搞硬件的人誰(shuí)沒跟三極管打過交道但說實(shí)話真正把三極管用明白的人真不多。很多朋友一開始就被NPN、PNP、β、Vce(sat)這些概念繞暈了要么照著網(wǎng)上的電路抄一個(gè)要么憑感覺選電阻最后要么管子發(fā)燙、要么開關(guān)不徹底、要么放大電路自激。我在實(shí)際項(xiàng)目里踩過太多這方面的坑所以這篇想把三極管從頭到尾捋一遍原理、參數(shù)、特性、開關(guān)應(yīng)用、放大應(yīng)用、選型對(duì)比以及和MOS管的那些糾葛全給你講透。不管你是剛?cè)腴T的電子愛好者還是被三極管折磨過的在職工程師這篇應(yīng)該能幫你把以前那些模糊的概念一次性焊死。1. 從物理結(jié)構(gòu)看原理NPN和PNP其實(shí)就一句話1.1 三層半導(dǎo)體的三明治結(jié)構(gòu)三極管的核心結(jié)構(gòu)就是三層半導(dǎo)體材料交替堆疊。NPN管從外到里是N型、P型、N型PNP管反過來(lái)是P型、N型、P型。中間那層非常薄而且摻雜濃度低這就是基區(qū)。你把它想象成一個(gè)帶閘門的水壩發(fā)射極是水庫(kù)集電極是下游用水區(qū)基極就是那個(gè)閘門。閘門開多大水就流多少。這個(gè)類比雖然粗但方向是對(duì)的——三極管本質(zhì)就是一個(gè)電流控制電流的元件基極電流是控制信號(hào)集電極電流是被控制的輸出。三個(gè)極分別叫發(fā)射極EmitterE、基極BaseB、集電極CollectorC。注意發(fā)射極和集電極雖然結(jié)構(gòu)上對(duì)稱但實(shí)際制造時(shí)摻雜濃度和面積完全不同所以E和C不能互換用。市場(chǎng)上某些數(shù)字晶體管內(nèi)部集成電阻倒是有對(duì)稱設(shè)計(jì)但常規(guī)三極管你把它倒著插要么放大倍數(shù)暴跌要么直接燒掉。1.2 NPN和PNP的導(dǎo)通方向差異NPN和PNP的電源極性、電流方向完全相反這是初學(xué)者最糾結(jié)的地方其實(shí)只需要記住一條鐵律無(wú)論NPN還是PNP正常工作時(shí)發(fā)射結(jié)BE結(jié)必須正偏集電結(jié)BC結(jié)必須反偏。NPN管電流從基極流入、從發(fā)射極流出集電極電流從C流向EPNP管則反過來(lái)電流從發(fā)射極流入、從基極流出集電極電流從E流向C。你只要抓住箭頭方向就是電流方向這個(gè)口訣——NPN的發(fā)射極箭頭朝外PNP的箭頭朝內(nèi)——就永遠(yuǎn)不會(huì)搞反。實(shí)際接線時(shí)NPN做低邊開關(guān)負(fù)載接電源和集電極之間發(fā)射極直接接地PNP做高邊開關(guān)負(fù)載接集電極和地之間發(fā)射極接電源。這幾乎是行業(yè)默認(rèn)的用法后面實(shí)戰(zhàn)部分我會(huì)詳細(xì)算電阻。1.3 電流關(guān)系Ic βIb 是怎么來(lái)的三極管能放大靠的是基區(qū)很薄這個(gè)物理事實(shí)。發(fā)射結(jié)正偏時(shí)發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子被注入到基區(qū)因?yàn)榛鶇^(qū)極薄絕大部分載流子來(lái)不及復(fù)合就擴(kuò)散到了集電結(jié)邊界被集電極的電場(chǎng)拉走形成集電極電流。只有很少一部分在基區(qū)復(fù)合形成基極電流。于是就有了那個(gè)著名的關(guān)系式IE IC IB IC β × IB其中β叫直流電流放大倍數(shù)hFE典型值在幾十到幾百之間。2N5089這種低噪聲管子的hFE能做到300~900而功率管的hFE往往只有20~50這就是為什么功率管經(jīng)常需要達(dá)林頓結(jié)構(gòu)來(lái)提升等效放大倍數(shù)。這里有個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)β不是一個(gè)精確的常數(shù)它隨集電極電流、溫度、電壓都會(huì)漂移。同一批次的管子β可能從150到300之間隨機(jī)分布所以設(shè)計(jì)電路時(shí)千萬(wàn)不要依賴精確的β值。后面算電阻時(shí)我會(huì)講怎么通過深度飽和的思路來(lái)消除β的誤差。2. 三種工作狀態(tài)截止、放大、飽和的本質(zhì)區(qū)別2.1 截止?fàn)顟B(tài)門檻沒到什么都不干當(dāng)基極-發(fā)射極電壓VBE低于導(dǎo)通閾值硅管約0.5~0.7V鍺管約0.2~0.3V時(shí)發(fā)射結(jié)沒有開啟基極電流IB基本為0集電極電流IC也幾乎為0只剩微安級(jí)的漏電流這時(shí)候三極管相當(dāng)于一個(gè)斷開的開關(guān)。實(shí)際做開關(guān)電路時(shí)為了讓管子可靠截止我會(huì)把基極電壓明確拉到0V或者通過下拉電阻到地。別小看這一步如果基極懸空外界一點(diǎn)干擾就能讓VBE飄到0.7V以上管子莫名其妙就導(dǎo)通了這在MCU上電瞬間特別常見。GPIO沒有初始化的時(shí)候是高阻態(tài)如果不加下拉電阻三極管基極等于懸空輕則LED閃一下重則電機(jī)轉(zhuǎn)一下這都是實(shí)際項(xiàng)目里踩過的坑。2.2 放大狀態(tài)小電流指揮大電流當(dāng)VBE達(dá)到0.7V左右發(fā)射結(jié)開啟IB開始流動(dòng)此時(shí)如果集電結(jié)仍處于反偏即VCE大于飽和壓降三極管就進(jìn)入了放大區(qū)。在這個(gè)區(qū)域里IC β × IB基極電流的微小變化會(huì)等比反映在集電極電流上這就是放大的物理來(lái)源。注意放大狀態(tài)要求VCE不能太低。一般來(lái)說VCE在1V以上才能保證集電結(jié)反偏管子才老老實(shí)實(shí)工作在放大區(qū)。如果VCE被壓得太低集電結(jié)從反偏變成正偏三極管就進(jìn)入飽和區(qū)了。放大區(qū)是模擬電路的地盤音頻放大、傳感器信號(hào)調(diào)理都用它。但數(shù)字電路設(shè)計(jì)里反而要盡量避免管子停留在放大區(qū)因?yàn)檫@時(shí)候管子上的功耗很大VCE和IC都不是0效率低不說發(fā)熱嚴(yán)重。2.3 飽和狀態(tài)開關(guān)電路的正確打開方式飽和的定義是VCE降到VCE(sat)以下典型硅管約0.2V深度飽和時(shí)可以到0.1V左右。此時(shí)集電結(jié)也正偏了IC β × IB這個(gè)關(guān)系不再成立實(shí)際IC小于β×IB管子失去了放大能力卻獲得了極低的導(dǎo)通壓降。對(duì)開關(guān)電路來(lái)說飽和就是開關(guān)閉合的理想狀態(tài)管子兩端壓降只有0.2V流過大電流也不會(huì)燒功耗小。要讓三極管可靠飽和業(yè)內(nèi)通用的做法是給基極電流留足裕量IB 2~5 × IC / β(min)也就是把基極電流設(shè)計(jì)成理論最小值的2到5倍這叫過驅(qū)動(dòng)。為什么這么干因?yàn)棣掠须x散性你用典型值算實(shí)際管子β偏小的話就飽和不了管子落在放大區(qū)VCE可能有個(gè)1~2V功耗全燒在管子上發(fā)熱嚴(yán)重。過驅(qū)動(dòng)之后就算β只有標(biāo)稱值的一半管子依然能硬扎進(jìn)飽和區(qū)。還有一個(gè)細(xì)節(jié)值得說飽和越深關(guān)斷越慢。因?yàn)轱柡蜁r(shí)基區(qū)積累了大量的超額載流子這些載流子需要時(shí)間復(fù)合或者被抽走這就是存儲(chǔ)時(shí)間。高頻開關(guān)應(yīng)用中我會(huì)用抗飽和電路或者直接用肖特基鉗位來(lái)加速關(guān)斷這個(gè)后面在問題排查部分再展開。3. 關(guān)鍵參數(shù)與選型讀datasheet的正確姿勢(shì)3.1 必須吃透的六個(gè)核心參數(shù)看三極管datasheet時(shí)其他參數(shù)可以先放一邊但這幾個(gè)必須逐項(xiàng)弄明白VCEO與VCBO前者是基極開路時(shí)C-E之間能承受的最大電壓后者是發(fā)射極開路時(shí)C-B之間能承受的最大電壓。設(shè)計(jì)電路時(shí)實(shí)際VCE要留至少20%的降額。比如你母線電壓是12V選VCEO只有25V的管子勉強(qiáng)湊合但如果負(fù)載是感性負(fù)載電機(jī)、繼電器關(guān)斷瞬間會(huì)有反電動(dòng)勢(shì)尖峰這時(shí)候VCEO選40V甚至60V才安全。IC最大集電極電流這個(gè)參數(shù)對(duì)開關(guān)管極其關(guān)鍵。注意IC標(biāo)的是最大允許值不代表你可以在那個(gè)電流下長(zhǎng)期工作還要看功率限制。標(biāo)稱IC500mA的管子環(huán)境溫度高了以后實(shí)際允許電流可能腰斬。PCM最大耗散功率這是管子發(fā)燙的根源參數(shù)。PCM VCE × IC工作在開關(guān)狀態(tài)時(shí)VCE很小所以功耗低但如果管子沒飽和VCE可能高達(dá)數(shù)伏電流再大一點(diǎn)功耗就超了。這就是為什么很多三極管開關(guān)電路莫名其妙發(fā)燙——多半是沒進(jìn)入飽和狀態(tài)。VCE(sat)與VBE(sat)飽和壓降和飽和時(shí)基極電壓。計(jì)算開關(guān)損耗和基極電阻時(shí)必用。9013的VCE(sat)典型值0.2VIC500mA、IB50mA條件下基極電阻計(jì)算就用VBE(sat)≈1.0V大電流時(shí)比0.7V高不少。hFE直流電流放大倍數(shù)選型時(shí)要看最小值不是看典型值。2N5089的hFE最小值也有300做低頻低噪聲放大非常爽S8550這種開關(guān)管的hFE最小只有40算基極電阻時(shí)就得用40不能按150算。fT特征頻率電流增益下降為1時(shí)的頻率。做高頻放大、高速開關(guān)時(shí)要關(guān)注。9013的fT大約150MHz用于幾百kHz的開關(guān)綽綽有余但你要做幾十MHz的射頻放大就得換管子了。3.2 常用型號(hào)橫向?qū)Ρ扰c選型思路下面是我平時(shí)用得最多的幾個(gè)型號(hào)按應(yīng)用場(chǎng)景分類整理型號(hào)類型VCEO (V)IC (mA)hFE (min)fT (MHz)典型場(chǎng)景9013NPN2550064150通用小信號(hào)開關(guān)9012PNP2550064150通用小信號(hào)開關(guān)高邊2N2222ANPN40800100250中小電流開關(guān)、驅(qū)動(dòng)2N3904NPN40200100300小信號(hào)開關(guān)、放大2N3906PNP40200100250小信號(hào)高邊開關(guān)2N5089NPN2510030050低噪聲音頻前置放大S8050NPN2550040100低成本中電流開關(guān)S8550PNP2550040100低成本高邊開關(guān)D882NPN4030006090電機(jī)/電磁閥驅(qū)動(dòng)TIP41CNPN1006000153功率放大、線性電源選型思路就三條先看電壓夠不夠再看電流夠不夠最后確認(rèn)速度。保存好這張表大部分項(xiàng)目夠用了。如果想省事可以把2N2222A和2N3906作為NPN和PNP的默認(rèn)首選這倆參數(shù)均衡市場(chǎng)供應(yīng)量大價(jià)格便宜我絕大多數(shù)項(xiàng)目都用它們起步。3.3 設(shè)計(jì)計(jì)算電阻怎么選裕量留多少以一個(gè)最簡(jiǎn)單的LED驅(qū)動(dòng)電路為例。之前有人問過5V供電、LED工作電流20mA、LED導(dǎo)通壓降2VNPN三極管9013做開關(guān)基極電阻到底取多少我完整算一遍第一步算集電極負(fù)載電阻RC。飽和時(shí)VCE(sat)取0.2VRC (VCC - VLED - VCE(sat)) / IC (5 - 2 - 0.2) / 0.02 140Ω實(shí)際取150Ω或120Ω都可以滿足電流需求。LED電流不是精密的差一點(diǎn)點(diǎn)亮度都看不出來(lái)取標(biāo)稱值附近就行。第二步算基極電阻RB。這是新手最容易翻車的地方。9013的hFE最小值64IC20mAIB(min) IC / hFE 20 / 64 0.31mA但如果按這個(gè)算實(shí)際管子可能剛好處于臨界飽和溫度一升高β下降就掉出飽和區(qū)。我通常取5倍過驅(qū)動(dòng)IB(design) 5 × 0.31 1.56mA RB (VIH - VBE(sat)) / IB(design) (5 - 0.9) / 0.00156 ≈ 2.6kΩ取標(biāo)稱值2.2kΩ或2.7kΩ都行。注意我用VIH5V是因?yàn)镸CU GPIO高電平輸出在帶載時(shí)會(huì)略有跌落實(shí)際高電平可能只有4.6~4.8V取5V算出來(lái)的RB偏小一點(diǎn)正好是安全方向。VBE(sat)在大電流下用0.9V而不是0.7V也是為了讓結(jié)果更貼近實(shí)際。提示基極電阻寧小勿大。電阻小了基極電流大一點(diǎn)管子飽和更深開關(guān)更可靠電阻大了管子可能進(jìn)入放大區(qū)發(fā)熱、壓降大、開關(guān)不徹底。唯一要注意的是基極電流別超過手冊(cè)最大額定IB一般小信號(hào)管IB不超過10~20mA就沒問題。4. 開關(guān)電路實(shí)戰(zhàn)LED、電機(jī)、電平轉(zhuǎn)換4.1 NPN低邊開關(guān)最經(jīng)典的接法NPN低邊開關(guān)的接線負(fù)載一端接電源正極另一端接三極管集電極發(fā)射極接地基極通過電阻接控制信號(hào)。MCU輸出高電平時(shí)管子導(dǎo)通負(fù)載得電輸出低電平時(shí)管子截止。為什么負(fù)載要放在集電極而不是發(fā)射極因?yàn)樨?fù)載放發(fā)射極的話發(fā)射極電壓會(huì)被負(fù)載抬起來(lái)VBE變成控制電壓減去發(fā)射極電壓你給3.3V的GPIO可能都不夠把管子打開這叫做發(fā)射極負(fù)反饋會(huì)吃掉你的開關(guān)能力。所以低邊開關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)接法必須負(fù)載在集電極側(cè)。這個(gè)拓?fù)涞暮锰幨怯肗PN管就能直接控制電源正極側(cè)負(fù)載不需要額外的高邊驅(qū)動(dòng)電路。MCU的GPIO和負(fù)載地共地就能工作非常簡(jiǎn)潔。我之前做過一個(gè)8路LED控制板就是用8個(gè)9013做低邊開關(guān)每個(gè)基極串2.2kΩ電阻板子跑了幾個(gè)月沒出過問題。4.2 PNP高邊開關(guān)高邊控制的取舍有些場(chǎng)景要求負(fù)載一端直接接地比如共陽(yáng)極LED顯示屏、汽車燈具這時(shí)候就得用PNP高邊開關(guān)發(fā)射極接電源集電極接負(fù)載下端負(fù)載另一端接地?；鶚O通過電阻接到MCUMCU輸出低電平時(shí)基極電流從電源經(jīng)BE結(jié)流出到MCU管子導(dǎo)通MCU輸出高電平時(shí)VBE≈0管子截止。這里有個(gè)新手容易犯的錯(cuò)PNP的基極不能直接接MCU的GPIO。因?yàn)楦唠娖降扔陔娫措妷簳r(shí)導(dǎo)通條件取決于MCU的高電平有多高這在小電壓MCU控制高電壓負(fù)載時(shí)完全不行。比如你用3.3V的STM32去控制一個(gè)5V電源的PNP高邊開關(guān)GPIO輸出高電平3.3V那VBE就是5-3.31.7V管子一直導(dǎo)通關(guān)不斷正確的做法是基極串電阻后再在GPIO和基極之間做電平轉(zhuǎn)換或者用一個(gè)小NPN去驅(qū)動(dòng)大PNP。如果只是邏輯反向需求更簡(jiǎn)單的方案是換用NPN低邊開關(guān)高邊確實(shí)復(fù)雜一些非必要不推薦。4.3 串口電平轉(zhuǎn)換1.8V轉(zhuǎn)3.3V一個(gè)管子搞定很多傳感器模塊是1.8V電平但MCU串口是3.3V直接連肯定不行。用三極管做單向電平轉(zhuǎn)換電路極簡(jiǎn)成本極低。原理是這樣的NPN三極管發(fā)射極接地基極通過一個(gè)4.7kΩ電阻接1.8V的發(fā)送端集電極通過一個(gè)10kΩ上拉電阻接3.3V電源。1.8V端輸出高電平時(shí)三極管導(dǎo)通集電極被拉到接近0V3.3V端讀到低電平1.8V端輸出低電平時(shí)三極管截止集電極被上拉到3.3V3.3V端讀到高電平。這樣就把1.8V的串口信號(hào)反向轉(zhuǎn)換成了3.3V電平。注意這里信號(hào)是反相的所以軟件里串口配置要反過來(lái)或者在邏輯上做一次取反。如果你想要同相轉(zhuǎn)換就得用兩個(gè)管子做兩級(jí)反相或者改用專門的邏輯電平轉(zhuǎn)換芯片?；鶚O電阻的計(jì)算邏輯和前面一樣1.8V高電平減去0.7V的VBE大概有1.1V壓降加在電阻上取4.7kΩ時(shí)IB約0.23mA足以驅(qū)動(dòng)集電極上拉的電流了3.3V/10kΩ0.33mAIB×hFE遠(yuǎn)大于這個(gè)值。這種方式在9600波特率下實(shí)測(cè)非常穩(wěn)跑到115200也基本沒問題因?yàn)槭堑退傩盘?hào)開關(guān)速度足夠。4.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)續(xù)流二極管是保命符用三極管控制直流電機(jī)電路看起來(lái)和LED差不多但有一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別電機(jī)是感性負(fù)載關(guān)斷瞬間會(huì)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)。如果集電極和地之間沒有續(xù)流二極管這個(gè)電壓尖峰可能高達(dá)幾十伏甚至上百伏直接擊穿三極管。正確的電路電機(jī)兩端反并聯(lián)一個(gè)1N4007或1N5819二極管負(fù)極接電源正極正極接電機(jī)和集電極連接點(diǎn)。電機(jī)斷電瞬間電感電流通過二極管續(xù)流把能量釋放掉三極管就安全了。這個(gè)二極管的方向不能接反接反了直接短路燒管子。實(shí)際驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)電流可能達(dá)到幾百毫安甚至安培級(jí)別9013這種500mA的管子就不夠用了。我一般用D882IC標(biāo)稱3A開關(guān)頻率不高時(shí)完全夠用。如果要調(diào)速可以用PWM控制基極脈寬但PWM頻率別太低否則電機(jī)會(huì)發(fā)出刺耳的聲音一般10kHz左右比較合適。注意用PWM驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)除了續(xù)流二極管還要關(guān)注三極管的開關(guān)損耗。頻率越高開關(guān)損耗越大管子越燙。如果PWM頻率超過20kHz建議直接改用MOS管開關(guān)性能會(huì)好很多。4.5 三極管呼吸燈模擬時(shí)代的情懷電路呼吸燈是很多人入門時(shí)第一個(gè)想做的花樣電路。雖然現(xiàn)在MCU直接PWM驅(qū)動(dòng)LED就能實(shí)現(xiàn)但用三極管做純模擬呼吸燈對(duì)理解RC充放電和三極管放大區(qū)非常有幫助。經(jīng)典電路由三部分組成一個(gè)RC振蕩或者RC充放電電路產(chǎn)生緩慢變化的電壓一個(gè)三極管放大這個(gè)電壓去控制LED電流。比如用兩個(gè)三極管做成自激多諧振蕩器或者用單管加RC慢充放讓基極電壓緩慢爬升和下降LED電流隨之緩慢變化就形成了呼吸效果。我做過一個(gè)簡(jiǎn)化版用一個(gè)PNP管基極接RC電路的中間節(jié)點(diǎn)RC的充電時(shí)間常數(shù)取1~2秒。電源上電后電容電壓緩慢上升三極管的VBE緩慢變化集電極電流緩慢增加LED從暗變亮然后通過另一個(gè)放電回路讓電容緩慢放電LED從亮變暗。調(diào)RC值就能改變呼吸周期。這個(gè)電路要求三極管工作在放大區(qū)所以正好檢驗(yàn)?zāi)銓?duì)工作狀態(tài)的理解。5. 放大電路實(shí)操偏置、增益與工作點(diǎn)5.1 共射極放大一切放大電路的地基三極管放大電路有共射、共集、共基三種基本組態(tài)其中共射極放大同時(shí)具備電壓增益和電流增益用得最多也是理解放大電路的基礎(chǔ)。共射極放大電路的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)輸入信號(hào)通過耦合電容加到基極基極通過兩個(gè)電阻分壓設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)集電極接負(fù)載電阻RC輸出從集電極取出再經(jīng)過耦合電容送到下一級(jí)。發(fā)射極會(huì)串一個(gè)電阻RE用于穩(wěn)定工作點(diǎn)。靜態(tài)工作點(diǎn)的含義非常重要三極管放大是用基極電壓的小變化控制集電極電流的大變化但前提是管子必須待在放大區(qū)也就是說直流偏置必須讓VCE處在一個(gè)合適的中間值。你偏置太低了信號(hào)負(fù)半周直接讓管子截止輸出波形被削掉一半偏置太高了信號(hào)正半周又進(jìn)入飽和區(qū)底部被削平。這就是失真。5.2 工作點(diǎn)穩(wěn)定發(fā)射極電阻RE的作用為什么發(fā)射極要串電阻RE核心作用是負(fù)反饋穩(wěn)工作點(diǎn)。溫度升高時(shí)IC增加RE上的壓降也增加導(dǎo)致VBE減小IC被拉回來(lái)形成負(fù)反饋。這個(gè)機(jī)制讓三極管的工作點(diǎn)不會(huì)因?yàn)闇囟绕贫艿教焐匣虻叵?。RE還有一個(gè)作用是改變輸入阻抗和增益。加了RE之后電壓增益變?yōu)锳v ≈ RC / RE這個(gè)公式非常實(shí)用。它把增益從依賴β不穩(wěn)定變成了依賴電阻比穩(wěn)定代價(jià)是增益變小了但換來(lái)的是穩(wěn)定可預(yù)測(cè)。實(shí)際項(xiàng)目中如果你手頭有示波器調(diào)這個(gè)電路時(shí)用萬(wàn)用表量一下靜態(tài)VCE把它調(diào)整到電源電壓的一半左右基本就是最佳工作點(diǎn)了。我來(lái)舉個(gè)例子VCC12V期望靜態(tài)IC2mAVCE6V。選RE1kΩ則RE上壓降2VRC上壓降4V因?yàn)?2-6-24VRC4V/2mA2kΩ?；鶚O電壓應(yīng)該設(shè)為VBEVE0.722.7V然后分壓電阻取R147kΩ、R210kΩ分壓值約2.1V這幾個(gè)值算下來(lái)電路就能正常放大。當(dāng)然這是粗略設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)還要考慮基極電流對(duì)分壓電阻的影響但思路就是這么走。5.3 常見放大電路對(duì)比什么時(shí)候選哪個(gè)共射極CE增益大、輸入輸出反相適合做電壓放大中間級(jí)。缺點(diǎn)是高頻率特性一般且輸入阻抗不高。共集電極CC就是射極跟隨器電壓增益約等于1但輸入阻抗高、輸出阻抗低適合做緩沖級(jí)。比如前置放大后接功放之前加一個(gè)射極跟隨器可以隔離前后級(jí)避免后級(jí)輸入阻抗把前級(jí)增益拉低。共基極CB電流增益小于1但電壓增益大高頻特性好適合做射頻放大和高速電路。相對(duì)小眾但做射頻前端時(shí)候你會(huì)用到。我做音頻前置放大時(shí)最常用的組合是共射射極跟隨器前級(jí)用2N5089做共射放大后面加一個(gè)射極跟隨器輸出既有增益又有驅(qū)動(dòng)能力而且2N5089的低噪聲特性非常適合麥克風(fēng)信號(hào)放大。這種兩級(jí)結(jié)構(gòu)在萬(wàn)用板上一搭就響適合練手。5.4 三極管與MOS管放大電路對(duì)比最近總有人問三極管放大和MOS管放大到底怎么選。兩者都能做放大但特性差異很大。三極管是電流控制器件輸入電阻小需要基極電流所以前級(jí)要有足夠電流驅(qū)動(dòng)能力MOS管是電壓控制器件柵極輸入電阻極高幾乎不要電流前級(jí)只要提供電壓就行。放大應(yīng)用上三極管適合中低頻小信號(hào)放大電路成熟、成本低、噪聲在某些情況下反而有優(yōu)勢(shì)MOS管適合高輸入阻抗場(chǎng)景比如傳感器信號(hào)讀取探頭直接接?xùn)艠O不會(huì)拉低信號(hào)源。還有一個(gè)細(xì)節(jié)三極管的跨導(dǎo)gm在大電流下變化比MOS管平緩所以功率音頻放大里三極管或者達(dá)林頓管依然很常見。如果做運(yùn)算放大器的分立件替代三極管的VBE和MOS管的VGS(th)溫度特性也不一樣三極管的負(fù)溫度系數(shù)溫度升高VBE下降容易引發(fā)熱失控所以功率三極管之間要加均流電阻MOS管是正溫度系數(shù)并聯(lián)時(shí)反而自動(dòng)均流。這個(gè)差異在電源設(shè)計(jì)里直接決定了電路拓?fù)涞倪x擇。6. 三極管與MOS管的死磕米勒電容和開關(guān)選型6.1 控制方式?jīng)Q定一切很多工程師在開關(guān)電路里糾結(jié)用三極管還是MOS管其實(shí)核心差異就兩點(diǎn)控制方式和開關(guān)速度。三極管是電流驅(qū)動(dòng)基極必須持續(xù)消耗電流而且飽和狀態(tài)下基區(qū)有過剩載流子關(guān)斷時(shí)存在存儲(chǔ)時(shí)間速度上不去。MOS管是電壓驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O只要充放電完成穩(wěn)態(tài)時(shí)幾乎不耗電開關(guān)速度可以做到極快。同樣的開關(guān)頻率下MOS管在大電流場(chǎng)景的開關(guān)損耗通常更低。但也有反面MOS管的柵極輸入電容大驅(qū)動(dòng)電路要能快速充放電否則開關(guān)沿很緩反而燒管子。三極管驅(qū)動(dòng)就簡(jiǎn)單粗暴一個(gè)電阻就能搞定成本低、邏輯兼容性好。所以低速小功率開關(guān)用三極管高速大功率開關(guān)用MOS管這個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則我用了十年基本沒有出過錯(cuò)。6.2 米勒電容神秘的開關(guān)變慢元兇米勒電容這個(gè)詞最近被問得特別多。其實(shí)米勒電容指的就是MOS管的柵漏電容Cgd或者三極管的基集電容Cbc在放大狀態(tài)下被等效放大的效應(yīng)。米勒效應(yīng)的本質(zhì)是反相放大器的輸入輸出之間存在一個(gè)跨接電容由于輸出端電壓變化方向與輸入端相反這個(gè)電容等效到輸入端時(shí)電容值被放大了1Av倍。拿MOS管來(lái)說柵極驅(qū)動(dòng)電壓上升的過程中一旦管子開始導(dǎo)通漏極電壓開始下降Cgd兩端電壓變化方向相反驅(qū)動(dòng)電路需要額外給這個(gè)等效電容充電柵極電壓就會(huì)在一個(gè)平臺(tái)上停滯一段時(shí)間。這就是米勒平臺(tái)也是高速開關(guān)設(shè)計(jì)里最需要關(guān)注的區(qū)間。三極管同樣有這個(gè)問題基集電容Cbc在高頻放大時(shí)會(huì)通過米勒效應(yīng)對(duì)輸入端產(chǎn)生很大影響。比如共射極放大器的輸入電容約為Cbc×(1Av)這直接限制了高頻帶寬。如果電路需要高頻工作就得選Cbc小的管子或者用共基極接法來(lái)避開米勒效應(yīng)。在開關(guān)電源里米勒效應(yīng)還會(huì)帶來(lái)一個(gè)麻煩如果柵極驅(qū)動(dòng)電阻太大米勒平臺(tái)時(shí)間被拉長(zhǎng)管子長(zhǎng)時(shí)間停留在放大區(qū)功耗飆升管子冒煙。所以MOS管驅(qū)動(dòng)電路才會(huì)強(qiáng)調(diào)驅(qū)動(dòng)電流要夠大、驅(qū)動(dòng)電阻要合理。6.3 電源地開關(guān)電路選型實(shí)操電源開關(guān)電路有兩種基本形態(tài)控制電源正極高邊開關(guān)和控制電源負(fù)極低邊開關(guān)。三極管時(shí)代低邊用NPN、高邊用PNP是標(biāo)準(zhǔn)操作。MOS管時(shí)代低邊用N-MOS、高邊用P-MOS。為什么低邊開關(guān)用N-MOS這么流行因?yàn)镹-MOS的導(dǎo)通電阻低、成本低、選擇多。關(guān)鍵設(shè)計(jì)點(diǎn)是柵極電壓必須比源極高足夠的門檻值而低邊開關(guān)里源極接地只要柵極電壓超過VGS(th)加上源極電壓0V就行3.3V或5V的MCU都能直接驅(qū)動(dòng)非常方便。但高邊開關(guān)就麻煩一些P-MOS的源極接電源正極柵極必須比源極低才能導(dǎo)通。如果電源是12VMCU只有3.3V柵極直接接MCU肯定是關(guān)不斷的。這時(shí)要么用三極管做電平移位要么用專門的柵極驅(qū)動(dòng)芯片。這也是我在實(shí)際項(xiàng)目中經(jīng)常對(duì)別人講的一個(gè)設(shè)計(jì)決策點(diǎn)能選低邊就選低邊高邊只是在負(fù)載必須共地等特殊場(chǎng)景才需要。MOS管和三極管的公式對(duì)比也很簡(jiǎn)單三極管的開關(guān)損耗主要看VCE(sat)×ICMOS管主要看ID2×RDS(on)。對(duì)于低電壓大電流的應(yīng)用MOS管因?yàn)镽DS(on)可以做到毫歐級(jí)優(yōu)勢(shì)非常大而對(duì)于高電壓小電流的應(yīng)用三極管的成本優(yōu)勢(shì)又回來(lái)了。7. 特殊應(yīng)用場(chǎng)景反激電源VCC、低噪聲與呼吸燈7.1 反激式開關(guān)電源VCC供電那一堆三極管有朋友在維修反激電源時(shí)發(fā)現(xiàn)VCC供電電路附近密密麻麻排著好幾個(gè)三極管覺得很困惑。其實(shí)這背后是三個(gè)不同的功能只是都被塞進(jìn)了VCC這一路。第一個(gè)功能是啟動(dòng)電路。開關(guān)電源芯片在啟動(dòng)時(shí)需要一小段電流給VCC電容充電達(dá)到芯片的開啟閾值。傳統(tǒng)做法用一個(gè)大阻值啟動(dòng)電阻直接從高壓母線取電但始終有損耗用三極管做的有源啟動(dòng)電路可以做到啟動(dòng)完成后切斷啟動(dòng)電流提高待機(jī)效率。第二個(gè)功能是VCC線性穩(wěn)壓。輔助繞組輸出的電壓往往比芯片工作電壓高不少直接連會(huì)燒芯片。這時(shí)候用三極管搭一個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)線性穩(wěn)壓器或者用射極跟隨器把輔助繞組電壓降到合適的VCC順便隔離高頻噪聲。第三個(gè)功能是過壓保護(hù)和欠壓鎖定。三極管可以組成窗口比較器當(dāng)VCC異常升高時(shí)把供電對(duì)地泄放掉或者拉低芯片的供電引腳防止芯片損壞。所以你在反激電源里看到的那堆三極管不是冗余設(shè)計(jì)而是各司其職缺一不可。維修時(shí)看到這些電路先畫原理圖分析每個(gè)管子的作用別急著拆。7.2 低噪聲放大與2N50892N5089這個(gè)管子在音頻圈子里的地位很高。它是一款低噪聲NPN小信號(hào)管hFE高達(dá)300~900主要用在話筒前置放大、磁頭放大、微弱信號(hào)處理這些場(chǎng)景。低噪聲放大的核心是選對(duì)工作電流。三極管的噪聲分為熱噪聲、散粒噪聲和1/f噪聲不同類型噪聲的最優(yōu)工作點(diǎn)不同。2N5089在集電極電流約100μA到1mA區(qū)間內(nèi)噪聲表現(xiàn)最好電壓噪聲密度和電流噪聲密度都很低。實(shí)際做麥克風(fēng)前置時(shí)我會(huì)把2N5089的IC設(shè)置在200~300μA增益做到60dB級(jí)別再配合一個(gè)高質(zhì)量駐極體話筒出來(lái)的聲音干凈通透完全對(duì)得起這顆不到一塊錢的管子。低噪聲設(shè)計(jì)還有一些細(xì)節(jié)供電要用RC濾波或者LDO避免電源紋波串入放大級(jí)輸入耦合電容用無(wú)極性的薄膜電容或者高質(zhì)量電解電容走線要短地線要單點(diǎn)接地。你把這些細(xì)節(jié)都做到位了一個(gè)用2N5089搭的話放聲音素質(zhì)可以媲美很多成品前置放大器。7.3 三極管在數(shù)字邏輯里的應(yīng)用現(xiàn)在數(shù)字電路越來(lái)越復(fù)雜但有些地方反而離不開三極管。典型的例子是電平轉(zhuǎn)換和總線隔離。串口、I2C這種低速總線用三極管做電平轉(zhuǎn)換是最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的方案一顆幾毛錢的貼片三極管就能解決3.3V與5V系統(tǒng)之間的通信問題。SPI這類高速總線雖然三極管也能做但延遲較大更推薦用74LVC245這類電平轉(zhuǎn)換芯片或者直接選雙電源器件。還有一個(gè)實(shí)用技巧用三極管做開漏輸出。很多傳感器的輸出引腳是開漏結(jié)構(gòu)需要外部上拉才能輸出高電平但如果你想要一個(gè)邏輯反向的干凈信號(hào)可以用三極管實(shí)現(xiàn)類似效果。三極管基極接MCU的PWM輸出集電極接一個(gè)上拉到目標(biāo)電平的電阻就得到了一個(gè)反相的PWM信號(hào)。如果你的負(fù)載是灌電流型的比如某些LED模塊這個(gè)電路能直接驅(qū)動(dòng)省去額外反相器。8. 常見問題與排查技巧實(shí)錄8.1 三極管發(fā)燙八成沒飽和故障現(xiàn)象電路功能正常但三極管燙得不敢摸。排查思路很簡(jiǎn)單先量VCE。如果VCE有1V以上說明管子沒進(jìn)飽和而是停留在放大區(qū)。原因通常是基極電流不夠或者集電極電流超過預(yù)期。我遇到過幾次這種情況最后原因都出在基極電阻算錯(cuò)上。有一次是MCU的GPIO高電平實(shí)際只有3.0V帶載后跌落而按3.3V算的基極電阻導(dǎo)致IB偏小管子臨界飽和還有一次是LED的限流電阻焊錯(cuò)電流比設(shè)計(jì)值大了兩倍直接把基極電流的裕量吃光了。所以排查發(fā)燙問題時(shí)用萬(wàn)用表量VCE是最快的手段立竿見影。8.2 管子不導(dǎo)通先查VBE再查基極有沒有電流不導(dǎo)通的排查順序先用萬(wàn)用表量基極對(duì)地電壓如果沒有達(dá)到0.6V以上說明前級(jí)沒給到足夠電壓如果電壓足夠但仍不導(dǎo)通那就把基極電阻短路一下試試電阻開路或者虛焊是常見原因。還有一個(gè)容易被忽略的坑如果你用的是數(shù)字萬(wàn)用表的二極管檔去量BE結(jié)正常讀數(shù)應(yīng)該在0.5~0.7V左右但如果讀數(shù)很小或者直接短路管子可能已經(jīng)擊穿了。三極管擊穿往往發(fā)生在感性負(fù)載關(guān)斷瞬間這就是之前強(qiáng)調(diào)續(xù)流二極管的原因。8.3 誤導(dǎo)通基極懸空惹的禍現(xiàn)象三極管在不該導(dǎo)通的時(shí)候偷偷導(dǎo)通LED閃爍、繼電器亂跳。排查方向一是基極有沒有下拉電阻GPIO默認(rèn)高阻態(tài)時(shí)基極懸空就是天線一點(diǎn)電磁干擾就讓它導(dǎo)通二是基極走線是不是和電源線平行太長(zhǎng)產(chǎn)生了耦合。解決方法是基極到地加一個(gè)10kΩ~100kΩ的下拉電阻把基極電位強(qiáng)制拉低。如果電路里已經(jīng)有下拉電阻還誤觸發(fā)檢查阻值是否太大以及PCB走線是否緊挨著高頻信號(hào)線。另外如果驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)自長(zhǎng)線纜我還會(huì)在基極串聯(lián)一個(gè)小電阻如100Ω~1kΩ和一個(gè)小電容如1nF組成低通濾波吸收高頻干擾。8.4 常見問題速查表現(xiàn)象可能原因排查/解決辦法管子發(fā)燙未進(jìn)入飽和VCE過大測(cè)VCE降低基極電阻增加基極電流開關(guān)不徹底基極電流不足過驅(qū)動(dòng)2~5倍檢查基極電阻值和GPIO電平關(guān)斷不定時(shí)基極懸空/干擾加下拉電阻縮短走線加RC濾波電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)擊穿無(wú)反電動(dòng)勢(shì)泄放電機(jī)兩端反并聯(lián)續(xù)流二極管高頻關(guān)斷慢飽和過深/存儲(chǔ)時(shí)間減小過驅(qū)倍數(shù)/用抗飽和鉗位電路放大電路失真工作點(diǎn)不對(duì)測(cè)靜態(tài)VCE調(diào)整基極分壓電阻到VCC/2附近電平轉(zhuǎn)換信號(hào)反相單管反相本質(zhì)邏輯取反或用雙管結(jié)構(gòu)8.5 一個(gè)被忽視的技巧用萬(wàn)用表辨別NPN還是PNP最后分享一個(gè)實(shí)用小技巧。手頭有一顆三極管絲印被磨掉或者型號(hào)看不清怎么判斷它是NPN還是PNP哪只腳是B、C、E用萬(wàn)用表的二極管檔找到與其他兩腳都有正向壓降約0.6V的那只腳就是基極。如果紅表筆在基極上黑表筆量另外兩腳均有壓降就是NPN管反過來(lái)黑表筆在基極上紅表筆量另外兩腳均有壓降就是PNP管。確定了基極和管型之后怎么區(qū)分C和E你可以用萬(wàn)用表的hFE檔位或者搭一個(gè)簡(jiǎn)易測(cè)試電路把基極通過100kΩ電阻接電源正極NPN管集電極通過一個(gè)LED接電源正極發(fā)射極接地。如果LED亮說明接對(duì)了集電極在LED側(cè)如果不亮把C和E對(duì)調(diào)再試。這個(gè)辦法雖然土但在沒有資料的時(shí)候非常管用。我在實(shí)際使用中的體會(huì)是三極管這種老掉牙的器件恰恰是電子學(xué)里最練基本功的內(nèi)容。很多人學(xué)了半天MOS管、IGBT遇到一個(gè)三極管反而露怯因?yàn)樵頉]吃透。把三極管的電流關(guān)系、三種工作狀態(tài)、飽和條件、參數(shù)選型這幾件事徹底搞明白了再看MOS管、IGBT甚至運(yùn)放內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是一通百通。動(dòng)手搭一個(gè)LED開關(guān)電路再拿萬(wàn)用表量一遍各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓電流你會(huì)有一種原來(lái)如此的通透感。這個(gè)基本功建議每個(gè)搞硬件的人都別跳過去。