常用的三极管电路设计-电阻到底是怎么选的

只看该作者 · 2022-9-23 15:11

今天的内容超级简单，主要给硬件新手写点东西，关于三极管实用方面的，会说两个基本的电路，以及相关电阻的取值及注意事项。

一个现状我们在模电教材里面，会有各种放大电路，共基，共集，共射等，相关的计算公式，曲线，电路等效模型天花乱坠，学起来非常费劲。实际90%工作，可能我们只需要关注一个参数就行了，那就是电流放大倍数β，其它的通通用不到，而且我们做产品，如果真要放大信号，那也是使用各种集成运放。绝大多数情况，我们是把三极管当作一个低成本的开关来使用的，作为开关，虽然MOS可能更为合适，不过三极管价格更低，在小电流场景，三极管反而是用得更多的。

一个NPN三极管，价格也就2分钱左右。
常用的电路（NPN为例）1、电平转换，反相

这个电路用得非常多，有两个功能。
一是信号反相，就是输入高电平，输出就是低电平；输入低电平，输出就是高电平二是改变输出信号的电压，比如输入的电压范围是0V或者是3.3V，想要得到一个输出是0V或者是5V的电平怎么办呢？让Vcc接5V就可以了，输出高的时候，out的电平就是大约为5V的。 2、驱动指示灯我们经常使用三极管驱动LED灯，比如下面这个电路：

3、驱动MOS开关还一个电路也用得非常多，那就是驱动电源的PMOS开关，如下图：

在in为低时，三极管不导通，相当于是开路，PMOS管的Vgs为0，PMOS管也不导通，Vcc2没有电。
在in为高时，三极管导通，集电极相当于是接地GND，于是PMOS管的Vgs为-Vcc1，PMOS管导通，也就是Vcc1与Vcc2之间导通，Vcc2有电。可以看到，以上三种电路，其实都一样，就是三极管是用作开关的，要不工作在饱和区（导通），要不工作在截止区（不导通），总之就是不能工作在放大区。这个比较容易理解，如果工作在放大区，那么Vce的电压就很难确定了，这会导致当你想要高低电平的时候，结果得到一个中间态。所以，最重要的就是要保证管子的工作状态是ok的，也就是说我们要选好电路中的电阻阻值。

关于电阻的取值，有的新手就有点分不清，因为不同的人设计的电路，电阻的阻值不尽相同，问就说是“经验值”。其实哪有那么多经验值，都是有些道道在里面的。
下面来看看如何选择电阻。 如何选择电阻我们的电路输入一般是只有两种状态，0V或者是其它的高电平（1.8V，3.3V，5V等），截止状态一般不用怎么考虑，因为如果让三极管的Vbe=0，自然就截止了，重要的是饱和状态如何保证。那么啥叫饱和状态？我们先假定三极管工作在放大状态，那么放大倍数就是β，如果基极有Ib电流流过，那么集电极Ic=β*Ib，Ic也会在Rc上面产生压降Urc。

易得：Urc+Uce=Vcc，
显然，Ib越大，那么Urc=β*Ib*Rc越大，如果Ib足够大，那么Urc=Vcc时，Uce=Vcc-Urc=0。如果我们继续增大Ib，那么Uce会变成负的吗？Uce＜0是不可能的，因为如果电压反向，那么电流也要反向，这显然是不成立的。实际Uce也就继续保持接近于0，那么也就是说此时Ic的实际电流是小于β*Ib的，此时电路已经满足不了β的放大倍数，三极管已经不是在放大状态，而是进入饱和状态了。从以上描述我们很容易得出来，我们只需要让计算出的Urc=β*Ib*Rc>Vcc，那么三极管就是工作在饱和状态的。不过，上面这个电路太简单，实际电路又各种各样，那么到底该如何考虑呢？我一般是这样考虑的：就是假定三极管工作在放大状态，放大倍数为β，如果最终算得Rc两端电压大于Vcc（对应的Uce就是个负压），那么三极管就是工作在了饱和状态了。 电路计算举例1、LED灯的例子已知条件：输入控制电压高电平为3.3V，电源电压为5V，灯的导通电流10mA，灯导通电压2V，三极管选用型号MMBT3904

三极管饱和导通时，Vce=0V，所以Rc=(5V-2V)/10mA=300Ω。
查询芯片手册，三极管MMBT3904的的放大倍数β（hfe）如下图所示：

可以看到，在Ic=10mA时，放大倍数最小为100。
那么Ib=10mA/100=100uA，三极管导通时，Vbe约为0.7V，继而求得Rb=（3.3-0.7V)/100uA=26K。也就是说只要Rb<26K，三极管就工作在了饱和状态，像这种情况，我一般取Rb=2.2K，或者是1K，4.7K，10K，这样Ib更大，更能让三极管工作在饱和状态。具体取多少，取决于整个板子的电阻使用情况，比如10K电阻用得多，那我就取10K，这样物料种类少，生产更方便。或者咱为了保险一点，比如要兼容别的三极管型号，可以取Rb=1K，这样即使别的三极管β小于100，也能工作在饱和状态。我们也可以反向验算下，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的压降是300Ω*26mA=7.8V，这已经超过Vcc了，所以管子肯定是工作在饱和状态的。 2、驱动MOS开关这个电路就是个使用三极管控制PMOS管的通断，那么里面的电阻和电容该如何选择呢？

只看该作者 · 2022-9-23 15:12

我们要知道，这个电路是如何工作的，考虑了哪些因素。
工作原理：在in为低时，三极管不导通，相当于是开路，PMOS管的Vgs为0，PMOS管也不导通，Vcc2没有电。
在in为高时，三极管导通，集电极相当于是接地GND，于是PMOS管的Vgs为-12V，PMOS管导通。
下面看看电阻取值：R2接到了PMOS管的栅极，我们知道MOS管的栅极阻抗非常大，所以三极管导通稳定之后，R2基本是没有电流的，所以可以看做是开路，三极管的集电极电流主要从R3流动。那么三极管的Ic电流该如何设定呢？我们要在in是3.3V的时候，Vce基本为0，Ic倒是没有说必须要多少合适。这个时候我们可以先定一个，比如定R3=10K，4.7K，20K等等都是可以的。我们就先定R3=10K吧，为什么定这个，因为这个是常用电阻。不过我们需要知道，如果电阻定太小，那么Ic的电流必然会比较大，就会浪费电（功耗大，发热）电源为12V，那么Ic=12V/10K=1.2mA。从MMBT手册知道，1mA左右，三极管的放大倍数最小是80，所以Ib=1.2mA/80=15uA。那么R1=(3.3-0.7）/15uA=173k。也就是说R1需要满足R1<173K就可以让三极管饱和导通。因为R3已经选定了10K，那么R1也可以选择10K了（物料归一，少些种类）。 R2，C1有什么用呢？在上电的一瞬间，因为电容两端的电压不能突变，所以C1会将MOS管的Vgs钳制在0V，让MOS管不会误导通，C1通常可以选择100nF左右。那么R2有什么用呢？R2可以限制三极管的Ic电流，因为in的电压突然变化的时候，三极管状态突然改变，Vce电压会突然改变，需要对电容C1进行充放电，这个电流可以通过R2来限制。我们也可以通过R2和C1一起来调节PMOS管的导通时间，其实本质就是RC的充放电。如果没有严格的时间要求，R2和C1的选择很宽泛，像我一般用100nF和100K。