15 三极管电路常规分析

三极管电路分析

       N型三极管分别有3 个引脚：cbe。对应的中文名称分别是集电极、基极、发射极。基极也称为：控制极。要想三级管的be之间流过电流，需要形成一个完整的回路，得具备源、回路、阻抗。

   由于三极管的制造工艺的原因，电源的正端接在b极，负端接在e极，而且它的反向耐压是很低的，一般在5V、6V左右。所以，在设计电路时，切记不要让三极管出现反向耐压大于5V的情况。分别在图中Ib回路的2处加电阻都可以构成完整的源、回路、阻抗。这2种不同的方法构成的电路具有不同的功能。以左图为例，构成Ic回路也需要加源和阻抗。



   三极管作为电子开关，控制极是一个弱信号，当三极管导通时，Ib在1mA左右最合适，电流太大会导致功耗大；电流太小导致抗干扰能力差。在硬件电路中，有很多回路中都存在高频的开关、开关信号。如果在这个高频的回路中存在变化的电流，它周围的磁场也是在变化的。如果Ib回路靠近交变的磁场，就会产生感生电流叠加在回路上，如果感生电流的方向和Ib电流方向相反，电流就可能被抵消掉，这很可能导致三极管在应该导通的时候出现了截止。除了在布局时避开干扰外，Ib回路上的电流至少在1mA左右，这样抗干扰能力是足够的。

   所以，电路中R=2V/1mA=2K，R1取值为2 kΩ。



   三极管的导通还分两种状态：放大导通和饱和导通。当Ic=β*Ib时，三极管是处于放大导通状态，或者说是放大状态。当Ic<β*Ib时，三极管处于饱和导通状态，或者说是饱和状态。

   假设放大倍数β=100，那么Ic =100*1mA = 100mA，表示对于这种电路结构来说，Ic最大能流过100mA的电流，但是实际Ic电流大小取决于R2 阻值。

   假设R2=1Ω，如果流过R2的实际电流是100mA的话，那么在R2两端产生的压降U= R*I = 1Ω*0.1A = 0.1V，c极的电位就是9.9V，即三极管ce两端的压降Vce=9.9V。那么这个电路满足放大状态的条件：实际Ic=β*Ib=100mA。



   假设R2=1K，如果实际的Ic=100mA，在R2两端形成的压降U= 1K*100mA = 100V，这种假设不成立。在Ic的回路中，它的电压源是10V，所以实际的Ic<100mA，三极管处于饱和导通状态。

   当三极管饱和时，CE之间的压降最小，Vce = 0.3V。这是三极管饱和时的特性。当然现在的三极管能做到更低，在这里先约定Vce饱和压降是0.3V。

   三极管饱和后Vce=0.3V，此时R2电阻两端的压降就是10V-0.3V = 9.7V。I = U/R = 9.7V/1K = 9.7mA。流过R2的电流，也是流过三极管ce的电流Ic = 9.7mA。



   在硬件电路中，器件开通需要一个阈值电压，当三极管处于饱和导通时，C点电位是0.3V，不足以开通器件，所以，当三极管饱和导通时C极输出的是低电平。假设控制极的回路中有一个开关，开关断开后Ib = 0mA 。当Ib=0mA时，三极管就处于截止状态。那么三极管的ce两极断开，Ic = 0mA。 c极输出电位是10V，此时C点输出的是高电平。如果让三极管B极不断的开关开关的话，那么，C点输出的就是高低、高低的电平信号。

   用方波信号表示高低电平信号，如图所示。当输入是高电平时，三极管导通，C极就会输出低电平。反之，当输入是低电平时，三极管截止，C极就会输出高电平。这就实现了电平转换，而且输入输出信号发生了反向。



   三极管电路设计加下拉电阻的作用:提高阈值电压增加抗干扰能力、提高三极管关断速度。



   三极管的B极和E极之间存在寄生电容。当然，C极和B极、E极和C极之间也有寄生电容，这是由制造工艺决定的，不可避免。

   如上图，结电容Cbe是三极管的寄生参数，把三极管的输入端接到了单片机的引脚上。单片机引脚输出高电平为3.3V，低电平为0V的方波信号。当单片机输出3.3V时，C极输出为低电平。当单片机输出低电平时，C极输出为高电平。

   那么，现在考虑结电容Cbe的存在，想要导通三极管需要把Cbe充到0.7V，此时BE极达到0.7V导通阈值，三极管才开始导通。结电容的充电回路就是RC充电电路。三极管的导通速度是由RC充电电路的充电速度决定的。

   单片机上电启动的时候，引脚上输出的是高阻态，A点相当于悬空。如果未加下拉电阻R3，由于单片机启动期间A点相当于悬空，A点处没有高电平对结电容Cbe充电，三极管不会导通。也没有回路让结电容Cbe放电。如果在单片机输出高阻态前，Cbe是高电平，因为没有放电回路就会一直保持高电平。所以单片机上电启动的时候，三极管的状态是不确定的。

   加一个2K的下拉电阻R3以后，在单片机上电启动期间，B极被R3电阻下拉到0V。单片机虽然输出高阻态，A点相当于悬空。但是Cbe可以通过电阻R3放电，将电压放到0V，关断三极管。所以单片机启动期间，三极管是确定的关断状态。

   下拉电阻不影响三极管的正常导通，加了下拉电阻可以提高导通阈值，提高抗干扰能力。

   输入电压Vin是高电平3.3V，低电平0V的方波，Vin并不能瞬间从0V跳变到3.3V，是需要一定的时间的。三极管的导通阈值是0.7V，没加下拉电阻的时候，当Vin从0V上升到0.7V的时候，三极管BE极电压达到0.7V，此时三极管就导通了，加上下拉电阻，当Vin从0V上升到1.4V的时候，R1上分得的电压为0.7V，三极管开始导通。当A点达到1.4V以上时，B点电压始终是0.7V，这是be二极管的钳位特性。因此下拉电阻不影响三极管的正常导通，还可以提高三极管的导通电压。

   并且在此期间，PCBA板上通过走线耦合到电路中的噪声和干扰，极有可能让Cbe充电到三极管的阈值导通电压0.7V，从而造成三极管的误导通。

   左边是理想方波信号，右边是实际方波的波形。如果单片机输出0V的低电平信号，但是经过走线耦合进了干扰信号，未加下拉电阻的情况下，如果干扰信号的阈值达到了0.7V并且将结电容充到0.7V，就会造成三极管的误导通。加上下拉电阻R3，干扰信号至少要达到1.4V才能导通三极管，因此下拉电阻提高了电路的抗干扰能力。

   另外，在三极管关断时，可以通过下拉电阻进行放电，增加三极管的放电回路，提高了三极管的关断速度。



    三极管导通以后，流过下拉电阻R3的电流I3=0.7V/2K=0.35mA。电流I3只与R3阻值的大小有关系。只要三极管导通，I3电流就是0.35mA。

   把Ib电流设计在1mA左右，那么I1=Ib+I3=1mA+0.35mA=1.35mA。

   A点电压是3.3V的情况下，R1=(3.3V0.7V)/1.35mA=1.92K。

   如果要把三极管设计在饱和导通状态，Ice 要小于100倍的Ib。将Ice设计为为10mA。饱和导通状态下，三极管CE极压降Uce=0.3V，R2=UR2/Ice=(12.3V-Uce)/Ice=(12.3V-0.3V)/10mA=12V/10mA=1.2K。



   这是P管搭建的开关电路。当EB极压差小于0.7V的时候，三极管截止。E极电位是12V，所以B极电位在11.3V<Vin<=12V之间的时候，三极管是截止的。此时三极管的P极和C极相当于断开。C极接地，所以C极电位是0V。

   所以对于P管来说，输入电压Vin为0V=<Vin<=10.6V时候，三极管饱和导通，此时C极电压为12V-0.3V=11.7V。0.3V是三极管饱和时CE极的压降，也就是说，对于P管的开关电路来说，当输入为高的时候，输出为低；当输入为低的时候，输出为高。P管也能实现电平转换。



N管和P管的区别：

1.N管的发射极接地，P管的发射极接源；

2.N管3.3V的方波信号，P管12V的方波信号；

3.N管是高电平开通，P管是低电平开通。

P管和N管构成的开关电路的相同点:

1.当输入是高电平的时候输出是低电平，当输入是低电平的时候输出为高电平；

2.都是C极作为输出端；

3.B极和E极之间都要接电阻。

   N管P管的开关电路的导通逻辑分别如下图所示。这两个电路对Vin的输入范围不同，如果使用单片机来驱动开关电路的话，单片机输出的高电平一般是3.3V、5V。那么单片机可以驱动N管的开关电路，而P管的关断需要一个大于10.6V的电压，单片机无法关断P管。



   如果把两个N管开关电路连在一起，输入和输出是同相的。当输入是低电平的时候，Q1截止，Q1的C极是高电平，三极管Q2的B极是高电平，Q2导通，输出低电平。当Vin是高电平的时候，N管Q1导通，Q1的C极是低电平0.3V。那么三极管Q2的B极也是低电平，Q2截止，输出高电平。粉色这条回路有两个阻抗。为了精简电路同时节省成本，可以把R4去掉。



   加下拉电阻的目的是保证三极管的B极有一个确定的状态，还要为BE结电容提供放电回路。

        Q2的B极和Q1的C极是直接相连的，电位相等。而Q1已经加了下拉电阻，可以保证Q1的B极有一个确定的状态。当Q1饱和导通时，Q1的C极是0.3V，Q2的B极也是0.3V，Q2截止。当Q1截止时，Q1的C极被上拉到12V，可以导通三极管Q2，Q2是饱和导通的。所以，只要Q1要么饱和导通，要么截止，那Q2的B极也是要么是高电平，要么低电平。从确定Q2的B极的高低电平的角度，R6这个下拉电阻是可以去掉的。



   当Q1的C极是低电平时，Q2的结电容Cbe开始放电。三极管Q1导通时，Q1的C极才是低电平。Q1导通时CE极就有了电流Ic，结电容Cbe就会通过Q1的CE极这条回路放电。同时结电容Cbe还会通过电阻R6放电，如图中粉色线所画出的回路。这两条放电回路，Cbe最终放电到的电压是有区别的。Cbe通过绿色线的回路放电，Cbe的电压放到0.3V的时候，就不再放电了。Cbe通过红色线的回路放电，Cbe的电压可以放到0V。但是，既然Cbe已经有绿色的放电回路了，R6这条放电回路可以不要。所以，通过分析，Q2的下拉电阻R6是可以去掉的。



三极管电路分析：N+P的开关管电路

   当Vin是低电平时，三极管Q1截止。因为没有压降，红线这条回路上的电流等于0。由于流过Q2的BE极的电流是0，所以Q2也是截止的。输出电压Vo=0V。所以，当输入Vin是低电平的时候，输出也是低电平。

   当Vin是高电平的时候，三极管Q1导通，Q1的C极是低电平0.3V。三极管Q2会导通，三极管Q2导通以后，Q2的B极被钳位在11.3V。我们看绿色线画出的这条回路，流过R4的电流等于：R4两端的电压除以R4的阻值。(11.3V-0.3V)/10K=1.1mA。R6两端的电压被三极管BE极钳位在0.7V。所以I6=0.7V/2K=0.35mA，那么流过Q2的BE极的电流Ib=1.1mA-0.35mA=0.75mA。此时Ic达到最大值，Ic=11.7V/10K=1.17mA。Ib*β>Ic，这个三极管工作在饱和导通状态。

   对于N+P管组成的开关电路来说，当输入是高电平的时候，输出是高电平。当输入是低电平的时候，输出是低电平。也就是说，输入和输出是同相的。并且单片机输出的3.3V电压是可以控制这个N+P管电路的。

三极管电路分析

        PCB的走线走线上有寄生电感，经过走线以后，实际的方波信号上升沿和下降沿会有一定的坡度。而三极管的C极和E极之间存在寄生电容Cec，B极和C极之间存在寄生电容Cbe，当输入信号Vin要开通三极管的时候，给Cbe充电需要一定的时间，造成三极管开通有一定的延时。同时，三极管的输出电压Vo就等于结电容Cec的端电压。输出电压Vo变化，也需要给CE极之间的结电容Cec充放电。而给结电容Cec充放电也是需要时间的，也就造成三极管的输出会有一定的延时。





   开关电路输入信号和输出信号之间有延迟，所以上图中输入Vin和输出Vo信号不是对齐的。当输入有一个开通信号时，要经过td时间后，输出Vo才有反应，此时输出信号为高电平90%左右，并没有下降到0V，三极管也并没有开通。结电容还需要时间放电。规定输出信号变化到Vo*10%时三极管才真正开通。td是延时时间，tr是开通时间。

   同样，三极管从开始关断到真正关断，也需要一个tf时间。那么，td+tr才是三极管的开通时间。ts+tf是三极管的关断时间。

   根据3906三极管的手册，它的开通时间为35+35=70ns，关断延时时间为225+75=300ns。