场效应晶体管放大器是电压控制器件，具有输入阻抗高、噪声低的优点，被广泛应用在电子电路中，特别是具有上述要求前级放大器显示器出越性。根据场效应管两大类型...
集电极开路输出
接线图
2024年01月26日 10:46 204
admin
集电极开路输出在数字芯片设计、运算放大器和微控制器 (Arduino) 类型应用中越来越普遍，用于与其他电路连接或驱动可能与电气特性不兼容的指示灯和继电器等大电流负载控制电路。但是“集电极开路”是什么意思，我们如何在电路设计中使用它。
从我们之前的教程中我们知道，双极结型晶体管，无论是NPN型还是PNP型，都是三端器件。这三个端子被标识为Emitter、Base和Collector。
我们可以使用双极晶体管作为放大器运行，即输出信号的幅度大于输入信号，或者更常见的是，作为固态“开/关”型电子开关。
由于双极结型晶体管 (BJT) 是一种 3 端子器件，因此可以在三种不同的开关模式之一中配置和操作它。它们是公共基极(CB)、公共发射极(CE) 和公共集电极(CC)。
当用于放大（有源区）或开关（截止或饱和区）时，“共发射极”配置是迄今为止最常见的晶体管配置。这就是我们将在本教程中看到的关于集电极开路输出的晶体管配置。
考虑如下所示的标准共射极放大器配置。
共发射极配置
在这个单级共发射极配置中，电阻连接在晶体管的集电极端子和正电源轨 V CC之间。输入信号施加在晶体管基极和发射结之间，发射极端子直接接地。因此，描述性术语“共发射极”(CE)。
将晶体管“导通”所需的偏置电流 I B通过基极电阻 R B直接馈入 NPN 晶体管的基极，输出信号相对于输入信号反相 180 °，取自集电极和发射极端子。
这允许将晶体管集电极电流控制在零（截止）和某个最大值（饱和）之间。这是共发射极配置的标准配置，既可以偏置为 A 类放大器，也可以作为逻辑开/关开关。
这里的问题是晶体管及其集电极负载电阻都连接到一个公共电源电压。集电极电阻 R C在这里用于允许集电极电压 V C响应施加到晶体管基极端子的输入信号而改变值，从而允许晶体管产生放大的输出信号。由于没有 R C，集电极端子上的电压将始终等于电源电压。
如前所述，当 V BE远小于 0.7 伏（零基极电流）或远大于 0.7 伏（最大基极电流）时，双极结型晶体管可以在其截止区和饱和区之间工作。
以这种方式，NPN 双极晶体管可以用作执行反相操作的电子开关，因为当晶体管“关断”时，其集电极端子，因此 V CE ，在V CC 电平为“高” ，而当它为“ON”时，（导通）V CE上的输出将为“LOW”，例如，如果我们要控制继电器、螺线管或灯，则这是相反的开关条件。
克服晶体管开关状态反转的一种方法是完全移除集电极电阻 R C并使晶体管集电极端子可用于连接到某些外部负载。这种类型的设置会产生通常所说的集电极开路输出配置。
NPN 集电极开路输出
当 NPN 双极晶体管在集电极开路（OC 或 o/c）配置下运行时，它在完全开启或完全关闭之间运行，因此充当电子固态开关。
也就是说，在没有施加基极偏置电压的情况下，晶体管将完全关断，而当施加合适的基极偏置电压时，晶体管将完全导通。因此，当晶体管在其截止区 (OFF) 和饱和区 (ON) 之间运行时，它不会像在其有源区受控时那样作为放大器件运行。
晶体管在截止和饱和之间的切换允许集电极开路输出驱动外部连接负载的能力，这些负载需要比以前的共发射极配置所允许的更高的电压和/或电流。唯一的限制是实际开关晶体管的最大允许电压和/或电流值。
然后集电极开路输出的优点是，任何输出开关电压都可以通过像以前一样将集电极端子上拉到单个正电源，或者通过单独的电源轨为负载供电来简单地获得。例如，您可能想要驱动需要从 +5 伏逻辑门或 Arduino、Raspberry-Pi 输出引脚的输出提供 +12 伏电源的低电流灯或继电器。
但其缺点是，当使用集电极开路输出来切换数字信号、门电路或电子电路的输入端时，由于三极管的集电极端没有输出驱动能力，一般需要外接上拉电阻。这是因为对于 NPN 晶体管，它只能在通电时将输出拉低至地 (0V)，而在处于关断状态时无法返回或将其再次推回高电平。
断电时，必须使用连接在其集电极端子和电源电压之间的外部“上拉电阻”将输出再次拉高，以阻止集电极开路端子在高电平 (+V) 和低电平之间浮动 ( 0V) 当晶体管关闭时。
此上拉电阻器的值并不重要，在某种程度上取决于输出端所需的负载电流值，电阻值范围从几百到几千欧姆不等。因此，对于 NPN 双极晶体管，其集电极开路输出仅为电流吸收输出。
集电极开路晶体管电路
上图显示了集电极开路开关电路的典型布置，该电路可用于驱动机电型设备以及许多其他开关应用。NPN晶体管基极驱动电路可以是任何合适的模拟或数字电路。晶体管的集电极连接到要切换的负载，晶体管的发射极端子直接接地。
对于 NPN 型集电极开路输出，当控制信号施加到晶体管的基极时，它会导通，并且连接到集电极端子的输出通过现在导通的晶体管结点被下拉到地电位连接的负载并将其打开。因此，晶体管开关并传递负载电流 I L ，其使用欧姆定律确定为：
负载电流，I load = 负载电压 / 负载电阻
当晶体管正基极驱动被移除（关闭）时，NPN 晶体管停止导通，负载（可能是继电器线圈、螺线管、小型直流电机、灯等）断电并关闭。然后输出晶体管可用于控制外部连接的负载，因为 NPN 晶体管集电极开路的电流吸收开关动作可作为开路 (OFF) 或短路 (ON)。
这里的优点是集电极负载不需要连接到与晶体管驱动电路相同的电压电位，因为它可以使用较低或较高的电压电位，例如 12 伏或 30 伏直流电。
同样简单的数字或模拟电路也可用于通过简单地改变输出晶体管来切换许多不同的负载。例如，10mA 时为 6 VDC（2N3904 晶体管），或 3 安培时为 40 VDC（2N3506 晶体管），甚至使用集电极开路达林顿晶体管。
集电极开路输出示例 No1
作为学校项目的一部分，需要来自 Arduino 板的 +5 伏数字输出引脚来驱动机电继电器。如果继电器线圈的额定电压为 12 VDC、100Ω，并且在其集电极开路配置中使用的 NPN 晶体管的直流电流增益 (Beta) 值为 50，则计算运行继电器线圈所需的基极电阻。 通过线圈的电流可以使用欧姆定律计算为：I = V/R
因此，对于直流电流增益为 50 的 NPN 晶体管，需要 2.4mA 的基极电流，忽略约 0.2 伏的集电极-发射极饱和电压 (V CE(sat) )。回想一下，晶体管的直流电流增益是指产生集电极电流需要多少基极电流。 当晶体管完全导通时，基极-发射极结 (V BE )两端的压降将为 0.7 伏。因此，所需的基极电阻 R B的值计算如下：
那么集电极开路晶体管电路将是： 集电极开路
虽然 NPN 集电极开路晶体管电路产生“电流吸收”输出，即 NPN 晶体管集电极开路端子会将电流吸收到地 (0V)，PNP 型晶体管也可用于集电极开路配置以产生所谓的“电流源”输出。
PNP 集电极开路输出
上面我们已经看到，集电极开路输出的主要特点是负载信号在完全导通时通过 NPN 双极晶体管的开关动作主动“下拉”到地电平，在关断时再次被动拉回产生电流吸收输出。
但是我们可以创建相反的开关条件，方法是使用 PNP 双极晶体管的集电极开路输出主动将其输出切换到电源轨，并使用外部连接的“下拉”电阻器在关闭时再次将输出被动拉低。 对于 PNP 型集电极开路输出，晶体管只能将输出高电平切换到电源轨，因此其输出端必须通过外部连接的“下拉”电阻再次被动拉低，如图所示。
集电极开路pnp三极管电路
然后我们可以看到，NPN 型或 PNP 型集电极开路输出配置只能在 ON 时主动将其输出拉低至地，或拉高至电源轨（取决于晶体管类型），但其集电极端必须拉高如果连接的负载无法做到这一点，则通过使用连接到其输出端子的上拉或下拉电阻被动地向上或向下。所用输出晶体管的类型及其开关动作会产生电流吸收或电流源条件。
除了在集电极开路配置中使用双极晶体管外，还可以在其开源配置中使用 n 沟道和 p 沟道增强型 MOSFET 或 IGBT。
与双极结型晶体管 (BJT) 需要基极电流来驱动晶体管进入饱和状态不同，常开（增强型）MOSFET 需要在其栅极 (G) 端子上施加合适的电压。MOSFET 的源极 (S) 端子直接连接到地或电源轨，而开漏 (D) 端子连接到外部负载。
使用 MOSFET（或 IGBT）作为漏极开路(OD) 器件时，在驱动功率负载或连接到更高电压电源的负载时，遵循与集电极开路输出 (OC) 相同的要求，因为使用上拉或下拉电阻适用。唯一的区别是 MOSFET 通道热功率额定值和静态电压保护。 开漏增强 MOSFET 配置
教程总结
我们已经在本教程中看到关于集电极开路输出的信息，它可以提供电流吸收器或电流源输出，具体取决于所使用的双极晶体管类型（NPN 型或 PNP 型）。
当 NPN 型晶体管处于“导通”状态时，它将提供或“吸收”一条接地路径。当处于“OFF”状态时，其输出端可能浮动，除非集电极开路输出通过上拉电阻连接到正电源电压。
PNP 型晶体管的反之亦然。当它处于“ON”状态时，它将提供或“提供”来自电源轨的路径。当处于“OFF”状态时，其输出端可能悬空，除非集电极开路输出通过下拉电阻接地（0V）。
集电极开路输出或漏极开路输出的优点是要切换或控制的负载可以连接到独立的电压源，和/或不同于控制电路使用的电源电压，并且它们可以“吸收”或“源”外部提供的电压取决于它是接地还是源。唯一的限制是输出开关晶体管或 e-MOSFET 的最大允许电压和电流额定值。
从我们之前的教程中我们知道，双极结型晶体管，无论是NPN型还是PNP型，都是三端器件。这三个端子被标识为Emitter、Base和Collector。
我们可以使用双极晶体管作为放大器运行，即输出信号的幅度大于输入信号，或者更常见的是，作为固态“开/关”型电子开关。
由于双极结型晶体管 (BJT) 是一种 3 端子器件，因此可以在三种不同的开关模式之一中配置和操作它。它们是公共基极(CB)、公共发射极(CE) 和公共集电极(CC)。
当用于放大（有源区）或开关（截止或饱和区）时，“共发射极”配置是迄今为止最常见的晶体管配置。这就是我们将在本教程中看到的关于集电极开路输出的晶体管配置。
考虑如下所示的标准共射极放大器配置。
共发射极配置在这个单级共发射极配置中，电阻连接在晶体管的集电极端子和正电源轨 V CC之间。输入信号施加在晶体管基极和发射结之间，发射极端子直接接地。因此，描述性术语“共发射极”(CE)。
将晶体管“导通”所需的偏置电流 I B通过基极电阻 R B直接馈入 NPN 晶体管的基极，输出信号相对于输入信号反相 180 °，取自集电极和发射极端子。
这允许将晶体管集电极电流控制在零（截止）和某个最大值（饱和）之间。这是共发射极配置的标准配置，既可以偏置为 A 类放大器，也可以作为逻辑开/关开关。
这里的问题是晶体管及其集电极负载电阻都连接到一个公共电源电压。集电极电阻 R C在这里用于允许集电极电压 V C响应施加到晶体管基极端子的输入信号而改变值，从而允许晶体管产生放大的输出信号。由于没有 R C，集电极端子上的电压将始终等于电源电压。
如前所述，当 V BE远小于 0.7 伏（零基极电流）或远大于 0.7 伏（最大基极电流）时，双极结型晶体管可以在其截止区和饱和区之间工作。
以这种方式，NPN 双极晶体管可以用作执行反相操作的电子开关，因为当晶体管“关断”时，其集电极端子，因此 V CE ，在V CC 电平为“高” ，而当它为“ON”时，（导通）V CE上的输出将为“LOW”，例如，如果我们要控制继电器、螺线管或灯，则这是相反的开关条件。
克服晶体管开关状态反转的一种方法是完全移除集电极电阻 R C并使晶体管集电极端子可用于连接到某些外部负载。这种类型的设置会产生通常所说的集电极开路输出配置。
NPN 集电极开路输出
当 NPN 双极晶体管在集电极开路（OC 或 o/c）配置下运行时，它在完全开启或完全关闭之间运行，因此充当电子固态开关。
也就是说，在没有施加基极偏置电压的情况下，晶体管将完全关断，而当施加合适的基极偏置电压时，晶体管将完全导通。因此，当晶体管在其截止区 (OFF) 和饱和区 (ON) 之间运行时，它不会像在其有源区受控时那样作为放大器件运行。
晶体管在截止和饱和之间的切换允许集电极开路输出驱动外部连接负载的能力，这些负载需要比以前的共发射极配置所允许的更高的电压和/或电流。唯一的限制是实际开关晶体管的最大允许电压和/或电流值。
然后集电极开路输出的优点是，任何输出开关电压都可以通过像以前一样将集电极端子上拉到单个正电源，或者通过单独的电源轨为负载供电来简单地获得。例如，您可能想要驱动需要从 +5 伏逻辑门或 Arduino、Raspberry-Pi 输出引脚的输出提供 +12 伏电源的低电流灯或继电器。
但其缺点是，当使用集电极开路输出来切换数字信号、门电路或电子电路的输入端时，由于三极管的集电极端没有输出驱动能力，一般需要外接上拉电阻。这是因为对于 NPN 晶体管，它只能在通电时将输出拉低至地 (0V)，而在处于关断状态时无法返回或将其再次推回高电平。
断电时，必须使用连接在其集电极端子和电源电压之间的外部“上拉电阻”将输出再次拉高，以阻止集电极开路端子在高电平 (+V) 和低电平之间浮动 ( 0V) 当晶体管关闭时。
此上拉电阻器的值并不重要，在某种程度上取决于输出端所需的负载电流值，电阻值范围从几百到几千欧姆不等。因此，对于 NPN 双极晶体管，其集电极开路输出仅为电流吸收输出。
集电极开路晶体管电路
上图显示了集电极开路开关电路的典型布置，该电路可用于驱动机电型设备以及许多其他开关应用。NPN晶体管基极驱动电路可以是任何合适的模拟或数字电路。晶体管的集电极连接到要切换的负载，晶体管的发射极端子直接接地。对于 NPN 型集电极开路输出，当控制信号施加到晶体管的基极时，它会导通，并且连接到集电极端子的输出通过现在导通的晶体管结点被下拉到地电位连接的负载并将其打开。因此，晶体管开关并传递负载电流 I L ，其使用欧姆定律确定为：
负载电流，I load = 负载电压 / 负载电阻
当晶体管正基极驱动被移除（关闭）时，NPN 晶体管停止导通，负载（可能是继电器线圈、螺线管、小型直流电机、灯等）断电并关闭。然后输出晶体管可用于控制外部连接的负载，因为 NPN 晶体管集电极开路的电流吸收开关动作可作为开路 (OFF) 或短路 (ON)。
这里的优点是集电极负载不需要连接到与晶体管驱动电路相同的电压电位，因为它可以使用较低或较高的电压电位，例如 12 伏或 30 伏直流电。
同样简单的数字或模拟电路也可用于通过简单地改变输出晶体管来切换许多不同的负载。例如，10mA 时为 6 VDC（2N3904 晶体管），或 3 安培时为 40 VDC（2N3506 晶体管），甚至使用集电极开路达林顿晶体管。
集电极开路输出示例 No1
作为学校项目的一部分，需要来自 Arduino 板的 +5 伏数字输出引脚来驱动机电继电器。如果继电器线圈的额定电压为 12 VDC、100Ω，并且在其集电极开路配置中使用的 NPN 晶体管的直流电流增益 (Beta) 值为 50，则计算运行继电器线圈所需的基极电阻。 通过线圈的电流可以使用欧姆定律计算为：I = V/R
因此，对于直流电流增益为 50 的 NPN 晶体管，需要 2.4mA 的基极电流，忽略约 0.2 伏的集电极-发射极饱和电压 (V CE(sat) )。回想一下，晶体管的直流电流增益是指产生集电极电流需要多少基极电流。 当晶体管完全导通时，基极-发射极结 (V BE )两端的压降将为 0.7 伏。因此，所需的基极电阻 R B的值计算如下：
那么集电极开路晶体管电路将是： 集电极开路
虽然 NPN 集电极开路晶体管电路产生“电流吸收”输出，即 NPN 晶体管集电极开路端子会将电流吸收到地 (0V)，PNP 型晶体管也可用于集电极开路配置以产生所谓的“电流源”输出。
PNP 集电极开路输出
上面我们已经看到，集电极开路输出的主要特点是负载信号在完全导通时通过 NPN 双极晶体管的开关动作主动“下拉”到地电平，在关断时再次被动拉回产生电流吸收输出。
但是我们可以创建相反的开关条件，方法是使用 PNP 双极晶体管的集电极开路输出主动将其输出切换到电源轨，并使用外部连接的“下拉”电阻器在关闭时再次将输出被动拉低。 对于 PNP 型集电极开路输出，晶体管只能将输出高电平切换到电源轨，因此其输出端必须通过外部连接的“下拉”电阻再次被动拉低，如图所示。
集电极开路pnp三极管电路
然后我们可以看到，NPN 型或 PNP 型集电极开路输出配置只能在 ON 时主动将其输出拉低至地，或拉高至电源轨（取决于晶体管类型），但其集电极端必须拉高如果连接的负载无法做到这一点，则通过使用连接到其输出端子的上拉或下拉电阻被动地向上或向下。所用输出晶体管的类型及其开关动作会产生电流吸收或电流源条件。
除了在集电极开路配置中使用双极晶体管外，还可以在其开源配置中使用 n 沟道和 p 沟道增强型 MOSFET 或 IGBT。
与双极结型晶体管 (BJT) 需要基极电流来驱动晶体管进入饱和状态不同，常开（增强型）MOSFET 需要在其栅极 (G) 端子上施加合适的电压。MOSFET 的源极 (S) 端子直接连接到地或电源轨，而开漏 (D) 端子连接到外部负载。
使用 MOSFET（或 IGBT）作为漏极开路(OD) 器件时，在驱动功率负载或连接到更高电压电源的负载时，遵循与集电极开路输出 (OC) 相同的要求，因为使用上拉或下拉电阻适用。唯一的区别是 MOSFET 通道热功率额定值和静态电压保护。 开漏增强 MOSFET 配置
教程总结
我们已经在本教程中看到关于集电极开路输出的信息，它可以提供电流吸收器或电流源输出，具体取决于所使用的双极晶体管类型（NPN 型或 PNP 型）。
当 NPN 型晶体管处于“导通”状态时，它将提供或“吸收”一条接地路径。当处于“OFF”状态时，其输出端可能浮动，除非集电极开路输出通过上拉电阻连接到正电源电压。
PNP 型晶体管的反之亦然。当它处于“ON”状态时，它将提供或“提供”来自电源轨的路径。当处于“OFF”状态时，其输出端可能悬空，除非集电极开路输出通过下拉电阻接地（0V）。
集电极开路输出或漏极开路输出的优点是要切换或控制的负载可以连接到独立的电压源，和/或不同于控制电路使用的电源电压，并且它们可以“吸收”或“源”外部提供的电压取决于它是接地还是源。唯一的限制是输出开关晶体管或 e-MOSFET 的最大允许电压和电流额定值。
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