本篇文章將介紹三極管設計邏輯取反電路，希望與大家一起學習進步！也歡迎讀者朋友關注、收藏、分享和點贊，感謝支持！

數(shù)字電路里面經常會用到一些邏輯門，比如“與門”、“或門”，“非門”等門電路；模擬電路里面經常會將TTL電平轉換為CMOS電平。無論是門電路還是電平轉換電路的設計，幾乎都離不開三極管。下面將分析模擬電路中的“邏輯取反”電路也是數(shù)字電路里面的“非門”，從無到有的設計過程，一起看看簡單的電路里面包含的內容。

上面這個電路應該都很熟悉，它經常用在電平轉換電路中。由上圖所示，控制信號為3.3V，但是在三極管的集電極，即Vce可以達到5V，能夠實現(xiàn)電平的轉換。

另外，從控制電路的脈沖信號和輸出電壓Vce的波形相位可以看出：當控制信號為高電平時，輸出信號為0V；當控制信號為低電平時，輸出信號為5V。如果我們將控制信號的電平和R1上端的VCC_5V兩者進行統(tǒng)一，則電路實現(xiàn)了邏輯取反的功能。

經過上面的分析，電路在理論層面，實現(xiàn)功能上沒什么問題，那是不是這個電路的設計就是合理的呢？可以準確的說，不是。

01.不合理之一：三極管基級電阻取值

三極管屬于流控流型的三端器件，當Vbe≥0.7V時，即Ib流過一個電流，Ic就有電流流過。而無論是邏輯取反電路，還是電平轉換電路，三極管都是用作“開關”，即使用三極管的“飽和”和“截止”兩個狀態(tài)。

為了上述電路能正常工作，必須使Ib≥1mA，三極管才能完全導通，工作在飽和導通狀態(tài)。由于控制信號為5V，則R2取值為5k能滿足條件?？紤]到電阻取值，這里取4.7k。R1為上拉電阻，這里取1k。為什么R2取1k不好呢？這里是從功耗的層面出發(fā)。由控制信號為5V，Vbe=0.7V，則電阻R2的功率由P=U²/R，當R2增大，功耗是減小的。

02.不合理之二：三極管基極出現(xiàn)高組態(tài)

在一個電路里面，任何一個半導體器件只允許有兩個狀態(tài)，要么是接高電平，要么是接低電平（有的芯片手冊上也看到，不用的引腳浮空，這里不做討論），就是為了避免出現(xiàn)高阻態(tài)的情況出現(xiàn)。高阻態(tài)意味著三極管的基極是一個不穩(wěn)定的狀態(tài)。

當S1開關導通時，三極管的基極此時為高電平；當S1開關斷開時，三極管的基極此時接R2，但是R2的左端懸空，即三極管的基極為高阻態(tài)（電平不確定）。既然電平不確定，就存在下面三個問題：

• 靜電
• 雷擊
• 電磁干擾

靜電大家比較熟悉，冬天穿好衣服如果立馬去開自己的筆記本電腦，經常會出現(xiàn)觸電的感覺，這就是靜電。而接觸放電在瞬時可以達到4kV，如果剛好這個靜電接觸到R2的左端，那么三極管在這一瞬間就會誤導通，甚至是損壞。所以經常會在產品上看到ESD防護等級要求，就是為了保證產品能過靜電干擾。

雷擊和靜電破壞原理差不多，如果產品用在室外，碰上雷雨電氣，R2左端會存在被幾十KV雷擊的危險，也會造成三極管的誤導通，而且肯定被燒毀。

電磁干擾是因為在空氣中存在著大量的電磁波，如果剛好在某個時候，周圍存在一個非常大的電磁波被電路吸收，那么三極管還是存在誤導通的風險。

因此，為了避免上面三種情況的發(fā)生，就要避免三極管的基極出現(xiàn)高阻態(tài)的情況。于是就在三極管的基極增加下拉電阻R3，保證開關斷開時，基極接地。但是問題來了，R3的取值為多大呢？

R3的取值，從兩個方面考慮，

• 流過三極管基極的電流Ib≥1mA

• Vbe≥0.7V

由于R2的取值能夠保證Ib，那是不是R3取2K，4.7K，5.6K 等，只要滿足Vbe≥0.7V就可以呢？

03.不合理之三：沒考慮三極管實際特性

半導體器件和導體不一樣，像電阻是導體，流過電阻兩端的電壓和電流是同相位，但是半導體器件由于生產工藝的原因，無法避免的在一些器件上產生了寄生電容也叫雜散電容。三極管的開通和關斷就不能按照電阻那樣分析，開關閉合，三極管立馬開通；開關關斷，三極管立馬關斷，這是理想的狀態(tài)。對于實際的電路，三極管的開通也是需要時間的。三極管的等效電路如圖所示（不考慮Cbc和Cce對電路的影響）。

三極管要開通，基極將經歷下面的過程:

• Ib電流對電容Cbe充電

• Cbe達到0.7V以后，三極管導通

• Cbe對be等效的PN結放電-

  

三極管完全導通時，此時Vce為0，三極管工作在飽和區(qū)；三極管完全關閉時，此時Vce為5V，三極管工作在截止區(qū)。Vce從0到5V的過程即為三極管關斷的過程，此過程中間有一個放大狀態(tài)，而放大狀態(tài)是我們設計并不希望它出現(xiàn)的，因此三極管的關斷要越快越好。顯然Cbe對整個電路的無論是在開通還是在關斷，都起到阻礙的作用。

為了加快三極管的開通，可以略微減小R2，能增加充電的電流；為了加快三極管的關斷，R3的取值顯然并不是越大越好。

根據(jù)經驗值，三極管的基極電阻R2取3.3K，R3取2K，是比較合適的。

從上面的分析可以看出，一個簡單的電路要設計好，包含的內容真的是太多了，功能上的實現(xiàn)只是理論層面的分析，真正用在產品上的電路，是需要經過多方面的考慮，包括封裝，型號，價格，功耗，可制造性等等問題。

最后設計的邏輯取反電路如下圖所示。

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