脉冲电路 - 晶体管作为开关

通过驱动晶体管处于饱和状态或截止状态，将其用作电子开关。这两个状态之间的区域是线性区域。晶体管在此区域内作为线性放大器工作。饱和和截止状态在这方面是重要的考虑因素。

晶体管的开和关状态

晶体管的工作主要有两个区域，我们可以将其视为开和关状态。它们是饱和状态和截止状态。让我们看看晶体管在这两种状态下的行为。

截止状态下的工作

下图显示处于截止区域的晶体管。

当晶体管的基极施加负电压时，晶体管进入截止状态。没有集电极电流。因此 I_C = 0。

施加在集电极上的电压 V_CC 出现在集电极电阻 R_C 上。因此，

V_CE = V_CC

饱和区域的工作

下图显示处于饱和区域的晶体管。

当基极电压为正且晶体管进入饱和状态时，I_C 流过 R_C。

然后 V_CC 降落在 R_C 上。输出将为零。

$$I_C = I_{C(sat)} \: = \: \frac{V_{CC}}{R_C} \: and \: V_{CE} = 0$$

实际上，这是理想情况。实际上，会流过一些漏电流。因此，我们可以理解，通过对基极施加正负电压将其驱动到饱和和截止区域时，晶体管可以作为开关工作。

下图给出了更好的解释。

观察连接 I_C 和 V_CC 的直流负载线。如果晶体管被驱动到饱和状态，I_C 完全流过，V_CE = 0，由点A表示。

如果晶体管被驱动到截止状态，I_C 将为零，V_CE = V_CC，由点 B 表示。连接饱和点 A 和截止点 B 的线称为负载线。由于此处施加的电压是直流电压，因此称为直流负载线。

实际考虑因素

尽管上述条件都令人信服，但要获得这种结果，存在一些实际限制。

在截止状态期间

理想晶体管具有 V_CE = V_CC 和 I_C = 0。

但在实践中，会有少量漏电流流过集电极。

因此 I_C 将为几 μA。

这被称为集电极漏电流，当然可以忽略不计。

在饱和状态期间

理想晶体管具有 V_CE = 0 和 I_C = I_C(sat)。

但在实践中，V_CE 会降低到某个称为膝电压的值。

当 V_CE 低于膝电压时，β 会急剧下降。

由于 I_C = βI_B，这会降低集电极电流。

因此，保持 V_CE 在膝电压下的最大电流 I_C 称为饱和集电极电流。

饱和集电极电流 = $I_{C(sat)} \: = \: \frac{V_{CC} - V_{knee}}{R_C}$

仅为了使其用于开关目的而制造的晶体管称为开关晶体管。它在饱和区或截止区工作。在饱和状态下，集电极饱和电流流过负载，而在截止状态下，集电极漏电流流过负载。

晶体管的开关动作

晶体管有三个工作区域。为了了解操作效率，需要考虑实际损耗。因此，让我们尝试了解晶体管作为开关的效率如何。

在截止（关）状态期间

基极电流 I_B = 0

集电极电流 I_C = I_CEO（集电极漏电流）

功率损耗 = 输出电压 × 输出电流

$$= V_{CC} \times I_{CEO}$$

由于 I_CEO 很小，V_CC 也很低，因此损耗将非常低。因此，晶体管在关断状态下可以作为高效开关工作。

在饱和（开）状态期间

如前所述，

$$I_{C(sat)} = \frac{V_{CC} - V_{knee}}{R_C}$$

输出电压为V_knee。

功率损耗 = 输出电压 × 输出电流

$$= \:V_{knee} \times I_{c(sat)}$$

由于 V_knee 的值很小，因此损耗很低。因此，晶体管在开状态下可以作为高效开关工作。

在放大区

晶体管位于开和关状态之间。晶体管作为线性放大器工作，其中输入电流的小变化会导致输出电流的大变化 (ΔI_C)。

开关时间

开关晶体管的输入为脉冲，输出为具有少量变化的脉冲。关于开关输出脉冲的时间，有一些术语您应该了解。让我们来了解一下它们。

设输入脉冲持续时间 = T

当施加输入脉冲时，由于杂散电容，集电极电流需要一些时间才能达到稳态值。下图解释了这个概念。

从上图可以看出，

时间延迟 (t_d) - 集电极电流从其初始值达到其最终值的 10% 所用的时间称为时间延迟。
上升时间 (t_r) - 集电极电流从其初始值的 10% 到达其最终值的 90% 所用的时间称为上升时间。
导通时间 (T_ON) - 时间延迟 (t_d) 和上升时间 (t_r) 的总和称为导通时间。

T_ON = t_d + t_r
存储时间 (t_s) - 输入脉冲后沿到输出最大值的 90% 之间的时间间隔称为存储时间。
下降时间 (t_f) - 集电极电流从其最大值的 90% 到达其初始值的 10% 所用的时间称为下降时间。
关断时间 (T_OFF) - 存储时间 (t_s) 和下降时间 (t_f) 的总和定义为关断时间。

T_OFF = t_s + t_f
脉冲宽度 (W) - 在上升和下降波形的两个 50% 电平之间测量的输出脉冲持续时间定义为脉冲宽度。

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