集電極開路輸出在數(shù)字芯片設(shè)計(jì)、運(yùn)算放大器和微控制器 (Arduino) 類型應(yīng)用中越來(lái)越普遍，用于與其他電路連接或驅(qū)動(dòng)可能與電氣特性不兼容的指示燈和繼電器等大電流負(fù)載控制電路。但是“集電極開路”是什么意思，我們?nèi)绾卧陔娐吩O(shè)計(jì)中使用它。
    從我們之前的教程中我們知道，雙極結(jié)型晶體管，無(wú)論是NPN型還是PNP型，都是三端器件。這三個(gè)端子被標(biāo)識(shí)為Emitter、Base和Collector。
    我們可以使用雙極晶體管作為放大器運(yùn)行，即輸出信號(hào)的幅度大于輸入信號(hào)，或者更常見的是，作為固態(tài)“開/關(guān)”型電子開關(guān)。
    由于雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 是一種 3 端子器件，因此可以在三種不同的開關(guān)模式之一中配置和操作它。它們是公共基極(CB)、公共發(fā)射極(CE) 和公共集電極(CC)。
    當(dāng)用于放大（有源區(qū)）或開關(guān)（截止或飽和區(qū)）時(shí)，“共發(fā)射極”配置是迄今為止最常見的晶體管配置。這就是我們將在本教程中看到的關(guān)于集電極開路輸出的晶體管配置。
    考慮如下所示的標(biāo)準(zhǔn)共射極放大器配置。
      共發(fā)射極配置
    在這個(gè)單級(jí)共發(fā)射極配置中，電阻連接在晶體管的集電極端子和正電源軌 V CC之間。輸入信號(hào)施加在晶體管基極和發(fā)射結(jié)之間，發(fā)射極端子直接接地。因此，描述性術(shù)語(yǔ)“共發(fā)射極”(CE)。
    將晶體管“導(dǎo)通”所需的偏置電流 I B通過(guò)基極電阻 R B直接饋入 NPN 晶體管的基極，輸出信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào)反相 180 °，取自集電極和發(fā)射極端子。
    這允許將晶體管集電極電流控制在零（截止）和某個(gè)最大值（飽和）之間。這是共發(fā)射極配置的標(biāo)準(zhǔn)配置，既可以偏置為 A 類放大器，也可以作為邏輯開/關(guān)開關(guān)。
    這里的問題是晶體管及其集電極負(fù)載電阻都連接到一個(gè)公共電源電壓。集電極電阻 R C在這里用于允許集電極電壓 V C響應(yīng)施加到晶體管基極端子的輸入信號(hào)而改變值，從而允許晶體管產(chǎn)生放大的輸出信號(hào)。由于沒有 R C，集電極端子上的電壓將始終等于電源電壓。
    如前所述，當(dāng) V BE遠(yuǎn)小于 0.7 伏（零基極電流）或遠(yuǎn)大于 0.7 伏（最大基極電流）時(shí)，雙極結(jié)型晶體管可以在其截止區(qū)和飽和區(qū)之間工作。
    以這種方式，NPN 雙極晶體管可以用作執(zhí)行反相操作的電子開關(guān)，因?yàn)楫?dāng)晶體管“關(guān)斷”時(shí)，其集電極端子，因此 V CE ，在V CC 電平為“高” ，而當(dāng)它為“ON”時(shí)，（導(dǎo)通）V CE上的輸出將為“LOW”，例如，如果我們要控制繼電器、螺線管或燈，則這是相反的開關(guān)條件。
    克服晶體管開關(guān)狀態(tài)反轉(zhuǎn)的一種方法是完全移除集電極電阻 R C并使晶體管集電極端子可用于連接到某些外部負(fù)載。這種類型的設(shè)置會(huì)產(chǎn)生通常所說(shuō)的集電極開路輸出配置。
    NPN 集電極開路輸出
    當(dāng) NPN 雙極晶體管在集電極開路（OC 或 o/c）配置下運(yùn)行時(shí)，它在完全開啟或完全關(guān)閉之間運(yùn)行，因此充當(dāng)電子固態(tài)開關(guān)。
    也就是說(shuō)，在沒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)際開關(guān)晶體管的最大允許電壓和/或電流值。
    然后集電極開路輸出的優(yōu)點(diǎn)是，任何輸出開關(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，您可能想要驅(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?br>    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)。
    此上拉電阻器的值并不重要，在某種程度上取決于輸出端所需的負(fù)載電流值，電阻值范圍從幾百到幾千歐姆不等。因此，對(duì)于 NPN 雙極晶體管，其集電極開路輸出僅為電流吸收輸出。
    集電極開路晶體管電路
        上圖顯示了集電極開路開關(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。因此，晶體管開關(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，I load   = 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 晶體管集電極開路的電流吸收開關(guān)動(dòng)作可作為開路 (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），甚至使用集電極開路達(dá)林頓晶體管。
    集電極開路輸出示例 No1
    作為學(xué)校項(xiàng)目的一部分，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)算運(yùn)行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

    雙極晶體管基極電流
    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：

    三極管基極電阻
    那么集電極開路晶體管電路將是：    集電極開路

    集電極開路
    雖然 NPN 集電極開路晶體管電路產(chǎn)生“電流吸收”輸出，即 NPN 晶體管集電極開路端子會(huì)將電流吸收到地 (0V)，PNP 型晶體管也可用于集電極開路配置以產(chǎn)生所謂的“電流源”輸出。
    PNP 集電極開路輸出
    上面我們已經(jīng)看到，集電極開路輸出的主要特點(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)建相反的開關(guān)條件，方法是使用 PNP 雙極晶體管的集電極開路輸出主動(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)閉時(shí)再次將輸出被動(dòng)拉低。    對(duì)于 PNP 型集電極開路輸出，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，如圖所示。

    集電極開路 PNP 晶體管電路
    集電極開路pnp三極管電路
    然后我們可以看到，NPN 型或 PNP 型集電極開路輸出配置只能在 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。
    除了在集電極開路配置中使用雙極晶體管外，還可以在其開源配置中使用 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（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，而開漏 (D) 端子連接到外部負(fù)載。
    使用 MOSFET（或 IGBT）作為漏極開路(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)。    開漏增強(qiáng) MOSFET 配置

    開漏 mosfet 配置
    教程總結(jié)
    我們已經(jīng)在本教程中看到關(guān)于集電極開路輸出的信息，它可以提供電流吸收器或電流源輸出，具體取決于所使用的雙極晶體管類型（NPN 型或 PNP 型）。
    當(dāng) NPN 型晶體管處于“導(dǎo)通”狀態(tài)時(shí)，它將提供或“吸收”一條接地路徑。當(dāng)處于“OFF”狀態(tài)時(shí)，其輸出端可能浮動(dòng)，除非集電極開路輸出通過(guò)上拉電阻連接到正電源電壓。
    PNP 型晶體管的反之亦然。當(dāng)它處于“ON”狀態(tài)時(shí)，它將提供或“提供”來(lái)自電源軌的路徑。當(dāng)處于“OFF”狀態(tài)時(shí)，其輸出端可能懸空，除非集電極開路輸出通過(guò)下拉電阻接地（0V）。
    集電極開路輸出或漏極開路輸出的優(yōu)點(diǎn)是要切換或控制的負(fù)載可以連接到獨(dú)立的電壓源，和/或不同于控制電路使用的電源電壓，并且它們可以“吸收”或“源”外部提供的電壓取決于它是接地還是源。唯一的限制是輸出開關(guān)晶體管或 e-MOSFET 的最大允許電壓和電流額定值。