三极管逻辑取反电路：从理论到实践的详细分析

三极管是一种流控流型的三端器件，当Vbe≥0.7V时，会有电流流过Ib，进而使Ic也有电流流过。在逻辑取反电路或电平转换电路中，三极管通常被用作“开关”，即工作在“饱和”和“截止”这两种状态之间。

为了确保上述电路正常工作，Ib必须大于等于1mA，三极管才能完全导通，进入饱和状态。由于控制信号是5V，因此R2的取值为5kΩ可以满足这个条件。考虑到实际电阻值的选择，这里取4.7kΩ。而R1作为上拉电阻，则选择1kΩ。那么，为什么不选择R2为1kΩ呢？这主要是从功耗的角度考虑的。由于控制信号为5V，Vbe为0.7V，电阻R2的功耗由公式P=U²/R决定。当R2的阻值增大时，功耗会相应减小。

在电路设计中，任何一个半导体器件通常只有两种状态：要么接高电平，要么接低电平（虽然有些芯片手册中提到不用的引脚可以悬空，但这里我们暂不讨论）。这种设计是为了避免高阻态的出现，因为高阻态意味着三极管的基极处于不稳定的状态。

当S1开关导通时，三极管的基极为高电平；而当S1开关断开时，三极管的基极虽然连接了R2，但R2的左端悬空，这使得基极处于高阻态，即电平不确定。电平不确定会带来以下三个问题：

• 静电

• 雷击

• 电磁干扰

大家对静电应该比较熟悉，比如冬天穿上衣服后去触摸笔记本电脑时，经常会有触电的感觉，这就是静电。瞬间的静电接触放电可高达4kV，如果这种静电正好接触到R2的左端，可能会导致三极管瞬间误导通，甚至损坏。因此，许多产品上会标注ESD防护等级要求，目的就是为了确保产品能够承受静电干扰而不受损坏。

雷击的破坏原理与静电类似。如果产品应用在室外，在雷雨天气中，R2的左端可能会遭受高达几十千伏的雷击，这不仅会导致三极管误导通，甚至还会直接烧毁三极管。

电磁干扰则源于空气中存在的大量电磁波。如果在某个时刻，电路周围恰好有一个强大的电磁波被吸收，那么三极管同样有可能误导通。

因此，为了避免上述三种情况的发生，我们必须防止三极管的基极进入高阻态。为此，可以在三极管的基极增加一个下拉电阻R3，以确保在开关断开时，基极能够接地。然而，新的问题随之而来：R3的取值应该是多少呢？

R3的取值需要从两个方面来考虑：

• 确保流过三极管基极的电流Ib≥1mA

• 保证Vbe≥0.7V

既然R2的取值已经能够确保Ib满足要求，那么R3的选择是不是只要满足Vbe≥0.7V就可以呢？例如，选择2K、4.7K、5.6K等阻值，都是可行的。

半导体器件与导体不同，像电阻那样，流过电阻的电压和电流是同相位的。然而，半导体器件在生产过程中不可避免地存在寄生电容，也叫杂散电容。这使得三极管的开通和关断不能像电阻那样简单地分析。理想情况下，开关闭合时，三极管应该立刻开通；开关断开时，三极管应立刻关断。但实际上，三极管的开通和关断是需要一定时间的。三极管的等效电路（如图所示，不考虑Cbc和Cce的影响）展示了这一点。

使三极管开通，基极会经历以下几个步骤：

1. Ib电流充电至Cbe电容
   基极电流Ib首先对电容Cbe进行充电。

2. Cbe达到0.7V后，三极管开始导通
   当电容Cbe的电压达到0.7V时，三极管开始导通。

3. Cbe电容对be等效PN结放电
   随后，Cbe电容会对基极-发射极之间的等效PN结进行放电。

当三极管完全导通时，Vce为0，此时三极管处于饱和区；当三极管完全关闭时，Vce为5V，此时三极管处于截止区。Vce从0V到5V的过渡过程就是三极管关断的过程，在这个过程中，三极管会经历一个放大状态，而这个放大状态在我们的设计中是不希望出现的。因此，三极管的关断过程应尽可能快速。显然，Cbe电容在三极管的开通和关断过程中都会造成阻碍。

为了加快三极管的开通速度，可以略微减小R2，以增加充电电流；为了加快三极管的关断速度，R3的取值也不是越大越好。

根据经验，基极电阻R2取3.3KΩ，R3取2KΩ是比较合适的选择。

从上述分析可以看出，即使是一个简单的电路设计，也涉及到很多方面的考虑。功能上的实现只是理论分析的一部分，实际应用中的电路设计还需要综合考虑封装、型号、价格、功耗、可制造性等多个因素。

最后，设计完成的逻辑取反电路如下图所示。