晶体管的开关特性及其应用

1.开关作用

在数字电路中，晶体管的开关作用如图7-3所示。

图7-3 晶体管的开关作用

晶体管作为开关应用时，通常都采用共发射极接法。当晶体管的基极输入正脉冲时，晶体管导通并进入饱和状态，此时集电极电流较大，集电极与发射极之间电压接近于零，这时的晶体管相当于一个接通的开关，如图7-3b所示。当输入负脉冲时，晶体管截止，晶体管集电极电流接近于零，这时晶体管相当于一个断开的开关，切断了集电极回路，如图7-3c所示。所以，只要在晶体管的基极输入相应的控制信号，就可以使晶体管起到开关使用。

晶体管作为开关使用时，不是处于饱和状态就是处于截止状态，但在截止与饱和状态之间的转换要在极短的时间内经过放大状态。

图7-4 晶体管的开关工作状态

为了使晶体管工作在放大状态，电路的工作点Q应落在输出特性曲线的放大区内，即图7-4中负载线上A～B之间的区域，这时集电极电流I_c和基极电流I_b之间满足I_c=βI_b的关系。在图7-3a电路中，当输入正脉冲信号而且幅值逐渐增大时，晶体管基极电流I_b和集电极电流I_c都随着逐渐增大，而集电极与发射极之间的电压U_ce=E_c-I_cR_c将因I_c的增大而下降。因此，当I_b增大到某一数值时，U_ce已减到很小（此时电路的工作点已相应地从图7-4中的Q点沿负载线移到A点），从而使集电结得不到所需的反向偏置电压。于是，当I_b再继续增大时，I_c便很难增加，集电极电流I_c达到“饱和”，I_c=βI_b的关系不复存在，晶体管失去放大能力，进入饱和工作状态。

在饱和状态下，晶体管集电极与发射极之间的电压降为晶体管的饱和电压降U_ces，这时的集电极电流称为饱和电流I_cs=（E_c-U_ces）/R_c。晶体管的饱和压降很小，NPN型硅管约为0.3V，PNP型锗管约为0.1V。所以，晶体管饱和时，其集电极与发射极之间可近似看成短路，相当于开关闭合一样，而饱和电流。

晶体管处于放大与饱和状态的边缘，称为临界饱和状态。临界饱和状态的基极电流。在某些开关电路中，为了使晶体管可靠地工作在饱和状态，即不致于因为受外界的干扰而引起I_b波动，从而使晶体管退出饱和状态，因此总使基极电流I_b>I_bs以加深饱和深度。I_b超过I_bs越多，则晶体管饱和越深，其饱和压降U_ces越小。

晶体管饱和时，其饱和管压降小于发射结电压降，即U_ce<U_be，因此晶体管在饱和状态下，它的集电结和发射结都处于正向偏置，即U_be>0，U_bc>0。

在图7-3a所示电路中，当输入负脉冲时，由于发射结和集电结都处于反向偏置，所以I_b≈0，I_c≈0，电阻R_c上几乎没有压降，U_ce≈E_c。这一工作状态对应于图7-5中的工作点B，称为晶体管的截止状态。晶体管截止时，集电极与发射极之间相当于断路，即相当于一个断开的开关。

一般情况下，为了使晶体管可靠地截止，在基极和发射极之间加上反向电压，因此晶体管工作在截止状态时，发射结和集电结都处于反向偏置。

晶体管的三种工作状态及其相互转化是分析数字电路的基础。归纳晶体管的三种工作状态如下所述：

（1）放大状态 发射结为正向偏置，对于硅管U_be≈0.5～0.7V，对于锗管U_be≈0.1～0.3V，集电结为反向偏置，I_c=βI_b，U_ce=E_c-I_cR_c。

（2）饱和状态 发射结和集电结都处于正向偏置。基极电流足够大，I_b>I_bs。集电极和发射极之间饱和压降U_ces很小，接近于零。硅管U_ces≈0.3V，锗管U_ces≈-0.1V。

（3）截止状态 发射结和集电结都处于反向偏置。此时I_b≈0，I_c≈0，U_ce≈E_c，对于硅管，当U_be<0.5V，而锗管U_be>-0.1V时，晶体管开始截止。对于硅管，当U_be<0V，锗管U_be>0.1V时，晶体管可靠截止。

2.晶体管的开关时间(www.xing528.com)

晶体管的开关过程和二极管类似，也是管子内部电荷建立和消散的过程。因此，晶体管饱和与截止两种状态的相互转换也需要一定时间来完成。

如图7-5所示，如果输入端输入一个理想的矩形波u_i，则在晶体管集电极电流i_c的波形如图7-5b（2）所示。由输出波形可知，i_c已不是和输入波形一样的理想的矩形波。可以发现晶体管从截止到导通需要经过两个不同的时间过程，即延迟时间t_d和上升时间t_r；晶体管从导通到截止也需要经过两个不同的时间过程，即存储时间t_s和下降时间t_f。

图7-5 晶体管的开关时间

a）电路 b）波形

（1）延迟时间t_d 是指从正脉冲加入到集电极电流i_c上升到0.1I_cs所需的时间。

（2）上升时间t_r 是指集电极电流i_c从0.1I_cs上升到0.9I_cs所需的时间。

（3）存储时间t_s 是指由输入信号下降到U_b1到集电极电流i_c下降到0.9Ics所需的时间。

（4）下降时间t_f 是指集电极电流i_c从0.9I_cs下降到0.1I_cs所需的时间。

通常把晶体管由截止转变为饱和导通所需的时间称为开通时间，用t_on表示，t_on=t_d+t_r。把晶体管由饱和导通转变为截止所需时间称为关断时间，用t_off表示，t_off=t_s+t_f。开通时间与关断时间统称为晶体管的开关时间，一般在几十到几百纳秒之间。

3.利用加速电容缩短开关时间

晶体管的开关时间限制了晶体管的开关速度。为了缩短开关时间，可以利用RC电路对矩形波的变换作用，来提高晶体管的开关速度。

图7-6所示为具有加速电容的开关电路。它在电阻R_b上并联了一个加速电容C_j，其加速原理如下：设电路的输入信号为一个理想的矩形波，当输入信号为正跳变时，由于电容C_j两端电压不能突变，因此开始时如同短路一样，电流很大，即跳变信号立即传送到晶体管的基极输入端，从而向基极注入一个很大的正向基极电流，使晶体管迅速导通并进入饱和状态，从而缩短了开通时间t_on。此后电容C_j继续充电，充电结束时，电容C_j相当于开路，电路进入稳定状态。为使晶体管不致于进入深度饱和，要适当选择R_b。

图7-6 加速电容的作用

a）电路 b）等效电路

当输入信号由正跳变到零时，C_j两端的电压反向加到晶体管的发射结上，形成较大的反向基极电流，它使晶体管存储的载流子加速消散，晶体管迅速截止，从而缩短了关断时间t_off。

加速电容C_j既能提供晶体管由截止到饱和瞬间很大的正向基极电流，又能提供晶体管由饱和到截止瞬间很大的反向基极电流。所以C_j的作用是既加速晶体管的导通过程，又加速晶体管的截止过程，从而提高了晶体管的开关速度。