晶体管处于截止状态，需要加上使基极处于高电位的偏置电阻r2，当输入信号超过0.6v时，晶体管的基极-发射极间的二极管(bjt-1：三极管的三区含义)将处于导通状态，开始有基极电流流过，但这样的状态不能限制电流，基极电流会比较大，所以串入基极限流电阻r1。
2.设计示例
前提条件：负载电流=5ma(由out端连接的负载所需的电流大小决定)，in端高电平为1.8v，低电平为0v，vdd=3.3v。
设计分析：由于q1不导通时，vdd--->out路径电流为5ma，所以在q1导通时，q1的ic耐受电流最大额定值需要ic>5ma(因为不导通时r3已经限定了流过q1的电流为5ma)。vdd=3.3v加在集电极-发射极之和集电极-基极之间，in=1.8v加在基极-发射极之间。所以应选择集电极-发射极间和集电极-基极间电压最大额定值vceo，vcbo大于vdd，vbeo大于vin的晶体管。即条件汇总为：
vceo>3.3v，vcbo>3.3v，vbe>1.8v，ic>5ma。
依此可以选择通用的小信号晶体管，此处以lrc的型号l2sc4083nwt1g为例：
图2-4：l2sc4083nwt1g最大额定参数
如果能使基极电流达到集电极电流的1/hfe，晶体管将处于导通状态，考虑到温度特性，应该使基极电流稍大，称为过驱动，通常设定为按使用晶体管hfe的最低值计算得到的基极电流的1.5-2倍以上。
r1/r2的计算：
图2-5：l2sc4083nwt1g额定参数
从上图可知l2sc4083nwt1g的hfe最低值为56，条件里面的负载电流为5ma，所以可以控制基极电流ib=5ma/56×1.5(2)=0.13ma-0.18ma，由于基极电位是0.6v，那么r1上产生的压降为1.8-0.6=1.2v，ib取0.2ma，所以r1=1.2v/0.2ma=6kω(忽略流过r2的电流，0.6v时be二极管导通，导通电阻远小于r2，电流大部分流向q1，流向r2的很小)
r2是输入端开路时确保晶体管处于截止状态的电阻，如果r2过大，将容易受噪声电流的干扰，过小则在晶体管处于导通状态时无用电流流过r2，r2可以取值10kω。
3.超β和达林顿连接
超β和达林顿连接是应对需要大负载电流时的设计方法，由于发射极接地型开关的负载电流就是ic，所以基极必须提供大于1/hfe的基极电流，当ic需求为几百ma时，驱动基极的电路(通常为gpio)就可能无法提供足够的基极电流，此时要么采用超β晶体管，即hfe很大的晶体管，要么将两个晶体管达林顿连接，实现hfe1×hfe2， 达到增大hfe的目的。
图2-6：npn型达林顿连接如图2-6是两只npn型达林顿连接，导通时粉丝基极电流ib1流入，驱动q1和q2导通，干路电流ic分为两个蓝色支路到gnd(这样每个晶体管只承担一半的ic电流)。 不导通时，out输出高电平。 图2-7是两只pnp型达林顿连接，对于gpio驱动in端，有效降低了对gpio灌电流的要求。
图2-7：pnp型达林顿连接采用达林顿连接时q1的发射极电流全部变成q2的基极电流，所以总hfe=hfe1×hfe2。 若将l2sc4083nwt1g采用达林顿连接，56×56=3136，那么1ma的基极电流就可以驱动3a的集电极电流。 在计算达林顿连接电路的基极电流时，需要注意两个晶体管导通时，基极-发射极间的压降是2×vbe=1.2v-1.4v。
4.射极跟随器型开关
射极跟随器型开关即输出out连接发射极。
图2-8：npn跟随器型开关
如图2-8是npn跟随器型开关，与发射极接地型开关不同的是，out端是发射极的电位，即in为高电平时，q1导通，out端连接高电平vdd(忽略vce); 当in为低电平时，q1截止，out端被r3下拉至gnd为低电平，所以射极跟随器型开关是一个同相开关，这也就是“跟随”的由来。
图2-9：pnp跟随器型开关
对于pnp跟随器型开关，in为高电平(vdd-vin0.6v)时，q1导通，out端直连gnd为低电平。 (pnp是发射极电位最高，基极要比发射极低0.3v才会导通。 0.3v是锗管的理论值，硅管则为0.7v左右，实际值可能更低。 )
射极跟随器型开关的计算参考发射机接地型开关即可，这里不再过多演算。
5.损耗
晶体管的损耗主要体现在导通状态，处于导通状态时的功率损耗为p损=vce(sat)×ic。 (vcesat：集电极饱和电压)，ic比较大时，需要考虑发热问题。
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图2-1：三极管导通时电流流向
1.发射极接地型开关
发射极接地型开关即发射极直连gnd，输出out连接集电极。
图2-2：npn接地型开关
如图2-2所示是npn发射极接地型开关，当in为高电平时，q1导通，out端被r3下拉至gnd为低电平; 当in为低电平时，q1截止，out端通过限流电阻r3连接vdd输出高电平，所以射极跟随器型开关是一个反相开关。 当输入信号电平在0.6v以下时，晶体管处于截止状态，输出电平是vdd，当输入信号电平在0.6v以上时，晶体管处于导通状态，输出基本上是gnd。
为了确保没有输入时晶体管处于截止状态，需要加上使基极处于gnd电位的偏置电阻r2，当输入信号超过0.6v时，晶体管的基极-发射极间的二极管(bjt-1：三极管的三区含义)将处于导通状态，开始有基极电流流过，但这样的状态不能限制电流，基极电流会比较大，所以串入基极限流电阻r1。 (限流电阻r1的值需要根据实际使用来计算得出)
图2-3：pnp接地型开关
如图2-3所示是pnp发射极接地型开关，当in为高电平时，q1截止，out端被r3下拉至gnd为低电平; 当in为低电平时，q1导通，out端连接vdd输出高电平。
为了确保没有输入时晶体管处于截止状态，需要加上使基极处于高电位的偏置电阻r2，当输入信号超过0.6v时，晶体管的基极-发射极间的二极管(bjt-1：三极管的三区含义)将处于导通状态，开始有基极电流流过，但这样的状态不能限制电流，基极电流会比较大，所以串入基极限流电阻r1。
2.设计示例
前提条件：负载电流=5ma(由out端连接的负载所需的电流大小决定)，in端高电平为1.8v，低电平为0v，vdd=3.3v。
设计分析：由于q1不导通时，vdd--->out路径电流为5ma，所以在q1导通时，q1的ic耐受电流最大额定值需要ic>5ma(因为不导通时r3已经限定了流过q1的电流为5ma)。vdd=3.3v加在集电极-发射极之和集电极-基极之间，in=1.8v加在基极-发射极之间。所以应选择集电极-发射极间和集电极-基极间电压最大额定值vceo，vcbo大于vdd，vbeo大于vin的晶体管。即条件汇总为：
vceo>3.3v，vcbo>3.3v，vbe>1.8v，ic>5ma。
依此可以选择通用的小信号晶体管，此处以lrc的型号l2sc4083nwt1g为例：
图2-4：l2sc4083nwt1g最大额定参数
如果能使基极电流达到集电极电流的1/hfe，晶体管将处于导通状态，考虑到温度特性，应该使基极电流稍大，称为过驱动，通常设定为按使用晶体管hfe的最低值计算得到的基极电流的1.5-2倍以上。
r1/r2的计算：
图2-5：l2sc4083nwt1g额定参数
从上图可知l2sc4083nwt1g的hfe最低值为56，条件里面的负载电流为5ma，所以可以控制基极电流ib=5ma/56×1.5(2)=0.13ma-0.18ma，由于基极电位是0.6v，那么r1上产生的压降为1.8-0.6=1.2v，ib取0.2ma，所以r1=1.2v/0.2ma=6kω(忽略流过r2的电流，0.6v时be二极管导通，导通电阻远小于r2，电流大部分流向q1，流向r2的很小)
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图2-6：npn型达林顿连接如图2-6是两只npn型达林顿连接，导通时粉丝基极电流ib1流入，驱动q1和q2导通，干路电流ic分为两个蓝色支路到gnd(这样每个晶体管只承担一半的ic电流)。 不导通时，out输出高电平。 图2-7是两只pnp型达林顿连接，对于gpio驱动in端，有效降低了对gpio灌电流的要求。
图2-7：pnp型达林顿连接采用达林顿连接时q1的发射极电流全部变成q2的基极电流，所以总hfe=hfe1×hfe2。 若将l2sc4083nwt1g采用达林顿连接，56×56=3136，那么1ma的基极电流就可以驱动3a的集电极电流。 在计算达林顿连接电路的基极电流时，需要注意两个晶体管导通时，基极-发射极间的压降是2×vbe=1.2v-1.4v。
4.射极跟随器型开关
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图2-8：npn跟随器型开关
如图2-8是npn跟随器型开关，与发射极接地型开关不同的是，out端是发射极的电位，即in为高电平时，q1导通，out端连接高电平vdd(忽略vce); 当in为低电平时，q1截止，out端被r3下拉至gnd为低电平，所以射极跟随器型开关是一个同相开关，这也就是“跟随”的由来。
图2-9：pnp跟随器型开关
对于pnp跟随器型开关，in为高电平(vdd-vin0.6v)时，q1导通，out端直连gnd为低电平。 (pnp是发射极电位最高，基极要比发射极低0.3v才会导通。 0.3v是锗管的理论值，硅管则为0.7v左右，实际值可能更低。 )
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5.损耗
晶体管的损耗主要体现在导通状态，处于导通状态时的功率损耗为p损=vce(sat)×ic。 (vcesat：集电极饱和电压)，ic比较大时，需要考虑发热问题。
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