双极性三极管开关特性.docx

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双极性三极管开关特性

双极性三极管开关特性

晶体三极管工作于截止区时，内阻很大，相当于开关断开状态；工作于饱和区时，内阻很低，相当于开关接通状态。

三极管开关电路如图2.2.2（a）示。

输入控制信号

为矩形电压脉冲，电源电压

输出信号为

三极管开关电路输入输出波形如图2.2.2（b）。

下实例中

为12V的开关控制信号，

为单片机可接收的TTL信号，为了与输入控制信号一致，加入反相器74LS14。

Transistors

ATransistorisasolid-statedevicedesignedtocontrolDCcurrent.TransistorsaremostcommonlyfoundinlowDCpoweredsensorsastheoutputswitch.Therearetwotypesoftransistors-NPNandPNP.

ThefigurebelowshowsaNPN（CurrentSink）OpenCollectorTransistor

Figure1:

SensorNPNOutput

OutputStyle

Dependingonmodel,incrementalencodersareavailablewithseveraldifferentelectricaloutputstyles.Choiceofsignaldependsonreceivinginstrumentandcabledistance.Linedriveroutputswithcomplimentaryoutputscanbeusedwithlongercablesasnoisespikescanbecancelled.

NPN

UsesanNPNtypetransistorandaninternalresistorpullinguptothepowersupplyrail. Theoutputisanactivevoltage.

NPNOpenCollector

UsesanNPNtypetransistorbutwithoutaninternalpullupresistortothesupplyrail.Theoutputispassivesoaseparatepowersupplycanbeused.

PNP

UsesaPNPtypetransistorandaninternalresistorpullingdowntozerovolts.

PNPOpenCollector

UsesaPNPtypetransistorbutwithoutaninternalpulldownresistortozerovolts.

PushPull

AproblemwithNPNandPNPtypeoutputsisthehighoutputimpedance.Thiscanbesolvedbyacomplementaryoutputallowingbetterswitchingtozeroandpositivesupplyrails.

LineDriver

Thisoutputstylehastwocomplimentaryoutputsperchannelallowingbettertransmissioninnoisyenvironmentsandlongcablelengths.Thereceivercanprocessthesignal,eliminatingnoisespikes.

PTCprotection

ApositivetemperaturecoefficientresistorcanbeaddedtotheoutputofaNPNorPNPencoder,protectingitfromoutputshortcircuits.

Sinking/Sourcing

Sinkingsensorsallowcurrenttoflowintothesensortothevoltagecommon,whilesourcingsensorsallowcurrenttoflowoutofthesensorfromapositivesource.Forbothofthesemethodstheemphasisisoncurrentflow,notvoltage.Byusingcurrentflow,insteadofvoltage,manyoftheelectricalnoiseproblemsarereduced.

Whendiscussingsourcingandsinkingwearereferringtotheoutputofthesensorthatisactinglikeaswitch.Infacttheoutputofthesensorisnormallyatransistor,thatwillactlikeaswitch（withsomevoltageloss）.APNPtransistorisusedforthesourcingoutput,andanNPNtransistorisusedforthesinkinginput.WhendiscussingthesesensorsthetermsourcingisofteninterchangedwithPNP,andsinkingwithNPN.AsimplifiedexampleofasinkingoutputsensorisshowninSeeASimplifiedNPN/SinkingSensor.Thesensorwillhavesomepartthatdealswithdetection,thisisontheleft.Thesensorneedsavoltagesupplytooperate,soavoltagesupplyisneededforthesensor.Ifthesensorhasdetectedsomephenomenonthenitwilltriggertheactiveline.TheactivelineisdirectlyconnectedtoanNPNtransistor.（Note:

foranNPNtransistorthearrowalwayspointsawayfromthecenter.）Ifthevoltagetothetransistorontheactivelineis0V,thenthetransistorwillnotallowcurrenttoflowintothesensor.Ifthevoltageontheactivelinebecomeslarger（say12V）thenthetransistorwillswitchonandallowcurrenttoflowintothesensortothecommon.

ASimplifiedNPN/SinkingSensor

Sourcingsensorsarethecomplementtosinkingsensors.ThesourcingsensorsuseaPNPtransistor,asshowninSeeASimplifiedSourcing/PNPSensor.（Note:

PNPtransistorsarealwaysdrawnwiththearrowpointingtothecenter.）WhenthesensorisinactivetheactivelinestaysattheV+value,andthetransistorstaysswitchedoff.Whenthesensorbecomesactivetheactivelinewillbemade0V,andthetransistorwillallowcurrenttoflowoutofthesensor.

ASimplifiedSourcing/PNPSensor

MostNPN/PNPsensorsarecapableofhandlingcurrentsuptoafewamps,andtheycanbeusedtoswitchloadsdirectly.（Note:

alwayscheckthedocumentationforratedvoltagesandcurrents.）AnexampleusingsourcingandsinkingsensorstocontrollightsisshowninSeeDirectControlUsingNPN/PNPSensors.（Note:

Thisexamplecouldbeforamotiondetectorthatturnsonlightsindarkhallways.）

DirectControlUsingNPN/PNPSensors

InthesinkingsysteminSeeDirectControlUsingNPN/PNPSensorsthelighthasV+appliedtooneside.TheothersideisconnectedtotheNPNoutputofthesensor.Whenthesensorturnsonthecurrentwillbeabletoflowthroughthelight,intotheoutputtoV-common.（Note:

Yes,thecurrentwillbeallowedtoflowintotheoutputforanNPNsensor.）Inthesourcingarrangementthelightwillturnonwhentheoutputbecomesactive,allowingcurrenttoflowfromtheV+,thoughtthesensor,thelightandtoV-（thecommon）.

Atthispointitisworthstatingtheobvious-TheoutputofasensorwillbeaninputforaPLC.And,aswesawwiththeNPNsensor,thisdoesnotnecessarilyindicatewherecurrentisflowing.TherearetwoviableapproachesforconnectingsensorstoPLCs.ThefirstistoalwaysusePNPsensorsandnormalvoltageinputcards.Thesecondoptionistopurchaseinputcardsspecificallydesignedforsourcingorsinkingsensors.AnexampleofaPLCcardforsinkingsensorsisshowninSeeAPLCInputCardforSinkingSensors.

APLCInputCardforSinkingSensors

“采用集电极开路的输出方式，有什么好处？

”

A：

集电极开路输出大概有以下几个好处：

1.可以实现线与功能，即两个或多个输出端可并联在一起，然后接一上拉电阻至高电平。

这样，只要有一个输出是低，那么结果就是低，即实现了与的功能。

2.跟上面的有点类似，那就是多个门输出端接在一起时，不会导致损坏。

3.可以用来控制较高的电平。

典型应用可以看看ULN2003。

4.跟3类似，当输出断开时，为高阻态，这样就可以做输入口使用了。

典型应用请看8951单片机的IO口结构，置1时即为输入口。

对于集电极（OC）或者漏极开路（OD）输出的，如果要输出高电平，必须接上拉电阻，因为OC或OD门，置1时输出相当于悬空。

其中第4点有些不太明白，问：

“当输出断开时，为高阻态，这样就可以做输入口使用了”，那当OC门输入端输入什么信号时，输出呈高阻态？

还有“如果要输出高电平，必须接上拉电阻，因为OC或OD门，置1时输出相当于悬空。

”输出高电平，必须接上拉电阻，是不是为了提高带负载能力，（相當”灌電流”？

）还有其他的好处吗？

输出低电平的時候也要加上拉嗎？

為什么？

（相當”拉電流”？

）那拉電流又是不是从电源和负载抽取電流到地，这在实际应用中有什么好处？

我们先来说说集电极开路输出的结构。

集电极开路输出的结构如图1所示，右边的那个三极管集电极什么都不接，所以叫做集电极开路（左边的三极管为反相之用，使输入为“0”时，输出也为“0”）。

对于图1，当左端的输入为“0”时，前面的三极管截止（即集电极C跟发射极E之间相当于断开），所以5V电源通过1K电阻加到右边的三极管上，右边的三极管导通（即相当于一个开关闭合）；当左端的输入为“1”时，前面的三极管导通，而后面的三极管截止（相当于开关断开）。

我们将图1简化成图2的样子。

图2中的开关受软件控制，“1”时断开，“0”时闭合。

很明显可以看出，当开关闭合时，输出直接接地，所以输出电平为0。

而当开关断开时，则输出端悬空了，即高阻态。

这时电平状态未知，如果后面一个电阻负载（即使很轻的负载）到地，那么输出端的电平就被这个负载拉到低电平了，所以这个电路是不能输出高电平的。

再看图三。

图三中那个1K的电阻即是上拉电阻。

如果开关闭合，则有电流从1K电阻及开关上流过，但由于开关闭合时电阻为0（方便我们的讨论，实际情况中开关电阻不为0，另外对于三极管还存在饱和压降），所以在开关上的电压为0，即输出电平为0。

如果开关断开，则由于开关电阻为无穷大（同上，不考虑实际中的漏电流），所以流过的电流为0，因此在1K电阻上的压降也为0，所以输出端的电压就是5V了，这样就能输出高电平了。

但是这个输出的内阻是比较大的（即1KΩ），如果接一个电阻为R的负载，通过分压计算，就可以算得最后的输出电压为5*R/（R+1000）伏，即5/（1+1000/R）伏。

所以，如果要达到一定的电压的话，R就不能太小。

如果R真的太小，而导致输出电压不够的话，那我们只有通过减小那个1K的上拉电阻来增加驱动能力。

但是，上拉电阻又不能取得太小，因为当开关闭合时，将产生电流，由于开关能流过的电流是有限的，因此限制了上拉电阻的取值，另外还需要考虑到，当输出低电平时，负载可能还会提供给一部分电流从开关流过，因此要综合这些电流考虑来选择合适的上拉电阻。

如果我们将一个读数据用的输入端接在输出端，这样就是一个IO口了（51的IO口就是这样的结构，其中P0口内部不带上拉，而其它三个口带内部上拉），当我们要使用输入功能时，只要将输出口设置为1即可，这样就相当于那个开关断开，而对于P0口来说，就是高阻态了。

另一种输出结构是推挽输出。

推挽输出的结构就是把上面的上拉电阻也换成一个开关，当要输出高电平时，上面的开关通，下面的开关断；而要输出低电平时，则刚好相反。

比起OC或者OD来说，这样的推挽结构高、低电平驱动能力都很强。

如果两个输出不同电平的输出口接在一起的话，就会产生很大的电流，有可能将输出口烧坏。

而上面说的OC或OD输出则不会有这样的情况，因为上拉电阻提供的电流比较小。

如果是推挽输出的要设置为高阻态时，则两个开关必须同时断开（或者在输出口上使用一个传输门），这样可作为输入状态，AVR单片机的一些IO口就是这种结构。

集电极输出的负载电阻（转）

上拉电阻实际上是集电极输出的负载电阻。

不管是在开关应用和模拟放大，此电阻的选择都不是拍脑袋的。

工作在线性范围就不多说了，在这里是讨论的是晶体管是开关应用，所以只谈开关方式。

找个TTL器件的资料单独看末级就可以了，内部都有负载电阻根据不同驱动能力和速度要求这个电阻值不同，低功耗的电阻值大，速度快的电阻值小。

但芯片制造商很难满足应用的需要不可能同种功能芯片做许多种，因此干脆不做这个负载电阻，改由使用者自己自由选择外接，所以就出现OC、OD输出的芯片。

由于数字应用时晶体管工作在饱和和截止区，对负载电阻要求不高，电阻值小到只要不小到损坏末级晶体管就可以，大到输出上升时间满足设计要求就可，随便选一个都可以正常工作。

但是一个电路设计是否优秀这些细节也是要考虑的。

集电极输出的开关电路不管是开还是关对地始终是通的，晶体管导通时电流从负载电阻经导通的晶体管到地，截止时电流从负载电阻经负载的输入电阻到地，如果负载电阻选择小点功耗就会大，这在电池供电和要求功耗小的系统设计中是要尽量避免的，如果电阻选择大又会带来信号上升沿的延时，因为负载的输入电容在上升沿是通过无源的上拉电阻充电，电阻越大上升时间越长，下降沿是通过有源晶体管放电，时间取决于器件本身。

因此设计者在选择上拉电阻值时，要根据系统实际情况在功耗和速度上兼顾。