在數字芯片設計、微控制器應用和運算放大器中，集電極開(kāi)始輸出通常用于驅動(dòng)繼電器等高負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。

一、集電極開(kāi)路是什么意思？

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。當我們要求未連接任何電源時(shí)計算輸出電壓時(shí)，電壓不會(huì )發(fā)生變化。必須計算輸出端的電壓以了解集電極開(kāi)路電路的正常運行。

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

1、當 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 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 NPN 雙極晶體管在集電極開(kāi)路（OC 或 o/c）配置下運行時(shí)，它在完全開(kāi)啟或完全關(guān)閉之間運行，因此充當電子固態(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，而當施加合適的基極偏置電壓時(shí)，晶體管將完全導通。因此，當晶體管在其截止區 (OFF) 和飽和區 (ON) 之間運行時(shí)，它不會(huì )像在其有源區受控時(shí)那樣作為放大器件運行。

晶體管在截止和飽和之間的切換允許集電極開(kāi)路輸出驅動(dòng)外部連接負載的能力，這些負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)單獨的電源軌為負載供電來(lái)簡(jiǎn)單地獲得。例如，想要驅動(dòng)需要從 +5 伏邏輯門(mén)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，當使用集電極開(kāi)路輸出來(lái)切換數字信號、門(mén)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)有輸出驅動(dòng)能力，一般需要外接上拉電阻。這是因為對于 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)法返回或將其再次推回高電平。

當斷電時(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載電流值，電阻值的范圍通常為幾百到幾千歐姆。因此，對于 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，該電路可用于驅動(dòng)機電型設備以及許多其他開(kāi)關(guān)應用。NPN晶體管基極驅動(dòng)電路可以是任何合適的模擬或數字電路。晶體管的集電極連接到要切換的負載，晶體管的發(fā)射極端子直接接地。

對于 NPN 型集電極開(kāi)路輸出，當控制信號施加到晶體管的基極時(shí)，它會(huì )導通，并且連接到集電極端子的輸出通過(guò)現在導通的晶體管結點(diǎn)被下拉到地電位連接的負載并將其打開(kāi)。因此，晶體管開(kāi)關(guān)并傳遞負載電流 I L，其使用歐姆定律確定為：

負載電流，Iload= 負載電壓 / 負載電阻

當晶體管正基極驅動(dòng)被移除（關(guān)閉）時(shí)，NPN 晶體管停止導通，負載（可能是繼電器線(xiàn)圈、螺線(xiàn)管、小型直流電機、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載，因為 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)是集電極負載不需要連接到與晶體管驅動(dòng)電路相同的電壓電位，因為它可以使用較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 伏數字輸出引腳來(lái)驅動(dòng)機電繼電器。如果繼電器線(xiàn)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，則計算操作繼電器線(xiàn)圈所需的基極電阻。

通過(guò)線(xiàn)圈的電流可以使用歐姆定律計算為：I = V/R

集電極開(kāi)路計算公式

因此，對于直流電流增益為 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。

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

集電極開(kāi)路計算公式

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)）。當輸出接地時(shí)，輸出端電壓為0伏；當輸出開(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)是負載信號在完全導通時(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(lèi)型），但其集電極端必須拉高如果連接的負載無(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(lèi)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 溝道增強型 MOSFET 或 IGBT。

與雙極結型晶體管 (BJT) 需要基極電流來(lái)驅動(dòng)晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)不同，常開(kāi)（增強型）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) 端子連接到外部負載。

將 MOSFET（或 IGBT）用作漏極開(kāi)路（OD）器件時(shí)，在驅動(dòng)功率負載或連接到更高電壓電源的負載時(shí)，遵循與集電極開(kāi)路輸出（OC）相同的要求，因為使用上拉或下拉電阻適用。唯一的區別是 MOSFET 通道熱功率額定值和靜態(tài)電壓保護。

5、開(kāi)漏增強 MOSFET 配置

三、集電極開(kāi)路電路--TTL 門(mén)

當晶體管 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(mén)轉換為與門(mén)。

集電極開(kāi)路電路--TTL 門(mén)

集電極開(kāi)路與非門(mén)

使用集電極開(kāi)路邏輯門(mén)，可以開(kāi)發(fā)有線(xiàn) AND 和有線(xiàn)OR 門(mén)。在下圖中，多個(gè)與門(mén)在集電極開(kāi)路 TTL 門(mén)的幫助下進(jìn)行與運算，結果顯示為接線(xiàn)與。這是因為 AND 是通過(guò)對所有輸出進(jìn)行與運算而產(chǎn)生的，可以表示如下：

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

當所有 NAND 門(mén)的集電極端子都為輸出晶體管短路時(shí)，這將執行 ANDing 操作。通過(guò)這種有線(xiàn)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(mén)的有線(xiàn)與或

四、集電極開(kāi)路輸出接線(xiàn)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。

當在輸出端連接任何設備時(shí)，輸出設備應連接到能夠驅動(dòng)負載的正電壓源。

例如：當輸出設備為 12V 直流電機時(shí)，則輸出應接+12V。然后，負載的負極和接地端子連接到驅動(dòng)電機的設備的輸出。

當LM311芯片需要接一個(gè)12V直流電機時(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為漏極開(kāi)路的邏輯。這意味著(zhù)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)設備需要共享一條公共信號線(xiàn)的情況。

改進(jìn)的系統性能

較低的電容

更大的負載可以連接到收集器而沒(méi)有交叉擊穿的危險

集電極開(kāi)路輸出對電磁干擾相對不敏感

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，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)是的系統的更好選擇，這將很有用，例如, 是否使用 A 型或 B 型電機。

開(kāi)漏輸出在未驅動(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)路輸出驅動(dòng)多個(gè)負載。設備的最大電壓輸出受驅動(dòng)設備的VOH（高電壓）限制。例如，如果集電極開(kāi)路由 5V 設備驅動(dòng)，則可以施加到負載的最大電壓將為 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字設備連接。集電極開(kāi)路設計也不會(huì )像其他數字設計那樣受到串擾或噪聲的影響。然而，集電極開(kāi)路邏輯的缺點(diǎn)是它不如其他數字邏輯設計快。集電極開(kāi)路是某些集成電路 (IC) 上的一種輸出類(lèi)型，它無(wú)法吸收與標準輸出一樣多的電流。當用作輸入時(shí)，集電極開(kāi)路給出與開(kāi)關(guān)相同的結果：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(xiàn)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(xiàn)或連接。

集電極開(kāi)路輸出可以吸收比標準輸出更多的電流，使其成為驅動(dòng) LED 和其他低電流設備的理想選擇。

集電極開(kāi)路邏輯通常用于需要考慮電氣干擾 (EMI) 的應用中，因為輸出和地之間沒(méi)有內部連接可減少產(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)之一是可能存在競爭。當兩個(gè)或多個(gè)設備試圖同時(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，必須使用適當的設計和布局技術(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(zhù)如果需要驅動(dòng)高電平信號，就必須使用外部上拉電阻。