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放大器設(shè)計(jì):晶體管BJT的工作原理以及MOS和BJT晶體管的區(qū)別

發(fā)布時(shí)間:2022-11-24 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】晶體管是一個(gè)簡單的組件,可以使用它來構(gòu)建許多有趣的電路。在本文中,將帶你了解晶體管是如何工作的,以便你可以在后面的電路設(shè)計(jì)中使用它們。 一旦你了解了晶體管的基本知識(shí),這其實(shí)是相當(dāng)容易的。我們將集中討論兩個(gè)最常見的晶體管:BJT和MOSFET。 晶體管的工作原理就像電子開關(guān),它可以打開和關(guān)閉電流。一個(gè)簡單的思考方法就是把晶體管看作沒有任何動(dòng)作部件的開關(guān),晶體管類似于繼電器,因?yàn)槟憧梢杂盟鼇泶蜷_或關(guān)閉一些東西。當(dāng)然了晶體管也可以部分打開,這對于放大器的設(shè)計(jì)很有用。


晶體管是一個(gè)簡單的組件,可以使用它來構(gòu)建許多有趣的電路。在本文中,將帶你了解晶體管是如何工作的,以便你可以在后面的電路設(shè)計(jì)中使用它們。 一旦你了解了晶體管的基本知識(shí),這其實(shí)是相當(dāng)容易的。我們將集中討論兩個(gè)最常見的晶體管:BJT和MOSFET。 晶體管的工作原理就像電子開關(guān),它可以打開和關(guān)閉電流。一個(gè)簡單的思考方法就是把晶體管看作沒有任何動(dòng)作部件的開關(guān),晶體管類似于繼電器,因?yàn)槟憧梢杂盟鼇泶蜷_或關(guān)閉一些東西。當(dāng)然了晶體管也可以部分打開,這對于放大器的設(shè)計(jì)很有用。


1 晶體管BJT的工作原理


讓我們從經(jīng)典的NPN晶體管開始。 下圖是個(gè)雙極結(jié)晶體管(BJT),有三個(gè)引腳:


基極(B)

集電極(C)

發(fā)射極(E)


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如果你打開它,電流可以通過它從集電極到發(fā)射極。當(dāng)它關(guān)閉時(shí),沒有電流流過。如下示例電路中,晶體管是關(guān)著的。這意味著沒有電流可以通過它,所以發(fā)光二極管也被關(guān)閉了。


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要打開晶體管,基極和發(fā)射極之間的電壓約為0.7V。 如果你有一個(gè)0.7V的電池,你可以把它連接到基極和發(fā)射極之間,晶體管就會(huì)打開。


既然我們大多數(shù)人沒有0.7V的電池,我們怎么打開晶體管?


很簡單!晶體管的基極到發(fā)射極部分的工作原理是二極管,二極管有一個(gè)正向電壓,它會(huì)從可用電壓中“抓取”這部分電壓。如果你在串聯(lián)中加入一個(gè)電阻器,其余的電壓就會(huì)在電阻器上分壓。 因此,增加一個(gè)電阻器,你會(huì)自動(dòng)獲得0.7V左右。這和你通過LED限制電流確保它不會(huì)爆炸是一樣的原理。 如果還添加了按鍵開關(guān),則可以通過按鍵開關(guān)來控制晶體管,進(jìn)而控制LED:


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1.1 選擇元器件的值


要選擇元器件的值,還需要了解晶體管的工作原理:當(dāng)電流從基極流向發(fā)射極時(shí),晶體管打開,使更大的電流可以從集電極流向發(fā)射極。


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這兩種電流的大小是有聯(lián)系的,這叫做晶體管的增益。 對于一般用途的晶體管,如BC547或2N3904,這可能在100左右。 這意味著,如果你有0.1mA從基極流向發(fā)射極,你可以有10毫安(100倍以上)從集電極到發(fā)射極。


你需要什么電阻值R1才能得到0.1mA的電流?


如果電池是9V,晶體管的基極到發(fā)射極達(dá)到0.7V,那么電阻器上還有8.3V。 你可以用歐姆定律要找到電阻值:


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所以你需要一個(gè)83 kΩ的電阻。并不是說一定是這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值,82 kΩ也可以,而且它已經(jīng)足夠了。 R2可以將電流限制在LED上,可以選擇沒有晶體管時(shí)連接LED和電阻直接到9V電池時(shí)所用的阻值。比如,1kΩ應(yīng)該可以滿足正常工作。 1.2 如何選擇晶體管 NPN晶體管是最常見的雙極結(jié)晶體管(BJT)。但是還有一個(gè)叫做PNP晶體管和它的工作方式是一樣的,只是所有的電流都在相反的方向。 在選擇晶體管時(shí),最重要的是要記住晶體管能承受多少電流。這叫做集電極電流(iC).


2 MOSFET的工作原理


MOSFET晶體管是另一種常見的晶體管。 它還有三個(gè)引腳:


GateG)

Source(S)

Drain(D)


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MOSFET符號(hào)(N通道)


MOS的工作原理類似于BJT晶體管,但有一個(gè)重要的區(qū)別:


對于BJT晶體管,電流從一個(gè)基極到另一個(gè)發(fā)射極,決定了從集電極到發(fā)射極能流多少電流。


對于MOSFET晶體管,電壓柵極和源極之間的電流決定了有多少電流能從漏極流向另一個(gè)源極。


2.1 如何打開MOSFET


下面是一個(gè)打開MOSFET的電路示例。


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如果要打開MOSFET晶體管,需要在柵極和源極之間的電壓高于晶體管的閾值電壓。例如,BS170有一個(gè)柵源閾值電壓2.1V。(Datasheet中有注明) MOSFET的閾值電壓實(shí)際上是它關(guān)閉的電壓。因此,要正確地打開晶體管,你需要一個(gè)稍高一點(diǎn)的電壓。 電壓多高取決于你想要通過多大的電流(在datasheet中會(huì)有注明)。如果你比閾值高出幾伏,那通常對低電流的東西來說就足夠了,比如打開一個(gè)LED。 請注意,即使你使用足夠高的電壓,可以使1A電流通過,這并不意味著你將得到1A。只是意味著你想讓1A能通過,實(shí)際的電路連接特性才決定了實(shí)際的電流。 因此,你可以走到你想要的電流大小,只要你確保你不超過最大的柵極源電壓限制(BS170是20V)。 在上面的例子中,當(dāng)你按下按鈕時(shí),門被連接到9V,這打開了晶體管。


2.2 選擇元器件的值


R1的值并不重要,但大約10kΩ應(yīng)該可以正常工作,它的目的是關(guān)閉MOSFET。 R2用來設(shè)置LED的亮度。對于大多數(shù)LED來說,1kΩ應(yīng)該工作得很好。 Q1幾乎可以是任何N溝道MOSFET,例如BS170。


2.3 如何關(guān)閉MOSFET


關(guān)于MOSFET的一件重要的特性是,它的作用也有點(diǎn)像電容器。即柵極和源極部分,當(dāng)你在柵極和源極之間施加電壓時(shí),這個(gè)電壓會(huì)一直保持到放電為止。


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如果沒有上面例子中的電阻(R1),晶體管就不會(huì)關(guān)閉。有了電阻R1,柵極源極電容就有了放電的閉環(huán)回路,從而使晶體管再次關(guān)閉。


2.4 如何選擇MOSFET晶體管


上面的示例使用N通道MOSFET和P通道MOSFET的工作方式是一樣的,只是電流流向相反的方向,并且柵極到電源電壓必須是負(fù)值才能打開它。 有數(shù)千種不同的MOSFET可供選擇。但如果你想建立上面的例子電路,并想要一個(gè)具體的建議,BS 170和IRF 510是兩個(gè)很常用的。


在選擇MOSFET時(shí)要記住兩件事:


這個(gè)柵-源閾值電壓。你需要更高的電壓才能打開晶體管。


這個(gè)連續(xù)漏電流。這是流經(jīng)晶體管的最大電流。


還有其他重要的參數(shù)也需要記住,不過這取決于你在做什么。但這不在本文的范圍之內(nèi)。記住以上兩個(gè)參數(shù),您就有了一個(gè)很好的開始。


2.5 MOSFET柵電流


如果你想控制一個(gè)MOSFET,例如,單片機(jī)、Arduino或Raspberry PI,還有一件事你需要記住:當(dāng)你打開晶體管時(shí),流進(jìn)柵極的電流。如前所述,MOSFET的柵到源充當(dāng)電容器,這意味著一旦充電,就不會(huì)有更多的電流流過。因此,當(dāng)MOSFET打開時(shí),沒有電流流過柵極。 但是當(dāng)MOSFET剛被打開時(shí)有一個(gè)電流,就像你給電容器充電時(shí)一樣。在極短時(shí)間內(nèi),可能會(huì)有大量的電流流動(dòng)。為了保護(hù)單片機(jī)不受過多電流的影響,需要添加一個(gè)MOSFET柵極電阻:


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對于這一點(diǎn),通常1000Ω是一個(gè)很好的值。使用歐姆定律結(jié)合你的具體情況。


3 為什么需要晶體管


一個(gè)常見的問題是,為什么我們需要晶體管?為什么不把LED和電阻直接連接到電池上呢?晶體管的優(yōu)點(diǎn)是你可以用較小的電流或電壓來控制更大的電流和電壓。 這是超級(jí)有用的,如果你想要控制的東西,如電機(jī),大功率LED,揚(yáng)聲器,繼電器,和更多來自一個(gè)覆盆子PI/Arduino/微控制器。從這些板卡輸出引腳通常只能提供幾毫安在5V。因此,如果你想控制你的110 V室外露臺(tái)燈,你不能直接從引腳供電。 相反,你可以通過繼電器。但是,即使是繼電器通常需要更多的電流比引腳所能提供的。所以你需要一個(gè)晶體管來控制繼電器:


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將電阻器的左側(cè)連接到輸出引腳(從Arduino開始)以控制繼電器。 但是晶體管對于更簡單的傳感器電路也很有用,比如這個(gè)光傳感器電路,觸摸傳感器電路,或H橋電路。 我們幾乎在所有電路中都使用晶體管。它確實(shí)是電子學(xué)中最重要的部件。


4 晶體管作為放大器


晶體管也是使放大器工作的原因。它不只是兩個(gè)狀態(tài)(開/關(guān)),它也可以在“完全打開”和“完全關(guān)閉”之間的任何位置。 這意味著一個(gè)幾乎沒有能量的小信號(hào)可以控制晶體管,在晶體管的集電極發(fā)射極(或漏源)部分產(chǎn)生更強(qiáng)的信號(hào)。因此,晶體管可以放大小信號(hào)。 下面是一個(gè)簡單的放大器用來驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。輸入電壓越高,從基極到發(fā)射極的電流越高,通過揚(yáng)聲器的電流越高。


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不同的輸入電壓使揚(yáng)聲器中的電流發(fā)生變化,從而產(chǎn)生聲音的高低。


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