在數字電路的領域,常常把電壓簡化為電平,來描述邏輯狀態。比如TTL電平信號規定,+5V等價于邏輯“1”,也稱為高電平,0V等價于邏輯“0”,也就是低電平。數字電路里,只有0和1兩個狀態。其實從0V到+5V,有無數個電壓,為了便于處理數字電路,我們可以把無數個狀態按照電壓范圍,簡化為2個電平,因為我們只需要2個電平就能描述0和1這兩種狀態。
假設有兩個電路板需要通信,但是兩個電路板的電平標準不一樣:對于數字“1”,一個板子認為5V左右的電壓表示“1”;另一個板子認為3.3V左右的電壓表示“1”。即兩個板子對于高電平的定義不一樣,不能直接通信,這中間就需要一個翻譯。
翻譯工作可以由一個三極管電路來完成。由于只有0和1兩種情況,此時我們稱三極管工作在開關狀態。
當三極管的發射結導通以后,集電極與發射極之間會有電子流動,形成通路。飽和時集電極與發射極之間的電壓Vce最低只有幾十毫伏,可以忽略不計。所以,我們可以把輸入的電平連接到三極管的基極。對于NPN型的三極管,把電源正極連接集電極,電源地連接發射極。然后從集電極引出輸出電平。如果發射結導通,輸出電平等于Vce,約等于0;如果發射結截止,輸出電平等于電源電壓。為了保證即便集電極與發射極導通,電源也不會被短路,應該在集電極串聯一個電阻;同時,如果基極電流過大,可能在發射結導通的時候燒壞三極管,所以基極應該有串聯電阻,因此可得原理圖:
分析原理圖可知,基極高電平時,發射結導通,集電極“相當于”接地(其實還有幾十毫伏飽和壓降);基極低電平時,發射結不導通,集電極與VCC連接,是高電平。此電路可以實現電平轉換的功能,只不過相位正好相反了。
在此電路中有兩個電阻,作用都是限流,讓板子不被大電流燒壞。要保證三極管處于飽和區,集電極電流已經飽和,基極電流再增大,集電極電流也不會增大,也就是說,Ic/Ib。
配套電路板中的三極管的Hfe至少是200倍。當發射結導通時,為了使三極管工作在飽和區,需設定集電極電流達不到基極電流的200倍。從圖中可以看出,如果想要集電極與發射極之間的飽和壓降盡可能小一點,可以把集電極電流設置為幾毫安。電路板中集電極限流電阻取值為2.4K,在電源電壓為5V的時候,集電極電流只有2mA左右。基極限流電阻取值為30K,當基極電壓為3.3V的時候,基極電流不到100uA。集電極電流是基極電流的二十多倍,三極管工作在飽和區。
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