脈衝電路 - 電晶體作為開關

透過驅動電晶體處於飽和狀態或截止狀態，將其用作電子開關。這兩個狀態之間的區域是線性區域。電晶體在此區域內作為線性放大器工作。飽和和截止狀態在這方面是重要的考慮因素。

電晶體的開和關狀態

電晶體的工作主要有兩個區域，我們可以將其視為開和關狀態。它們是飽和狀態和截止狀態。讓我們看看電晶體在這兩種狀態下的行為。

截止狀態下的工作

下圖顯示處於截止區域的電晶體。

當電晶體的基極施加負電壓時，電晶體進入截止狀態。沒有集電極電流。因此 I_C = 0。

施加在集電極上的電壓 V_CC 出現在集電極電阻 R_C 上。因此，

V_CE = V_CC

飽和區域的工作

下圖顯示處於飽和區域的電晶體。

當基極電壓為正且電晶體進入飽和狀態時，I_C 流過 R_C。

然後 V_CC 降落在 R_C 上。輸出將為零。

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

實際上，這是理想情況。實際上，會流過一些漏電流。因此，我們可以理解，透過對基極施加正負電壓將其驅動到飽和和截止區域時，電晶體可以作為開關工作。

下圖給出了更好的解釋。

觀察連線 I_C 和 V_CC 的直流負載線。如果電晶體被驅動到飽和狀態，I_C 完全流過，V_CE = 0，由點A表示。

如果電晶體被驅動到截止狀態，I_C 將為零，V_CE = V_CC，由點 B 表示。連線飽和點 A 和截止點 B 的線稱為負載線。由於此處施加的電壓是直流電壓，因此稱為直流負載線。

實際考慮因素

儘管上述條件都令人信服，但要獲得這種結果，存在一些實際限制。

在截止狀態期間

理想電晶體具有 V_CE = V_CC 和 I_C = 0。

但在實踐中，會有少量漏電流流過集電極。

因此 I_C 將為幾 μA。

這被稱為集電極漏電流，當然可以忽略不計。

在飽和狀態期間

理想電晶體具有 V_CE = 0 和 I_C = I_C(sat)。

但在實踐中，V_CE 會降低到某個稱為膝電壓的值。

當 V_CE 低於膝電壓時，β 會急劇下降。

由於 I_C = βI_B，這會降低集電極電流。

因此，保持 V_CE 在膝電壓下的最大電流 I_C 稱為飽和集電極電流。

飽和集電極電流 = $I_{C(sat)} \: = \: \frac{V_{CC} - V_{knee}}{R_C}$

僅為了使其用於開關目的而製造的電晶體稱為開關電晶體。它在飽和區或截止區工作。在飽和狀態下，集電極飽和電流流過負載，而在截止狀態下，集電極漏電流流過負載。

電晶體的開關動作

電晶體有三個工作區域。為了瞭解操作效率，需要考慮實際損耗。因此，讓我們嘗試瞭解電晶體作為開關的效率如何。

在截止（關）狀態期間

基極電流 I_B = 0

集電極電流 I_C = I_CEO（集電極漏電流）

功率損耗 = 輸出電壓 × 輸出電流

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

由於 I_CEO 很小，V_CC 也很低，因此損耗將非常低。因此，電晶體在關斷狀態下可以作為高效開關工作。

在飽和（開）狀態期間

如前所述，

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

輸出電壓為V_knee。

功率損耗 = 輸出電壓 × 輸出電流

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

由於 V_knee 的值很小，因此損耗很低。因此，電晶體在開狀態下可以作為高效開關工作。

在放大區

電晶體位於開和關狀態之間。電晶體作為線性放大器工作，其中輸入電流的小變化會導致輸出電流的大變化 (ΔI_C)。

開關時間

開關電晶體的輸入為脈衝，輸出為具有少量變化的脈衝。關於開關輸出脈衝的時間，有一些術語您應該瞭解。讓我們來了解一下它們。

設輸入脈衝持續時間 = T

當施加輸入脈衝時，由於雜散電容，集電極電流需要一些時間才能達到穩態值。下圖解釋了這個概念。

從上圖可以看出，

時間延遲 (t_d) - 集電極電流從其初始值達到其最終值的 10% 所用的時間稱為時間延遲。
上升時間 (t_r) - 集電極電流從其初始值的 10% 到達其最終值的 90% 所用的時間稱為上升時間。
導通時間 (T_ON) - 時間延遲 (t_d) 和上升時間 (t_r) 的總和稱為導通時間。

T_ON = t_d + t_r
儲存時間 (t_s) - 輸入脈衝後沿到輸出最大值的 90% 之間的時間間隔稱為儲存時間。
下降時間 (t_f) - 集電極電流從其最大值的 90% 到達其初始值的 10% 所用的時間稱為下降時間。
關斷時間 (T_OFF) - 儲存時間 (t_s) 和下降時間 (t_f) 的總和定義為關斷時間。

T_OFF = t_s + t_f
脈衝寬度 (W) - 在上升和下降波形的兩個 50% 電平之間測量的輸出脈衝持續時間定義為脈衝寬度。

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