数字电子技术基础（二十一）——双极型三极管的开关特性

1 半导体三极管的开关特性

1.1 双极性三极管的开关特性

1.2 双极型三极管的基本开关电路

1.3 三极管的开关等效电路

1.4 双极型三极管的动态开关特性

TTL门电路是一种基于双极型晶体管的数字逻辑电路，在20世纪60年代到80年代之间，TTL门电路是应用最为广泛的时代，但随着时代的发展，TTL门电路的应用逐渐减少。

1 半导体三极管的开关特性

1.1 双极性三极管的开关特性

双极型三极管（BJT，Bipolar Junction Transistor）是一种电流控制的三端半导体器件，广泛应用于放大开关电路。双极性三极管是一种电流控制型半导体器件，具有显著的电流放大能力。双极性三极管由三个掺杂不同的半导体区域组成，形成两个PN结。按照结构分类可以分为P-N-P型三极管和N-P-N三极管。如下所示：

常见的三极管如下所示：

（图片来源于三极管1）

（图片来源于三极管2）

（图片来源于三极管3）

双极型三极管的输出特性曲线如下所示,其中 $V_{ON}$ 是开启电压：

不同材料的 $V_{ON}$ 的开启电压可能不一样，其中硅的开启电压约为0.5~0.7V，锗管的开启电压约为0.2~0.3V。

在上图中可以近似认为，当 $V_{BE}<V_{ON}$ , $i_B=0$ ；当 $V_{BE}>V_{ON}$ 时， $i_B$ 的大小由电路中电压和电阻的大小决定，公式为 $i_B=\frac{V_{BB}-V_{BE}}{R_b}$ 。

1.2 双极型三极管的基本开关电路

如下图所示为双极型三极管的基本开关电路：

由电路输出回路中的KVL方程得： $V_O=V_{CC}-I_CR_C$ ，其中，各个符号所表示的意义为：

$V_{CC}$ ——直流电压源；
$I_C$ ——集电极电流；
$V_O$ ——电路输出电压

如下图所示：

再上图中截距表示集电极电流的最大值。即由 $V_O=V_{CC}-I_CR_C$ 公式得，当输出电压接近于0时，此时集电极电流为 $\frac{V_{CC}}{R_C}$ 。

在TTL电路中，放大区是指电路中的晶体管工作在放大状态，能够对输入信号进行线性放大。

有下图所示：

调节基级偏置电阻 $R_B$ 的阻值，可以使得基极偏置电流 $I_B$ 足够大，即由公式 $V_O=V_{CC}-I_CR_C$ 可得，可以推出 $I_{CS}\approx \frac{V_{CC}}{R_C}$ ,电路的输出随着集电极电流的增加而下降，即 $I_B\geqslant \frac{I_{GS}}{\beta _s}$ ，从而使得晶体管中的Je、Jc处于正偏状态，晶体管工作再可靠的饱和区。如下图所示：

在上图中TTL门电路的特征曲线中，分别为饱和区、戒指去和放大去。每个区域都有不同的特征：

在截止区， $V_{BE}=0$ , $i_B=0$ , $i_C=0$ ,c-e间“断开”。
放大区： $V_{CE}>0.7V$ , $i_B>0$ , $i_C$ 随着 $i_B$ 成正比变化， $\Delta i_C=B\Delta i_B$ 。
饱和区：条件 $V_{CE}<0.7V$ , $i_B>0$ ，此时 $V_{CE}$ 很低， $\Delta i_C$ 随着 $\Delta i_B$ 的增加变缓，趋于饱和。

饱和区工作的晶体管集电极C和发射级E之间的电位差非常小，相当于受高电平输入信号控制的开关处于闭合状态，电路输出为0V压降。示意图如下所示：

模拟电路一般工作在放大区，而数字电路一般工作在饱和区和截止区。在晶体的输出特性曲线中基极电流在 $I_B=0A$ 以下的区域为截止区。那么如何工作在截止区呢？

让晶体管发射结处于反偏或者零偏时，发射区不会像基区发射电子，从而基极电流为0，电路输出为0，此时集电极对应的收入也很小。对应的公式为： $U_O=V_{CC}-I_CR_C=>I_C=0$ 。电路的输出电流为0，相当于在截止区工作的晶体管好比是受到了低电平输出信号控制的开关处于断开状态。如下图所示：