在電子電路設(shè)計(jì)中，三極管是一種常用的電子元件，其應(yīng)用廣泛，其中用作開關(guān)是較為常見的用法之一。當(dāng)三極管用作開關(guān)時(shí)，它會(huì)在飽和區(qū)和截止區(qū)之間進(jìn)行切換。下面我們先詳細(xì)介紹一下三極管用作開關(guān)的基本工作原理。

三極管開關(guān)工作原理

• 開關(guān)導(dǎo)通：為了使三極管進(jìn)入飽和區(qū)，基極需要有足夠大的電流 IB，從而讓集電極電流 IC 達(dá)到其最大值。在飽和區(qū)，集電極 - 發(fā)射極電壓 VCE 很?。ǖ湫椭翟?0.1V 到 0.3V 之間），這表明三極管完全導(dǎo)通。此時(shí)，三極管的狀態(tài)類似于一個(gè)閉合的開關(guān)，允許電流從集電極流向發(fā)射極。為確保三極管完全飽和，在設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)使基極電流 IB 稍大于理論值，使得 IC>β?IB。
• 開關(guān)關(guān)斷：要讓三極管進(jìn)入截止區(qū)，基極電流 IB 需要為零或非常小。在截止區(qū)，基極 - 發(fā)射極電壓 VBE<0.7V（對(duì)于硅三極管），集電極電流 IC 近似為零。此時(shí)，三極管的狀態(tài)類似于一個(gè)斷開的開關(guān)，阻止電流從集電極流向發(fā)射極。

在實(shí)際電路中，當(dāng)三極管用作開關(guān)去驅(qū)動(dòng)一些負(fù)載，例如繼電器時(shí)，我們常常會(huì)發(fā)現(xiàn)三極管的基極和發(fā)射極會(huì)并聯(lián)一個(gè)電容。那么，為什么需要并聯(lián)這個(gè)電容呢？這就需要我們了解一下三極管的高頻等效模型。

三極管高頻等效模型與并聯(lián)電容的原因

三極管的高頻等效模型主要包含基極 - 集電極寄生電容 Cbc、基極 - 發(fā)射極寄生電容 Cbe 和集電極 - 發(fā)射極寄生電容 Cce，這和 MOSFET 的等效模型有相似之處。如果對(duì) MOSFET 的等效模型有所研究，那么理解三極管的高頻等效模型就會(huì)相對(duì)容易。

圖 1 三極管高頻等效模型
電容具有 “通高頻，阻低頻” 的特性。當(dāng)電源 VCC 端存在高頻干擾時(shí)，干擾信號(hào)會(huì)通過如下路徑：VCC→Rc→Cbc→Cbe→Re→GND。這樣一來，高頻干擾信號(hào)就會(huì)在三極管基極與地之間形成一個(gè)分壓。當(dāng)這個(gè)分壓大于三極管的開啟電壓 0.7V（對(duì)于硅三極管）時(shí)，三極管就會(huì)發(fā)生誤導(dǎo)通。如果產(chǎn)品進(jìn)行 EMC 試驗(yàn)，且三極管驅(qū)動(dòng)的是繼電器，此時(shí)繼電器就會(huì)誤吸合，這顯然是不能被接受的。

圖 2 高頻干擾信號(hào)路徑

電容容值的計(jì)算

下面我們通過一個(gè)具體的例子來計(jì)算需要并聯(lián)的電容 C 的容值。假設(shè)基于如下電路進(jìn)行分析，當(dāng)三極管處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，假定 R1 電阻左邊開路，三極管集電極出現(xiàn)的尖峰電壓最大為 40V，且 Cbc=100pF。

圖 3 用于計(jì)算電容容值的電路
根據(jù)分壓原理，要避免三極管誤導(dǎo)通，需要滿足 Cbc?40V/(Cbc+C)<Vbe_on，其中 Vbe_on 表示三極管的開啟電壓。由此可推導(dǎo)出 C>Cbc?40V/Vbe_on?Cbc。將 Cbc=100pF，Vbe_on=0.7V 代入計(jì)算可得：C>100?40/0.7V?100pF≈5614pF。
因此，為了避免三極管誤導(dǎo)通，我們可以選擇一個(gè)相近的容值 6.2nF 的電容并聯(lián)到三極管的基極 - 發(fā)射極?？偨Y(jié)來說，核心思路就是讓基極 - 發(fā)射極電容 C 和基極 - 集電極寄生電容 Cbc 分壓小于基極 - 發(fā)射極導(dǎo)通電壓，從而避免三極管誤導(dǎo)通。