硬件电路设计

本文主要介绍三极管开关电路的导通和关断过程,以及怎么加快导通和关断的速度。

由于三极管由截止区过度到饱和区需经过线性区,开关的效果不会有明确的界线。为使三极管开关的效果明确,可串接两三极管(达林顿连接)。

在要求快速切换动作的应用中(中高频开关),必须加快三极管开关的切换速度。可以在基极串联电阻上并联一只加速电容器,当Vin由零电压往上升并开始送电流至基极时,电容器由于无法瞬间充电,故形同短路,输入瞬间的变化量直接引入到三极管基极,用过冲加快三极管的状态变化(电容的作用类似RC上电复位!),因此也就加快了开关导通的速度(三极管迅速从截止状态进入饱和导通状态)。等到电容充电完毕后,电容就形同开路,而不影响三极管的正常工作;当Vin从高变低时,电容也瞬间导通,为泄放基极电荷提供一条低阻通道,这样就加速了晶体管的关断。电容通常取值几十到几百皮法。

与电容并联的电阻常被称为缓冲电阻,它是防止在信号突然变化时在端口上产生振荡。

  • 加速导通过程:当输入信号电压从0V跳变到高电平时,由于加速电容两端的电压不能突变,加到三极管基极的电压为一个尖顶脉冲,其电压幅值最大。这一尖顶脉冲加到基极,使基极电流迅速从0增大到很大,这样三极管迅速从截止状态进入饱和状态,加速了三极管的饱和导通,即缩短了三极管饱和导通时间(三极管从截止进入饱和所需要的时间)。

  • 维持导通过程:在t0之后,对Cl的充电很快结束,这时输入信号电压Ui加到基极的电压比较小,维持VT1的饱和导通状态。

  • 加速截止过程:当输入信号电压从高电平突然跳变到0V时,即tl时刻,由于Cl上原先充到的电压极性为左正右负,加到基极的电压为负尖顶脉冲。由于加到基极的电压为负,加快了三极管从基区抽出电荷的过程,三极管以更快的速度从饱和转换到截止状态,即缩短了三极管向截止转换的时间。C通常取值几十到几百皮法。

加肖特基二极管的作用:由于肖特基二极管的Vf为0.2~0.4V比Vbe小,所以当晶体管导通后大部分的基极电流是通过二极管然后通过三极管到地的,这样流到三极管基极的电流就很小,积累起来的电荷也少,当晶体管关断时需要卸放的电荷少,关断自然就快。

以上就是针对三极管开关电路的导通和关断过程的简单介绍。

来源: 硬件助手

围观 3

本文主要介绍三极管开关电路,重点分析其中三个电阻的作用。

常见的三极管开关电路的结构如下图所示:

其中涉及到三个电阻,分别是:

  • 基极串联电阻;

  • 基极发射极电阻;

  • 集电极电阻。

基极串联电阻的作用如下:

  • 基极必须串接电阻,保护基极,保护CPU的IO口。

  • 如果是高速开关信号,尽量在基极串联电阻上并连一个加速电容以提高高速性能(后续会详细分析该电路)。

基极根据PNP或者NPN管子加上拉电阻或者下拉电阻。基极和发射极需要串接电阻,该电阻的作用是在输入呈高阻态时使晶体管可靠截止,最小值是在前级驱动使晶体管饱和时与基极限流电阻分压后能够满足晶体管的临界饱和,实际选择时会大大高于这个极小值,通常外接干扰越小、负载越重允许的阻值就越大,通常采用10K量级。

  • 下拉电阻阻值不能太大,不然会导致流入基极的电流太小。

  • 如果三极管基极不接下拉电阻(或上拉电阻),就不能设定偏置电压,这样会产生输入信号的交越失真,并且输入电流过大的时候会导致大电流直接流入三极管而导致损坏。而MOS管同样需要一个偏置电压,而下拉电阻可以起到这样的作用,称之为GATE偏置。由于MOS管内部的三个级是彼此绝缘的,所以自然会有电容效应在,当输入信号消失的时候内部的等效电容可以通过下拉电阻进行放电。而且也是必须的,否则会逻辑出错。

  • 基极加电阻同时为了防止输入电流过大,加个电阻可以分一部分电流,这样就不会让大电流直接流入三极管而损坏。

  • 防止三极管受噪声信号的影响而产生误动作,使晶体管截止更可靠!

  • 三极管的基极不能出现悬空,当输入信号不确定时(如输入信号为高阻态时),加下拉电阻,就能使有效接地。

  • 特别是GPIO连接基极的时候,一般IC的GPIO在刚刚上电初始化的时候,GPIO的内部也处于一种上电状态,很不稳定,容易产生噪声,引起误动作!加此电阻,可消除此影响(如果出现一尖脉冲电平,由于时间比较短,所以这个电压很容易被电阻拉低;如果高电平的时间比较长,那就不能拉低了,也就是正常高电平时没有影响)!但是电阻不能过小,影响泄漏电流!(过小则会有较大的电流由电阻流入地)

  • 当三极管开关作用时,ON和OFF时间越短越好,为了防止在OFF时,因晶体管中的残留电荷引起的时间滞后,在B、E之间加一个R起到放电作用。

  • 三极管基级加电阻主要是为了设置一个偏置电压,这样就不会出现信号的失真(这在输入信号有交流时极其重要:如当温度上升时,Ic将增大,导致Ie也会增大,那么在Re上的压降也增大,而Vbe=Vb-IeRe,而Vb此时基本上被下拉电阻保持住,所以使Vbe减小。当然这个减小对0.7V来说是很小的,是从微观上去分析的。Vbe的减小,使Ib减小,结果牵制了Ic的增加,从而使Ic基本恒定。这也是反馈控制的原理)。

集电极电阻在开关电路中的作用主要是为了配合基极电阻调整驱动电流,起到限流作用,避免损坏三极管;同时起到输出高低电平的作用。在模拟电路中配合调整到合适的工作点(避免引起失真)和输出模拟信号。

实际应用中为了节省PCB面积,可以选择多路带有集成偏置电阻的晶体管(如DIODE公司的DDC1xxx系列为可选带一个或者两个偏置电阻的NPN型,DDAxxx系列为PNP型)。

以上就是针对三极管开关电路中的三个电阻的简单介绍。

来源:硬件助手

围观 3

硬件电路设计的几个注意事项!

demi的头像

嵌入式设计是个庞大的工程,今天就说说硬件电路设计方面的几个注意事项,首先,咱们了解下嵌入式的硬件构架。

我们知道,CPU是这个系统的灵魂,所有的外围配置都与其相关联,这也突出了嵌入式设计的一个特点硬件可剪裁。在做嵌入式硬件设计中,以下几点需要关注。

第一、电源确定

电源对于嵌入式系统中的作用可以看做是空气对人体的作用,甚至更重要:人呼吸的空气中有氧气、二氧化碳和氮气等但是含量稳定,这就相当于电源系统中各种杂波,我们希望得到纯净和稳定符合要求的电源,但由于各种因素制约,只是我们的梦想。这个要关注两个方面:

a、电压

嵌入式系统需要各种量级的电源比如常见的5v、3.3v、1.8v等,为尽量减小电源的纹波,在嵌入式系统中使用LDO器件。如果采用DCDC不仅个头大,其纹波也是一个很头疼的问题。

b、电流

嵌入式系统的正常运行不但需要稳定足够的电源,还要有足够的电流,因此在选择电源器件的时候需要考虑其负载,我设计时一般留有30%的余量。

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