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常用的三極管電路設(shè)計(jì):電阻到底是怎么選的?

發(fā)布時(shí)間:2021-10-29 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】這篇文章主要用于高性能模擬開關(guān)的培訓(xùn)模塊。該培訓(xùn)模塊涵蓋了模擬開關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí),包括不同類型的開關(guān),關(guān)鍵參數(shù)及其在特定應(yīng)用中的重要性。該模塊還介紹了模擬開關(guān)產(chǎn)品和命名,以及無鉛封裝的最新封裝趨勢(shì)。


今天主要給硬件新手寫點(diǎn)東西,關(guān)于三極管實(shí)用方面的,會(huì)說兩個(gè)基本的電路,以及相關(guān)電阻的取值及注意事項(xiàng)。


一個(gè)現(xiàn)狀我們?cè)谀k娊滩睦锩妫瑫?huì)有各種放大電路,共基,共集,共射等,相關(guān)的計(jì)算公式,曲線,電路等效模型天花亂墜,學(xué)起來非常費(fèi)勁。


實(shí)際90%工作,可能我們只需要關(guān)注一個(gè)參數(shù)就行了,那就是電流放大倍數(shù)β,其它的通通用不到,而且我們做產(chǎn)品,如果真要放大信號(hào),那也是使用各種集成運(yùn)放。


絕大多數(shù)情況,我們是把三極管當(dāng)作一個(gè)低成本的開關(guān)來使用的,作為開關(guān),雖然MOS可能更為合適,不過三極管價(jià)格更低,在小電流場(chǎng)景,三極管反而是用得更多的。


常用的三極管電路設(shè)計(jì):電阻到底是怎么選的?


一個(gè)NPN三極管,價(jià)格也就2分錢左右。


常用的電路(NPN為例)


1、電平轉(zhuǎn)換,反相


常用的三極管電路設(shè)計(jì):電阻到底是怎么選的?


這個(gè)電路用得非常多,有兩個(gè)功能。


一是信號(hào)反相,就是輸入高電平,輸出就是低電平;輸入低電平,輸出就是高電平二是改變輸出信號(hào)的電壓,比如輸入的電壓范圍是0V或者是3.3V,想要得到一個(gè)輸出是0V或者是5V的電平怎么辦呢?讓Vcc接5V就可以了,輸出高的時(shí)候,out的電平就是大約為5V的。 2、驅(qū)動(dòng)指示燈


我們經(jīng)常使用三極管驅(qū)動(dòng)LED燈,比如下面這個(gè)電路:


常用的三極管電路設(shè)計(jì):電阻到底是怎么選的?


3、驅(qū)動(dòng)MOS開關(guān)


還一個(gè)電路也用得非常多,那就是驅(qū)動(dòng)電源的PMOS開關(guān),如下圖:


常用的三極管電路設(shè)計(jì):電阻到底是怎么選的?


在in為低時(shí),三極管不導(dǎo)通,相當(dāng)于是開路,PMOS管的Vgs為0,PMOS管也不導(dǎo)通,Vcc2沒有電。


在in為高時(shí),三極管導(dǎo)通,集電極相當(dāng)于是接地GND,于是PMOS管的Vgs為-Vcc1,PMOS管導(dǎo)通,也就是Vcc1與Vcc2之間導(dǎo)通,Vcc2有電。 可以看到,以上三種電路,其實(shí)都一樣,就是三極管是用作開關(guān)的,要不工作在飽和區(qū)(導(dǎo)通),要不工作在截止區(qū)(不導(dǎo)通),總之就是不能工作在放大區(qū)。這個(gè)比較容易理解,如果工作在放大區(qū),那么Vce的電壓就很難確定了,這會(huì)導(dǎo)致當(dāng)你想要高低電平的時(shí)候,結(jié)果得到一個(gè)中間態(tài)。 所以,Z重要的就是要保證管子的工作狀態(tài)是ok的,也就是說我們要選好電路中的電阻阻值。


常用的三極管電路設(shè)計(jì):電阻到底是怎么選的?


關(guān)于電阻的取值,有的新手就有點(diǎn)分不清,因?yàn)椴煌娜嗽O(shè)計(jì)的電路,電阻的阻值不盡相同,問就說是“經(jīng)驗(yàn)值”。其實(shí)哪有那么多經(jīng)驗(yàn)值,都是有些道道在里面的。


下面來看看如何選擇電阻。 如何選擇電阻


我們的電路輸入一般是只有兩種狀態(tài),0V或者是其它的高電平(1.8V,3.3V,5V等),截止?fàn)顟B(tài)一般不用怎么考慮,因?yàn)槿绻屓龢O管的Vbe=0,自然就截止了,重要的是飽和狀態(tài)如何保證。 那么啥叫飽和狀態(tài)?


我們先假定三極管工作在放大狀態(tài),那么放大倍數(shù)就是β,如果基極有Ib電流流過,那么集電極Ic=β*Ib,Ic也會(huì)在Rc上面產(chǎn)生壓降Urc。


常用的三極管電路設(shè)計(jì):電阻到底是怎么選的?


易得:Urc Uce=Vcc,顯然,Ib越大,那么Urc=β*Ib*Rc越大,如果Ib足夠大,那么Urc=Vcc時(shí),Uce=Vcc-Urc=0。


如果我們繼續(xù)增大Ib,那么Uce會(huì)變成負(fù)的嗎?


Uce<0是不可能的,因?yàn)槿绻妷悍聪?,那么電流也要反向,這顯然是不成立的。實(shí)際Uce也就繼續(xù)保持接近于0,那么也就是說此時(shí)Ic的實(shí)際電流是小于β*Ib的,此時(shí)電路已經(jīng)滿足不了β的放大倍數(shù),三極管已經(jīng)不是在放大狀態(tài),而是進(jìn)入飽和狀態(tài)了。


從以上描述我們很容易得出來,我們只需要讓計(jì)算出的Urc=β*Ib*Rc>Vcc,那么三極管就是工作在飽和狀態(tài)的。不過,上面這個(gè)電路太簡(jiǎn)單,實(shí)際電路又各種各樣,那么到底該如何考慮呢?我一般是這樣考慮的:就是假定三極管工作在放大狀態(tài),放大倍數(shù)為β,如果Z終算得Rc兩端電壓大于Vcc(對(duì)應(yīng)的Uce就是個(gè)負(fù)壓),那么三極管就是工作在了飽和狀態(tài)了。 電路計(jì)算舉例


1、LED燈的例子


已知條件:輸入控制電壓高電平為3.3V,電源電壓為5V,燈的導(dǎo)通電流10mA,燈導(dǎo)通電壓2V,三極管選用型號(hào)MMBT3904


常用的三極管電路設(shè)計(jì):電阻到底是怎么選的?


三極管飽和導(dǎo)通時(shí),Vce=0V,所以Rc=(5V-2V)/10mA=300Ω。


查詢芯片手冊(cè),三極管MMBT3904的的放大倍數(shù)β(hfe)如下圖所示:


常用的三極管電路設(shè)計(jì):電阻到底是怎么選的?


可以看到,在Ic=10mA時(shí),放大倍數(shù)Z小為100。


那么Ib=10mA/100=100uA,三極管導(dǎo)通時(shí),Vbe約為0.7V,繼而求得Rb=(3.3-0.7V)/100uA=26K。


也就是說只要Rb<26K,三極管就工作在了飽和狀態(tài),像這種情況,我一般取Rb=2.2K,或者是1K,4.7K,10K,這樣Ib更大,更能讓三極管工作在飽和狀態(tài)。具體取多少,取決于整個(gè)板子的電阻使用情況,比如10K電阻用得多,那我就取10K,這樣物料種類少,生產(chǎn)更方便。


或者咱為了保險(xiǎn)一點(diǎn),比如要兼容別的三極管型號(hào),可以取Rb=1K,這樣即使別的三極管β小于100,也能工作在飽和狀態(tài)。 我們也可以反向驗(yàn)算下,假如Rc=300Ω,Rb=10K,那么Ib=(3.3-0.7)/10K=0.26mA,那么Ic=100*0.26mA=26mA,那么Rc的壓降是300Ω*26mA=7.8V,這已經(jīng)超過Vcc了,所以管子肯定是工作在飽和狀態(tài)的。 2、驅(qū)動(dòng)MOS開關(guān)


這個(gè)電路就是個(gè)使用三極管控制PMOS管的通斷,那么里面的電阻和電容該如何選擇呢?


我們要知道,這個(gè)電路是如何工作的,考慮了哪些因素。


工作原理:


在in為低時(shí),三極管不導(dǎo)通,相當(dāng)于是開路,PMOS管的Vgs為0,PMOS管也不導(dǎo)通,Vcc2沒有電。


在in為高時(shí),三極管導(dǎo)通,集電極相當(dāng)于是接地GND,于是PMOS管的Vgs為-12V,PMOS管導(dǎo)通。


下面看看電阻取值:


R2接到了PMOS管的柵極,我們知道MOS管的柵極阻抗非常大,所以三極管導(dǎo)通穩(wěn)定之后,R2基本是沒有電流的,所以可以看做是開路,三極管的集電極電流主要從R3流動(dòng)。


那么三極管的Ic電流該如何設(shè)定呢?


我們要在in是3.3V的時(shí)候,Vce基本為0,Ic倒是沒有說必須要多少合適。這個(gè)時(shí)候我們可以先定一個(gè),比如定R3=10K,4.7K,20K等等都是可以的。


我們就先定R3=10K吧,為什么定這個(gè),因?yàn)檫@個(gè)是常用電阻。不過我們需要知道,如果電阻定太小,那么Ic的電流必然會(huì)比較大,就會(huì)浪費(fèi)電(功耗大,發(fā)熱)電源為12V,那么Ic=12V/10K=1.2mA。從MMBT手冊(cè)知道,1mA左右,三極管的放大倍數(shù)Z小是80,所以Ib=1.2mA/80=15uA。那么R1=(3.3-0.7)/15uA=173k。也就是說R1需要滿足R1<173K就可以讓三極管飽和導(dǎo)通。


因?yàn)镽3已經(jīng)選定了10K,那么R1也可以選擇10K了(物料歸一,少些種類)。 R2,C1有什么用呢?


在上電的一瞬間,因?yàn)殡娙輧啥说碾妷翰荒芡蛔?,所以C1會(huì)將MOS管的Vgs鉗制在0V,讓MOS管不會(huì)誤導(dǎo)通,C1通??梢赃x擇100nF左右。


那么R2有什么用呢?


R2可以限制三極管的Ic電流,因?yàn)閕n的電壓突然變化的時(shí)候,三極管狀態(tài)突然改變,Vce電壓會(huì)突然改變,需要對(duì)電容C1進(jìn)行充放電,這個(gè)電流可以通過R2來限制。


我們也可以通過R2和C1一起來調(diào)節(jié)PMOS管的導(dǎo)通時(shí)間,其實(shí)本質(zhì)就是RC的充放電。如果沒有嚴(yán)格的時(shí)間要求,R2和C1的選擇很寬泛,像我一般用100nF和100K。


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