晶体管作为开关的计算

虽然晶体管(bjt)广泛用于制造放大电路，但它们也可以有效地用于开关应用。

晶体管开关是一种电路，在这种电路中，晶体管的集电极以相对较大的电流开启/关闭，以响应其基极发射极对应的低开关电流开启/关闭信号。

作为示例，如下BJT配置可以作为交换机使用对计算机逻辑电路的输入信号进行反相处理。

在这里，你可以发现输出电压Vc是相反的电位应用到整个基极/发射器的晶体管。

此外，基极不与任何固定的直流电源相连接，这与功放基电路不同。集电极有一个直流电源，与系统的供电电平相对应，例如在本计算机应用案例中为5v和0v。

我们将讨论如何设计这种电压反转，以确保操作点沿负载线从截止点正确切换到饱和状态，如下图所示:

对于目前的情况，在上图中，我们假设IC = ICEO = 0 mA，而IB = 0 uA(在加强施工策略方面，这是一个很好的近似)。另外，我们假设VCE = VCE(sat) = 0 V，而不是通常的0.1到0.3 V水平。

现在，在Vi = 5 V时，BJT将打开，设计必须确保配置高度饱和，可能高于接近饱和水平时与IB曲线相关的值。

从上图可以看出，这种情况要求IB大于50 uA。

计算饱和水平

所示电路的集电极饱和电平可以用公式计算:

IC(sat) = Vcc / Rc

在饱和水平之前的有源区域的基极电流的大小可以使用公式计算:

IB(max)≅IC(sat) / βdc ----------

这意味着，要实现饱和水平，必须满足以下条件:

IB > IC(sat) / IC(sat) / βdc,方程2

在上面讨论的图中，当Vi = 5 V时，可以用以下方法计算得到的IB水平:

如果我们用这些结果来检验方程2，我们得到:

这似乎完全满足了要求的条件。毫无疑问，任何高于60 uA的IB值都可以通过高度靠近垂直轴的载重线的q点进入。

现在，参照第一张图所示的BJT网络，当Vi = 0 V, IB = 0 uA，并且假设IC = ICEO = 0 mA，在RC上发生的压降将根据公式:

VRC = icrc = 0 v。

这就得到了上面第一张图的VC = + 5v。

除了计算机逻辑开关应用，这种BJT配置也可以像交换机一样使用相同的负载线的极端点。

当饱和发生时，电流IC趋于很高，相应的电压VCE下降到最低点。

这就产生了一个横跨两个端子的电阻水平，如下图所示，并使用以下公式计算:

R(sat) = VCE(sat) / IC(sat)，如下图所示。

假设上述公式中VCE(sat)的典型平均值为0.15 V，则得到:

这个横跨集电极发射极端头的电阻值与BJT集电极端头的千欧姆串联电阻相比显得相当小。

现在，当输入Vi = 0 V时，BJT开关将被切断，导致集电极发射器的电阻为:

R(截止)= Vcc / ICEO = 5v / 0 mA =∞Ω

这导致了集电极和发射极两端的开路情况。如果我们考虑ICEO的典型值为10 uA，则截止电阻的值如下:

切断= Vcc / ICEO = 5v / 10ua = 500k Ω

这个值看起来很大，相当于大多数BJT配置中的开路开关。

一个实例的求解

假设ICmax = 10mA，计算与下面的逆变器配置类似的晶体管开关的RB和RC值

集电极饱和度的表示公式为:

ICsat = Vcc / Rc

在rt中有10 mA = 10 V / Rc

在rt中，有10 V / 10 mA = 1 kΩ

同样，在饱和点

IB≅IC(sat) / βdc = 10 mA / 250 = 40 μA

为了保证饱和，我们选择IB = 60 μA，并使用公式

IB = Vi - 0.7 V / RB，得到

RB = 10v - 0.7 V / 60 μA = 155 kΩ，

将上面的结果四舍五入到150kΩ，再对上面的公式求值，得到:

IB = Vi - 0.7 V / RB

= 10 V - 0.7 V / 150 kΩ = 62 μA，

因为IB = 62 μA>ICsat / βdc = 40 μA

这确认了我们必须使用RB = 150 kΩ

计算开关晶体管

你会发现被称为开关晶体管的特殊晶体管，因为它们从一个电压电平切换到另一个电压电平的速度很快。

下图比较了用ts、td、tr和tf表示的时间段与设备的集电极电流。

时间周期对集电极速度响应的影响由集电极电流响应定义，如下图所示:

晶体管从“关”状态切换到“开”状态所需的总时间用符号表示为t(开)，可以由公式确定:

T (on) = tr + td

这里td识别延迟发生时，输入开关信号是改变状态和晶体管输出是响应变化。tr时间表示最终切换延迟从10%到90%。

bJt从打开的ON状态到关闭状态所花费的总时间表示为t(OFF)，用公式表示:

T (off) = ts + tf

Ts确定存储时间，而tf确定原始值的90%到10%的下降时间。

根据上图，对于一般用途BJT，如果集电极电流Ic = 10 mA，我们可以看到:

Ts = 120纳，td = 25纳，tr = 13纳，tf = 12纳

这意味着t(on) = tr + td = 13纳斯+ 25纳斯= 38纳斯

T (off) = ts + tf = 120 ns + 12 ns = 132 ns