干貨|三極管和MOS管工作狀態圖解分享-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2020-11-25
電子元件基礎—BJT管
三極管的工作狀態：大家都知道三極管是電流控制型元件，三極管工作在放大狀態下存在Ic=βIb的關系，怎么理解三極管的放大模型呢?這兒我們拋開三極管內部空穴和電子的運動，還是那句話只談應用不談原理，希望通過下面的“圖解”讓初學者對三極管有一個形象的認識。
三極管是一個以b(基極)電流Ib 來驅動流過ce 的電流Ic 的器件，它的工作原理很像一個可控制的閥門。
左邊細管子里藍色的小水流沖動杠桿使大水管的閥門開大，就可允許較大紅色的水流通過這個閥門。當藍色水流越大，也就使大管中紅色的水流更大。
如果放大倍數是100，那么當藍色小水流為1 千克/小時，那么就允許大管子流過100千克/小時的水。三極管的原理也跟這個一樣，放大倍數為100 時，當Ib(基極電流)為1mA 時，就允許100mA 的電流通過Ice。
有了這個形象的解釋之后，我們再來看一個單片機里常用的電路
來分析一下這個電路，如果它的放大倍數是100，基極電壓我們不計。基極電流就是10V/10K=1mA，集電極電流就應該是100mA。根據歐姆定律，這樣Rc上的電壓就是0.1A×50Ω=5V。那么剩下的5V 就吃在了三極管的c、e 極上了。
現在我們假如讓Rb 為1K，那么基極電流就10V/1K=10mA，這樣按照放大倍數100算，Ic就是不是就為1000mA 也就是1A了呢?假如真的為1安，那么Rc上的電壓為1A×50Ω=50V。50V!都超過電源電壓了，三極管都成發電機了嗎?其實不是這樣的。見下圖：
我們還是用水管內流水來比喻電流，當這個控制電流為10mA 時使主水管上的閥開大到能流過1A 的電流，但是不是就能有1A 的電流流過呢?
不是的，因為上面還有個電阻，它就相當于是個固定開度的閥門，它串在這個主水管的上面，當下面那個可控制的閥開度到大于上面那個固定電阻的開度時，水流就不會再增大而是等于通過上面那個固定閥開度的水流了，因此，下面的三極管再開大開度也沒有用了。
因此我們可以計算出那個固定電阻的最大電流10V/50Ω=0.2A也就是200mA。就是說在電路中三極管基極電流增大集電極的電流也增大，當基極電流Ib 增大到2mA 時，集電極電流就增大到了200mA。
當基極電流再增大時，集電極電流已不會再增大，就在200mA 不動了。此時上面那個電阻也就是起限流作用了。
三極管的工作狀態：上面講的三極管是工作在放大狀態，要想作為開關器件來應用呢?毫無疑問三極管必須進入飽和導通和截止狀態。圖4所示的電路中，我們從Q 的基極注入電流Ib，那么將會有電流流入集電極，大小關系為：Ic=βIb 。
而至于BJT 發射結電壓Vbe，我們說這個并不重要，因為只要Ib 存在且為正值時，這個結電壓便一定存在并且基本恒定(約0.5～1.2V，一般的管子取0.7V 左右)，也就是我們所講的發射結正偏。
既然Ube 是固定的，那么，如果BJT 基極驅動信號為電壓信號時，就必須在基極串聯一個限流電阻，如圖5。此時，基極電流為Ib=(Ui-Ube)/Rb。一般情況省略Rb是不允許的，因為這樣的話Ib 將會變得很大，造成前級電路或者是BJT的損壞。
接下來進入我們最關心的問題：Rb 如何選取。前面說到過Ic=βIb，為了使晶體管進入飽和，我們必須增加Ib，從而使Ic 增大，Rc 上的壓降隨之增大，直到Rc 上幾乎承受了所有的電源電壓。此時，Uce 變得很小，約0.2～0.3V(對于大功率BJT，這個值可能達到2～3V)，也就是我們所說的飽和壓降Uce(sat)。
如果達到飽和時，我們忽略Uce(sat)，那么就有IcRL=βIbRL=Vcc。也就是只要保證Ib≥Ic/β或Ib≥Vcc/(βRL)時，晶體管就能進入飽和狀態。我們看這樣一組數據：Vcc=5V，β=200，RL=100Ω。
那么要求Ib≥5/(200×100)A=0.25mA。如果Ui=5V，那么取Rb≤(Ui-Ube)/Ib≈(5-0.7)/0.25kΩ=17.2kΩ就能滿足要求了。但是，實際上，對于這種情況，如果取一個10kΩ以上的電阻都可能導致BJT 無法進入飽和狀態。
這是為什么呢?因為我們的器件不是理想的，我們在來看下面一個圖
這是我們常用的一款小信號BJT，型號為MMBT3904 的直流電壓增益曲線。從圖中可以看出，BJT 的共射極直流電壓增益hfe(也就是通常意義下的β)不僅是溫度的函數，而且與集電極電流有關。在一定的集電極電流范圍內，hfe 基本為常數;當集電極電流大于一定值時，hfe 將急劇下降。
我們在使用BJT 作為開關時，大多數情況下用于驅動外部負載，如LED、繼電器等，這些負載的電流一般較大，此時hFe 已經下降到遠小于我們計算時使用的那個值。
如前面的例子，如果這個BJT 為MMbT3904，集電極電流達到近50mA，此時的β(或hFe)已經下降到只要100 左右了，計算基極電阻時使用的β也應該取100 而不是200。
而實際應用中，Ib 并不是越大越好，因為Ib 對外電路來說是沒有實質作用的，它僅僅是維持BJT 可靠導通的必要條件。Ib 越大，驅動部分的損耗也就越大，從而降低了電路的效率。而且Ib越大還會影響三極管的開關速率。
MOS管識別
我們知道MOS管有P溝道和N溝道之分，給出一個MOS的電路符號，你是怎么判斷它是N溝道，還是P溝道?下面我們就來看下圖這顆MOS管電路符號。
MOS三個極怎么判斷?
它們是N溝道還是P溝道?
寄生二極管
在圖1我們看到D極和S極之間存在著一個二極管，這個二極管叫寄生二極管。MOS的寄生二極管怎么來的呢?它是由生產工藝造成的，大功率MOS管漏極從硅片底部引出，就會有這個寄生二極管。
小功率MOS管例如集成芯片中的MOS管是平面結構，漏極引出方向是從硅片的上面也就是與源極等同一方向，沒有這個二極管。模擬電路書里講得就是小功率MOS管的結構，所以沒有這個二極管。但D極和襯底之間都存在寄生二極管，如果是單個晶體管，襯底當然接S極，因此自然在DS之間有二極管。
如果在Ic里面，N—MOS襯底接最低的電壓，P—MOS襯底接最高電壓，不一定和S極相連，所以DS之間不一定有寄生二極管。那么寄生二極管起什么作用呢?當電路中產生很大的瞬間反向電流時，可以通過這個二極管導出來，不至于擊穿這個MOS管。(起到保護MOS管的作用）
寄生二極管方向判定
1、開關作用
我們筆記本主板上用得最多的電子器件便是MOS管，可見MOS管在低功耗方面應用得非常廣泛，MOS管都有哪些應用呢?先來看下面的原理圖
相信你從圖5可以看出MOS管在電路中的作用了吧，以上的MOS開關實現的是信號切換(高低電平的切換)，那么MOS在電路中要實現開關作用應該滿足什么條件呢?還有前面提過MOS管接入電路哪個極接輸入哪個極接輸出(提示：寄生二極管是關鍵)?我們先看MOS管做開關時在電路的接法。
為什么是這樣接呢?反過來接行不行?那是不行的。就拿NMOS管來說S極做輸入D極做輸出，由于寄生二極管直接導通，因此S極電壓可以無條件到D極，MOS管就失去了開關的作用，同理PMOS管反過來接同樣失去了開關作用。
接下來談談MOS管的開關條件，我們可以這么記，不論是P溝道還是N溝道，G極電壓都是與S極電壓做比較：
N溝道： UG>US時導通。 (簡單認為)UG=US時截止。
P溝道： UG
但UG比US大(或小)多少伏時MOS管才會飽和導通呢?這要看具體的MOS管，不同的MOS管要求的壓差不同。比如筆記本上用于信號切換的MOS管：N7002，2N7002e，2N7002K，2N7002D，FDV301N等。UG比US大3V---5V即可。
2、隔離作用
如果我們想實現線路上電流的單向流通，比如只讓電流由A->b，阻止由b->A，請問該怎么做?
但這樣的做法有一個缺點，二極管上會產生一個壓降，損失一些電壓信號。而使用MOS管做隔離，在正向導通時，在控制極加合適的電壓，可以讓MOS管飽和導通，這樣通過電流時幾乎不產生壓降。下面我們來看一個防電源反接電路。
這個電路當電源反接時NMOS管截止，保護了負載。電源正接時由于NMOS管導通壓降比較小，幾乎不損失電壓，比在電源端加保險管再在負載并聯一個二極管的方案好一些。
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