BJT实现逻辑门

BJT晶体管可以实现逻辑门，事实上，在场效应管（FET）被发明用于集成电路以前，各种逻辑门芯片中的电路就是用BJT晶体管来实现的。最早人们使用二极管与BJT组合来实现逻辑门，称为二极管-晶体管逻辑（Diode-Transistor Logic），简称DTL；后来改进为全部用BJT晶体管来实现逻辑门，称为晶体管-晶体管逻辑（Transistor-Transistor Logic），简称TTL。早期广为人知的TTL电平，就是基于这种用BJT晶体管实现的逻辑门。TTL的优点是响应速度比较快，缺点是功耗较大，所以后来基本被功耗更低的场效应管取代。

我在这里梳理了几个最简单的逻辑门的实现——反相器、或非门、与非门，主要用来巩固概念，也便于区分BJT在逻辑电路和放大电路上应用的区别。即放大电路中，BJT都工作于放大区，而在用BJT实现逻辑门时，却要使BJT工作在饱和区和截止区，而不能使用放大区，这个是逻辑电路和放大电路的在使用BJT时的根本区别。

反相器

反相器的功能很简单，就是将输入的电平反向输出：输入高电平——输出低电平，输入低电平——输出高电平。下面是反相器的实现电路：

在作逻辑分析时，我们一般做如下近似：将V_BE的导通值视为0.7V，将典型值为0.1V-0.3V的饱和电压V_CEsat近似视为0.2V。

下面是反相器电路工作原理：

当V_i输入为0V时，BJT截止，V_o输出电平即为5V。
当V_i输入为5V时，BJT的CE端导通，产生电流I_C，若此时BJT处于饱和区，V_CE近似可视为饱和电压0.2V，此时输出电平Vo即为0.2V。

这个电路的关键点在于如何选取合适的R_B与R_C值以确保BJT在导通时确实工作于饱和区。一般可以先根据外部负载条件定出一个符合输出阻抗要求的R_C，然后再根据饱和要求，用公式推算出能使BJT进入临界饱和的大致R_B值，再加点余量。最后验证在高电平输入条件下，BJT在此R_B配置下是否确实工作于饱和区。具体方法可参看下面的例题：

例题：在下图的反相器中，已知 β=100，根据外部负载匹配，要求R_C为500Ω，请选取合适的R_B值使反相器能正常工作。

解：先计算出，在这个R_C条件下，当BJT处于临界饱和时的I_Csat值：

然后计算临界饱和时的I_Bsat值（当处于临界饱和时，β仍视为100）：

使此I_Bsat成立的R_Bsat为：

为使BJT进入更深度的饱和，我们选取R_B为比R_Bsat更小的值，假定选取为20kΩ。

验证：当R_B为20kΩ时，I_B为：

此时电流放大倍数β为：

可知，在此R_B值下，BJT导通时确实处于饱和区，原假设正确。

或非门

或非门BJT实现电路和输入输出真值表如下图所示（其中1表示高电平，0表示低电平）：

下面是或非门电路工作原理：

当V_i1和V_i2输入都为0V时，晶体管Q1和Q2都截止，V_o输出电平为5V。
当V_i1输入为5V、V_i2输入为0V时，晶体管Q1导通、Q2截止，由于Q1工作于饱和区，V_CE1=V_CEsat≈0.2V，故V_o输出电平为0.2V。
同样的，当V_i2输入为5V时、V_i1输入为0V时，晶体管Q2导通、Q1截止，V_CE2=V_CEsat≈0.2V，故V_o输出电平为0.2V。
当V_i1和V_i2都输入0V时，晶体管Q1和Q2都导通，V_CE1=V_CE2=V_CEsat≈0.2V，故V_o输出电平为0.2V。

关于如何配置R_B1、R_B2、R_C的值使BJT晶体管工作于饱和区，这个和前面反相器的计算方法是类似的。

与非门

与非门的实现需要二极管的配合，其实现电路和真值表如下图所示：

下面是与非门电路工作原理：

当V_i1和V_i2输入中有任一个为0V时，输入二极管D_i1或D_i2就会导通，此时V₁点的电压即为二极管的导通阈值电压0.7V。这个电压无法使右边的D₁和Q₁都导通，因为若要使D₁和Q₁的发射结都导通，V_B点的电压起码需要0.7V，而V₁点的电压需要0.7+0.7=1.4V。而在V₁只有0.7V的情况下，右边的D₁和Q₁的发射结每个只能分到0.35V左右的电压，故D₁和Q₁都截止，输出V_o保持5V的高电平。
当V_i1和V_i2输入全都为5V时，输入二极管D_i1和D_i2全都截止，此时V_CC会使R₁、D₁和Q₁形成通路，V_B点的电压为0.7V，V₁点的电压为1.4V。由于Q₁导通时工作于饱和状态，故输出V_o为V_CEsat约等于0.2V。

至于如何配置R₁、R_B、R_C，原理和前面是一样的——根据输出阻抗匹配先定R_C，然后计算为使Q₁进入饱和区的R₁，和反相器的计算方法也是类似的。R_B称作下拉电阻，其主要作用是当Q₁从饱和状态切换到截止状态时，使基区过剩的少数载流子有个渠道流掉，以减少切换开关时间。

关于TTL

在上面电路中，我们用DTL（二极管-晶体管逻辑）实现了与非门。如果要用传说中的TTL（晶体管-晶体管逻辑）又应该怎么实现呢。

仍以上面的与非门为例，假设先去掉D_i2，那么，在图中两个背靠背的二极管D_i1和D₁，其实可以看成是一个NPN型三极管，如下图所示：

在分立元器件的BJT晶体管中，C极和E极的掺杂浓度是不对称的，所以分立元器件中不能像上图这样等效，但是在制作集成电路芯片时，是可以在片上做成像上面右图那样的对称管的。而且，在集成电路制作时还可以加入多个发射极，如下图所示：

如此，就实现了一个二输入与非门的TTL电路。如果要实现n个输入的与非门，还可以加入n个发射极。当然，这种多发射极的BJT晶体管只能在集成电路芯片中实现，分立元器件的话是没有这种器件的。

BJT实现开关电路

基本用法

用BJT晶体管实现开关功能是经常会用到的实用电路。和逻辑门电路类似，当BJT用于开关电路时，也只工作于饱和区和截止区。开关功能的实现电路如下图所示，负载可以是发光二极管、电动机等等。

开关电路的工作原理如下：

当V_i输入0V时，晶体管截止，负载R_L上没有电流通过；
当V_i输入高电平时（一般可等于VCC，也可以定义其他电平值），晶体管导通且进入饱和状态，负载R_L上有电流通过，并且负载上的电压约等于V_CC-V_CEsat。

开关电路的R_B值的设计思路也和前面逻辑门相似，也是根据负载R_L的实际情况，计算出能使晶体管进入饱和区的R_B，然后再代入验算结果，如以下例题所示：

例题：在下面的开关电路中，V_CC=12V，电动机负载的有效电阻为R_L=5Ω，晶体管的β=100，要求V_i的开启电压为5V，试求：（1）能使电路工作的R_B；（2）负载上的电流I_L和负载功耗P_L；（3）晶体管本身的耗损功率。

解：（1）当晶体管临界饱和时：

此时临界饱和电流I_Csat为：

然后计算临界饱和时的I_Bsat值（当处于临界饱和时，β仍视为100）：

使此I_Bsat成立的R_Bsat为：

为使BJT进入更深度的饱和，我们选取R_B为比R_Bsat更小的值，假定选取为100Ω。

验证：当R_B为100Ω时，I_B为：

此时电流放大倍数为：

可知，在此R_B值下，当V_i输入5V使BJT导通时晶体管确实处于饱和区，原假设正确。

（2）当晶体管饱和时，负载电流I_L为：

负载上的功耗P_L为：

（3）晶体管上的耗损功率P_D为：

可以看到，晶体管上的耗损功率P_D和负载功率P_L比起来还是很小的。

（4）补充说明：

本例中，负载为电动机，一般对于这种含有电感的负载（电动机、继电器线圈等），用晶体管直接去关断比较危险，因为当电感中的电流突变时，电感会产生非常大的感生电动势，严重时可能会超过晶体管的击穿电压而使晶体管损坏。

所以一般的处理方法是在含有电感的负载旁边并联一个反向二极管，从而使得当晶体管关断时，电感中的剩余电流能够有回路泄掉，而不至于突变产生高压，如下图所示：

开关特性

由于有内部PN结和少数载流子的存在，所以和二极管一样，BJT晶体管在导通和关断时也不是瞬间完成的，而是有一定的延迟时间，如下图所示：

主要参数：

td：延迟时间（delay time），当基极输入变为高电平后，I_C从0上升到目标值的10%所需的时间。
tr：上升时间（rise time），I_C从10%上升到90%所需的时间。
ton：开启时间（on time），ton = ts + tr，当I_C从0上升到90%时，我们就可以认为晶体管已基本开启。
ts：存储时间（storage time），当基极开路或输入低电平后，I_C从100%下降到90%所需的时间。
tf：下降时间（fall time），I_C从90%下降到10%所需的时间。
toff：关断时间（off time），toff = ts + tf，当I_C从100%下降到10%时，我们就可以认为晶体管已基本关断。

这些参数在晶体管数据规格书中都会给出，以2N4123为例，在规格书Figure 2中，可读出这些参数值：

当I_C=20mA时，在图中可大致读出：

td = 13ns， tr = 13ns， ts = 110ns， tf = 11ns

开启时间为：ton = td + tr = 13ns + 13ns = 26ns
关断时间为：toff = ts + tf = 100ns + 11ns = 111ns

在要求不太高的功率开关场合，以上的延迟时间基本也够用了。另外有一类晶体管称为开关型晶体管（switching transistor），其开启和关断时间要比上面的值再小一个数量级，都只有十几个纳秒（如BSV52等），具体可参看相关数据规格手册。

BJT实现电流源

恒流源

简易恒流源

用BJT晶体管可以构造一个简易的恒流源，实现电路如下：

在学习采用分压偏置的射极放大电路的特性时，可以发现，分压偏置具有非常好的稳定性，几乎不受晶体管的β参数偏移的影响，因此可以用这个分压偏置电路来实现恒流源。其电路计算方法与分压偏置也是类似的：

基极电压V_B为：

发射极电压V_E为：

最终输出电流为：

当然，这个恒流源假设BJT晶体管工作在正常的放大区内，所以负载的阻值R_{L_{不能太大，否则R_L上会产生过大的压降，迫使VCE变小直至小于V_CEsat而进入饱和区，最终导致电流源失效。所以一般只能用于低成本、对输出电流要求不高的场合。}}

改进的恒流源

上面的简易恒流源还有个缺点，就是输出电流受V_CC的影响较大。若V_CC有波动，基极偏置电压V_B也会跟着产生波动，然后V_E也跟着波动，最终导致输出电流也会波动变化，稳定性不好。

那有什么低成本的稳压器件呢？有的，答案就是齐纳二极管。改进恒流源电路如下：

如此，基极电压V_B可以稳定在齐纳V_Z，最终的输出电流为：

从上式可见，输出电流表达式中没有V_CC，因此输出电流不受V_CC波动的影响。而且，齐纳二极管一般受温度影响也比较小，所以上面这个改进的恒流源电路有较好的稳定性。当然，前提还是要工作在BJT的放大区范围内才行。

用PNP管实现恒流源

上面的改进恒流源还有个问题，就是负载R_L不能接地，只能悬空使用。若要使R_L能接地，必须再想办法。考虑到PNP型晶体管的电流方向相反，集电极可以接地使用，因此可用PNP型来实现恒流源，电路如下：

上图中，计算原理和前面是一样的，只是PNP晶体管的计算方向全部相反：

输出电流的最终表达式与前面使用NPN型晶体管的表达式是一样的。

镜像电流源

镜像电流源（Current Mirror）有时也被称为电流镜，是一种利用两个对称的晶体管产生恒流源的电路。不过，镜像电流源一般只应用于集成电路芯片内部的设计（比如运放的设计），很少在分立元件电路中使用。因为分立元器件很难找到两个放大系数一模一样的对称晶体管，而在集成电路芯片制造中做两个特性完全一致的片上晶体管是可以做到的。所以，一般如果不是专门从事IC设计的话，一般用不到这个电路。

电流镜的基本实现原理见下图：