常用的三極管電路設(shè)計(jì)-電阻到底是怎么選的

今天的內(nèi)容超級(jí)簡(jiǎn)單，主要給硬件新手寫(xiě)點(diǎn)東西，關(guān)于三極管實(shí)用方面的，會(huì)說(shuō)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?，?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(lái)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(kāi)關(guān)來(lái)使用的，作為開(kāi)關(guān)，雖然MOS可能更為合適，不過(guò)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。

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

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：

3、驅(qū)動(dòng)MOS開(kāi)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(kāi)關(guān)，如下圖：

在in為低時(shí)，三極管不導(dǎo)通，相當(dāng)于是開(kāi)路，PMOS管的Vgs為0，PMOS管也不導(dǎo)通，Vcc2沒(méi)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(kāi)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，最重要的就是要保證管子的工作狀態(tài)是ok的，也就是說(shuō)我們要選好電路中的電阻阻值。

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(wèn)就說(shuō)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(lái)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(guò)，那么集電極Ic=β*Ib，Ic也會(huì)在Rc上面產(chǎn)生壓降Urc。

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(shuō)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(lái)，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(guò)，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，如果最終算得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

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：

可以看到，在Ic=10mA時(shí)，放大倍數(shù)最小為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(shuō)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(guò)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(kāi)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(kāi)路，PMOS管的Vgs為0，PMOS管也不導(dǎo)通，Vcc2沒(méi)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(méi)有電流的，所以可以看做是開(kāi)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(méi)有說(shuō)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(guò)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)最小是80，所以Ib=1.2mA/80=15uA。那么R1=(3.3-0.7）/15uA=173k。也就是說(shuō)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(guò)R2來(lái)限制。

我們也可以通過(guò)R2和C1一起來(lái)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(méi)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。