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

晶體管是一個(gè)簡(jiǎn)單的組件，可以使用它來(lái)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(jiàn)的晶體管：BJT和MOSFET。 晶體管的工作原理就像電子開(kāi)關(guān)，它可以打開(kāi)和關(guān)閉電流。一個(gè)簡(jiǎn)單的思考方法就是把晶體管看作沒(méi)有任何動(dòng)作部件的開(kāi)關(guān)，晶體管類似于繼電器，因?yàn)槟憧梢杂盟鼇?lái)打開(kāi)或關(guān)閉一些東西。當(dāng)然了晶體管也可以部分打開(kāi)，這對(duì)于放大器的設(shè)計(jì)很有用。

晶體管是一個(gè)簡(jiǎn)單的組件，可以使用它來(lái)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(jiàn)的晶體管：BJT和MOSFET。 晶體管的工作原理就像電子開(kāi)關(guān)，它可以打開(kāi)和關(guān)閉電流。一個(gè)簡(jiǎn)單的思考方法就是把晶體管看作沒(méi)有任何動(dòng)作部件的開(kāi)關(guān)，晶體管類似于繼電器，因?yàn)槟憧梢杂盟鼇?lái)打開(kāi)或關(guān)閉一些東西。當(dāng)然了晶體管也可以部分打開(kāi)，這對(duì)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(kāi)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)

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

要打開(kāi)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(kāi)。

既然我們大多數(shù)人沒(méi)有0.7V的電池，我們?cè)趺创蜷_(kāi)晶體管？

很簡(jiǎn)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(guò)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(kāi)關(guān)，則可以通過(guò)按鍵開(kāi)關(guān)來(lái)控制晶體管，進(jìn)而控制LED：

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(kāi)，使更大的電流可以從集電極流向發(fā)射極。

這兩種電流的大小是有聯(lián)系的，這叫做晶體管的增益。 對(duì)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：

所以你需要一個(gè)83 kΩ的電阻。并不是說(shuō)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(méi)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(jiàn)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(jiàn)的晶體管。 它還有三個(gè)引腳：

GateG)

Source(S)

Drain(D)

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(duì)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(duì)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(kāi)MOSFET

下面是一個(gè)打開(kāi)MOSFET的電路示例。

如果要打開(kāi)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(kāi)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(guò)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(duì)低電流的東西來(lái)說(shuō)就足夠了，比如打開(kāi)一個(gè)LED。 請(qǐng)注意，即使你使用足夠高的電壓，可以使1A電流通過(guò)，這并不意味著你將得到1A。只是意味著你想讓1A能通過(guò)，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(guò)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(kāi)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(lái)設(shè)置LED的亮度。對(duì)于大多數(shù)LED來(lái)說(shuō)，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。

如果沒(méi)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(kāi)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?。寒?dāng)你打開(kāi)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(guò)。因此，當(dāng)MOSFET打開(kāi)時(shí)，沒(méi)有電流流過(guò)柵極。 但是當(dāng)MOSFET剛被打開(kāi)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(guò)多電流的影響，需要添加一個(gè)MOSFET柵極電阻:

對(duì)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(jiàn)的問(wèn)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(lái)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(lái)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(guò)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(lái)控制繼電器：

將電阻器的左側(cè)連接到輸出引腳(從Arduino開(kāi)始)以控制繼電器。 但是晶體管對(duì)于更簡(jiǎn)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(kāi)/關(guān))，它也可以在“完全打開(kāi)”和“完全關(guān)閉”之間的任何位置。 這意味著一個(gè)幾乎沒(méi)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(jiǎn)單的放大器用來(lái)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(guò)揚(yáng)聲器的電流越高。

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。