一文詳解集電極開(kāi)路

在數(shù)字芯片設(shè)計(jì)、微控制器應(yīng)用和運(yùn)算放大器中，集電極開(kāi)始輸出通常用于驅(qū)動(dòng)繼電器等高負(fù)載或用于連接其他電路。眾所周知，BJT是一個(gè)晶體管，有三個(gè)端子（發(fā)射極、基極和集電極），這些端子主要可以配置三種開(kāi)關(guān)模式：共基極、共集電極和共發(fā)射極。這篇文章主要是關(guān)于集電極開(kāi)路電路的相關(guān)知識(shí)。

一、集電極開(kāi)路的概念

集電極開(kāi)路是各種集成電路中常見(jiàn)的輸出。集電極開(kāi)路就像一個(gè)接地或斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)。除了將IC或任何其他晶體管的輸出連接到特定設(shè)備外，還連接到NPN晶體管的集電極開(kāi)路的基極端子，NPN晶體管的發(fā)射極端子與接地引腳內(nèi)部連接。

因此集電極開(kāi)路的輸出視為NPN晶體管，它允許電流吸收到公共端。對(duì)于這樣集電極開(kāi)路電路，必須有一個(gè)電源才能使輸出正常工作。當(dāng)我們要求未連接任何電源時(shí)計(jì)算輸出電壓時(shí)，電壓不會(huì)發(fā)生變化。必須計(jì)算輸出端的電壓以了解集電極開(kāi)路電路的正常運(yùn)行。

該電路可以根據(jù)晶體管的類型（NPN或者PNP）提供灌電流或拉電流輸出。

1、當(dāng) NPN 晶體管工作在“高”狀態(tài)時(shí)，它向地提供灌電流；在“低”狀態(tài)時(shí)，輸出端將浮動(dòng)，直到它通過(guò)上拉電阻連接到正電源電壓。

2、當(dāng) PNP 晶體管工作在“高”狀態(tài)時(shí)，它向地提供源電流；在“低”狀態(tài)時(shí)，輸出端將浮動(dòng)，直到使用下拉電阻連接到地。

下圖是集電極開(kāi)路邏輯圖。

集電極開(kāi)路邏輯

二、集電極開(kāi)路晶體管電路

1、NPN 集電極開(kāi)路輸出

當(dāng) NPN 雙極晶體管在集電極開(kāi)路（OC 或 o/c）配置下運(yùn)行時(shí)，它在完全開(kāi)啟或完全關(guān)閉之間運(yùn)行，因此充當(dāng)電子固態(tài)開(kāi)關(guān)。

也就是說(shuō)，在沒(méi)有施加基極偏置電壓的情況下，晶體管將完全關(guān)斷，而當(dāng)施加合適的基極偏置電壓時(shí)，晶體管將完全導(dǎo)通。因此，當(dāng)晶體管在其截止區(qū) (OFF) 和飽和區(qū) (ON) 之間運(yùn)行時(shí)，它不會(huì)像在其有源區(qū)受控時(shí)那樣作為放大器件運(yùn)行。

晶體管在截止和飽和之間的切換允許集電極開(kāi)路輸出驅(qū)動(dòng)外部連接負(fù)載的能力，這些負(fù)載需要比以前的共發(fā)射極配置所允許的更高的電壓和/或電流。唯一的限制是實(shí)際開(kāi)關(guān)晶體管的最大允許電壓和/或電流值。

那么集電極開(kāi)路輸出的優(yōu)點(diǎn)是，任何輸出開(kāi)關(guān)電壓都可以通過(guò)像以前一樣將集電極端子上拉到單個(gè)正電源，或者通過(guò)單獨(dú)的電源軌為負(fù)載供電來(lái)簡(jiǎn)單地獲得。例如，想要驅(qū)動(dòng)需要從 +5 伏邏輯門或 Arduino、Raspberry-Pi 輸出引腳的輸出提供 +12 伏電源的低電流燈或繼電器。

但其缺點(diǎn)是，當(dāng)使用集電極開(kāi)路輸出來(lái)切換數(shù)字信號(hào)、門電路或電子電路的輸入端時(shí)，由于三極管的集電極端沒(méi)有輸出驅(qū)動(dòng)能力，一般需要外接上拉電阻。這是因?yàn)閷?duì)于 NPN 晶體管，它只能在通電時(shí)將輸出拉低至地 (0V)，而在處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)無(wú)法返回或?qū)⑵湓俅瓮苹馗唠娖健?/p>

當(dāng)斷電時(shí)，必須使用連接在其集電極端子和電源電壓之間的外部“上拉電阻”將輸出再次拉高，以阻止集電極開(kāi)路端子在高電平 (+V) 和低電平之間浮動(dòng) ( 0V) 當(dāng)晶體管關(guān)閉時(shí)。

此上拉電阻的值并不重要，在某種程度上取決于輸出端所需的負(fù)載電流值，電阻值的范圍通常為幾百到幾千歐姆。因此，對(duì)于 NPN 雙極晶體管，其集電極開(kāi)路輸出僅為電流吸收輸出。

下面為集電極開(kāi)路晶體管電路。

集電極開(kāi)路開(kāi)關(guān)電路

上圖顯示了集電極開(kāi)路開(kāi)關(guān)電路的典型布置，該電路可用于驅(qū)動(dòng)機(jī)電型設(shè)備以及許多其他開(kāi)關(guān)應(yīng)用。NPN晶體管基極驅(qū)動(dòng)電路可以是任何合適的模擬或數(shù)字電路。晶體管的集電極連接到要切換的負(fù)載，晶體管的發(fā)射極端子直接接地。

對(duì)于 NPN 型集電極開(kāi)路輸出，當(dāng)控制信號(hào)施加到晶體管的基極時(shí)，它會(huì)導(dǎo)通，并且連接到集電極端子的輸出通過(guò)現(xiàn)在導(dǎo)通的晶體管結(jié)點(diǎn)被下拉到地電位連接的負(fù)載并將其打開(kāi)。因此，晶體管開(kāi)關(guān)并傳遞負(fù)載電流 I L，其使用歐姆定律確定為：

負(fù)載電流，Iload= 負(fù)載電壓 / 負(fù)載電阻

當(dāng)晶體管正基極驅(qū)動(dòng)被移除（關(guān)閉）時(shí)，NPN 晶體管停止導(dǎo)通，負(fù)載（可能是繼電器線圈、螺線管、小型直流電機(jī)、燈等）斷電并關(guān)閉。然后輸出晶體管可用于控制外部連接的負(fù)載，因?yàn)?NPN 晶體管集電極開(kāi)路的電流吸收開(kāi)關(guān)動(dòng)作可作為開(kāi)路 (OFF) 或短路 (ON)。

這里的優(yōu)點(diǎn)是集電極負(fù)載不需要連接到與晶體管驅(qū)動(dòng)電路相同的電壓電位，因?yàn)樗梢允褂幂^低或較高的電壓電位，例如 12 伏或 30 伏直流電。

同樣簡(jiǎn)單的數(shù)字或模擬電路也可用于通過(guò)簡(jiǎn)單地改變輸出晶體管來(lái)切換許多不同的負(fù)載。例如，10mA 時(shí)為 6 VDC（2N3904 晶體管），或 3 安培時(shí)為 40 VDC（2N3506 晶體管），甚至使用集電極開(kāi)路達(dá)林頓晶體管。

2、集電極開(kāi)路輸出示例 No1

在這個(gè)電路中需要來(lái)自 Arduino 板的 +5 伏數(shù)字輸出引腳來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)電繼電器。如果繼電器線圈的額定電壓為 12 VDC、100Ω，并且在其集電極開(kāi)路配置中使用的 NPN 晶體管的直流電流增益 (Beta) 值為 50，則計(jì)算操作繼電器線圈所需的基極電阻。

通過(guò)線圈的電流可以使用歐姆定律計(jì)算為：I = V/R

集電極開(kāi)路計(jì)算公式

因此，對(duì)于直流電流增益為 50 的 NPN 晶體管，需要 2.4mA 的基極電流，忽略約 0.2 伏的集電極-發(fā)射極飽和電壓 (V CE(sat) )?；叵胍幌?，晶體管的直流電流增益是指產(chǎn)生集電極電流需要多少基極電流。

當(dāng)晶體管完全導(dǎo)通時(shí)，基極-發(fā)射極結(jié) (V BE )兩端的壓降將為 0.7 伏。因此，所需的基極電阻 R B的值計(jì)算如下：

集電極開(kāi)路計(jì)算公式

3、集電極開(kāi)路工作原理

在集電極開(kāi)路邏輯中，輸出要么接地，要么保持開(kāi)路（斷開(kāi)）。當(dāng)輸出接地時(shí)，輸出端電壓為0伏；當(dāng)輸出開(kāi)路時(shí)，輸出電壓等于電源電壓。

集電極開(kāi)路工作原理

雖然 NPN 集電極開(kāi)路晶體管電路產(chǎn)生“電流吸收”輸出，即 NPN 晶體管集電極開(kāi)路端子會(huì)將電流吸收到地 (0V)，PNP 型晶體管也可用于集電極開(kāi)路配置以產(chǎn)生所謂的“電流源”輸出。

4、PNP 集電極開(kāi)路輸出

上面我們已經(jīng)看到，集電極開(kāi)路輸出的主要特點(diǎn)是負(fù)載信號(hào)在完全導(dǎo)通時(shí)通過(guò) NPN 雙極晶體管的開(kāi)關(guān)動(dòng)作主動(dòng)“下拉”到地電平，在關(guān)斷時(shí)再次被動(dòng)拉回產(chǎn)生電流吸收輸出。

但是我們可以創(chuàng)建相反的開(kāi)關(guān)條件，方法是使用 PNP 雙極晶體管的集電極開(kāi)路輸出主動(dòng)將其輸出切換到電源軌，并使用外部連接的“下拉”電阻器在關(guān)斷時(shí)再次將輸出被動(dòng)拉低。

對(duì)于 PNP 型集電極開(kāi)路輸出，晶體管只能將輸出高電平切換到電源軌，因此其輸出端必須通過(guò)外部連接的“下拉”電阻再次被動(dòng)拉低，如下圖所示。

下圖為集電極開(kāi)路 PNP 晶體管電路：

集電極開(kāi)路 PNP 晶體管電路

然后我們可以看到，NPN 型或 PNP 型集電極開(kāi)路輸出配置只能在 ON 時(shí)主動(dòng)將其輸出拉低至地，或拉高至電源軌（取決于晶體管類型），但其集電極端必須拉高如果連接的負(fù)載無(wú)法做到這一點(diǎn)，則通過(guò)使用連接到其輸出端子的上拉或下拉電阻被動(dòng)地向上或向下。所用輸出晶體管的類型及其開(kāi)關(guān)動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生電流吸收或電流源條件。

除了在集電極開(kāi)路配置中使用雙極晶體管外，還可以在其開(kāi)源配置中使用 n 溝道和 p 溝道增強(qiáng)型 MOSFET 或 IGBT。

與雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 需要基極電流來(lái)驅(qū)動(dòng)晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)不同，常開(kāi)（增強(qiáng)型）MOSFET 需要在其柵極 (G) 端子上施加合適的電壓。MOSFET 的源極 (S) 端子直接連接到地或電源軌，而開(kāi)漏 (D) 端子連接到外部負(fù)載。

將 MOSFET（或 IGBT）用作漏極開(kāi)路（OD）器件時(shí)，在驅(qū)動(dòng)功率負(fù)載或連接到更高電壓電源的負(fù)載時(shí)，遵循與集電極開(kāi)路輸出（OC）相同的要求，因?yàn)槭褂蒙侠蛳吕娮柽m用。唯一的區(qū)別是 MOSFET 通道熱功率額定值和靜態(tài)電壓保護(hù)。

5、開(kāi)漏增強(qiáng) MOSFET 配置

三、集電極開(kāi)路電路--TTL 門

當(dāng)晶體管 Tc 從圖騰柱配置中移除時(shí)，就會(huì)形成集電極開(kāi)路 TTL 柵極。通過(guò)在下圖中的輸出端子P和Q之間使用上拉電阻，可以將TTL與非門轉(zhuǎn)換為與門。

集電極開(kāi)路電路--TTL 門

集電極開(kāi)路與非門

使用集電極開(kāi)路邏輯門，可以開(kāi)發(fā)有線 AND 和有線OR 門。在下圖中，多個(gè)與門在集電極開(kāi)路 TTL 門的幫助下進(jìn)行與運(yùn)算，結(jié)果顯示為接線與。這是因?yàn)?AND 是通過(guò)對(duì)所有輸出進(jìn)行與運(yùn)算而產(chǎn)生的，可以表示如下：

X = (UV)' (WX)' (YZ)'

當(dāng)所有 NAND 門的集電極端子都為輸出晶體管短路時(shí)，這將執(zhí)行 ANDing 操作。通過(guò)這種有線或連接也可以通過(guò)德摩根原理得到，方程為

X = (UV + WX + YZ)'

在下圖中，上拉電阻值是通過(guò)每個(gè)輸出晶體管允許流過(guò)集電極端子的最大電流值已知的。

使用 TTL 與非門的有線與或

四、集電極開(kāi)路輸出接線圖

集電極開(kāi)路電路通常用于電壓比較器。很少有電壓比較器芯片是LM339、LM393和LM311，它們都作為集電極開(kāi)路器件工作。

當(dāng)在輸出端連接任何設(shè)備時(shí)，輸出設(shè)備應(yīng)連接到能夠驅(qū)動(dòng)負(fù)載的正電壓源。

例如：當(dāng)輸出設(shè)備為 12V 直流電機(jī)時(shí)，則輸出應(yīng)接+12V。然后，負(fù)載的負(fù)極和接地端子連接到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的設(shè)備的輸出。

當(dāng)LM311芯片需要接一個(gè)12V直流電機(jī)時(shí)，配置如下：

集電極開(kāi)路輸出的LM311芯片

五、集電極開(kāi)路的作用

集電極開(kāi)路邏輯是一種輸出信號(hào)為漏極開(kāi)路的邏輯。這意味著輸出可以吸收電流，但不能提供電流。集電極開(kāi)路邏輯通常用于多個(gè)設(shè)備需要共享一條公共信號(hào)線的情況。

改進(jìn)的系統(tǒng)性能

較低的電容

更大的負(fù)載可以連接到收集器而沒(méi)有交叉擊穿的危險(xiǎn)

集電極開(kāi)路輸出對(duì)電磁干擾相對(duì)不敏感

多個(gè)集電極開(kāi)路輸出可以連接在一起以創(chuàng)建邏輯或功能。例如，如果需要一個(gè)具有兩個(gè)輸入的 OR 函數(shù)，可以將這些輸出中的一個(gè)連接到 A，將另一個(gè)連接到 B。如果試圖找出哪個(gè)是的系統(tǒng)的更好選擇，這將很有用，例如, 是否使用 A 型或 B 型電機(jī)。

開(kāi)漏輸出在未驅(qū)動(dòng)時(shí)具有高阻抗，因此非常適合用作狀態(tài)指示器。集電極開(kāi)路邏輯的缺點(diǎn)之一是需要高電壓才能關(guān)閉電路。

集電極開(kāi)路輸出不能提供電流，因此不可能從單個(gè)集電極開(kāi)路輸出驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載。設(shè)備的最大電壓輸出受驅(qū)動(dòng)設(shè)備的VOH（高電壓）限制。例如，如果集電極開(kāi)路由 5V 設(shè)備驅(qū)動(dòng)，則可以施加到負(fù)載的最大電壓將為 5V。

六、集電極開(kāi)路優(yōu)缺點(diǎn)

1、優(yōu)點(diǎn)

集電極開(kāi)路邏輯的主要優(yōu)點(diǎn)是它很容易與其他數(shù)字設(shè)備連接。集電極開(kāi)路設(shè)計(jì)也不會(huì)像其他數(shù)字設(shè)計(jì)那樣受到串?dāng)_或噪聲的影響。然而，集電極開(kāi)路邏輯的缺點(diǎn)是它不如其他數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)快。集電極開(kāi)路是某些集成電路 (IC) 上的一種輸出類型，它無(wú)法吸收與標(biāo)準(zhǔn)輸出一樣多的電流。當(dāng)用作輸入時(shí)，集電極開(kāi)路給出與開(kāi)關(guān)相同的結(jié)果：它可以是 ON 或 OFF。使用集電極開(kāi)路輸出的優(yōu)點(diǎn)是它可以連接到其他集電極開(kāi)路作品以創(chuàng)建線或連接。

集電極開(kāi)路邏輯的主要優(yōu)點(diǎn)是：

可用于在多個(gè)輸出之間創(chuàng)建線或連接。

集電極開(kāi)路輸出可以吸收比標(biāo)準(zhǔn)輸出更多的電流，使其成為驅(qū)動(dòng) LED 和其他低電流設(shè)備的理想選擇。

集電極開(kāi)路邏輯通常用于需要考慮電氣干擾 (EMI) 的應(yīng)用中，因?yàn)檩敵龊偷刂g沒(méi)有內(nèi)部連接可減少產(chǎn)生的 EMI 量。

2、缺點(diǎn)：

使用集電極開(kāi)路邏輯時(shí)，主要缺點(diǎn)之一是可能存在競(jìng)爭(zhēng)。當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備試圖同時(shí)將輸出拉低時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。為了避免這種情況，必須使用適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和布局技術(shù)。另一個(gè)缺點(diǎn)是集電極開(kāi)路輸出只能吸收電流，不能提供電流。這意味著如果需要驅(qū)動(dòng)高電平信號(hào)，就必須使用外部上拉電阻。

小結(jié)

以上就是關(guān)于集電極開(kāi)路電路、集電極開(kāi)路晶體管電路、集電極開(kāi)路工作原理、集電極開(kāi)路TTL、集電極開(kāi)路輸出接線圖、集電極開(kāi)路優(yōu)缺點(diǎn)的有關(guān)知識(shí)，希望對(duì)讀者有所幫助。

審核編輯 ：李倩