三极管与MOS管工作状态图解分享

图说三极管的三个工作状态

电子元件基础—BJT管

三极管的工作状态：大家都知道三极管是电流控制型元件，三极管工作在放大状态下存在Ic=βIb的关系，怎么理解三极管的放大模型呢?这儿我们抛开三极管内部空穴和电子的运动，还是那句话只谈应用不谈原理，希望通过下面的“图解”让初学者对三极管有一个形象的认识。

三极管是一个以b(基极)电流Ib 来驱动流过ce 的电流Ic 的器件，它的工作原理很像一个可控制的阀门。

左边细管子里蓝色的小水流冲动杠杆使大水管的阀门开大，就可允许较大红色的水流通过这个阀门。当蓝色水流越大，也就使大管中红色的水流更大。

如果放大倍数是100，那么当蓝色小水流为1 千克/小时，那么就允许大管子流过100千克/小时的水。三极管的原理也跟这个一样，放大倍数为100 时，当Ib(基极电流)为1mA 时，就允许100mA 的电流通过Ice。

有了这个形象的解释之后，我们再来看一个单片机里常用的电路

来分析一下这个电路，如果它的放大倍数是100，基极电压我们不计。基极电流就是10V/10K=1mA，集电极电流就应该是100mA。根据欧姆定律，这样Rc上的电压就是0.1A×50Ω=5V。那么剩下的5V 就吃在了三极管的c、e 极上了。

现在我们假如让Rb 为1K，那么基极电流就10V/1K=10mA，这样按照放大倍数100算，Ic就是不是就为1000mA 也就是1A了呢?假如真的为1安，那么Rc上的电压为1A×50Ω=50V。50V!都超过电源电压了，三极管都成发电机了吗?其实不是这样的。见下图：

我们还是用水管内流水来比喻电流，当这个控制电流为10mA 时使主水管上的阀开大到能流过1A 的电流，但是不是就能有1A 的电流流过呢?

不是的，因为上面还有个电阻，它就相当于是个固定开度的阀门，它串在这个主水管的上面，当下面那个可控制的阀开度到大于上面那个固定电阻的开度时，水流就不会再增大而是等于通过上面那个固定阀开度的水流了，因此，下面的三极管再开大开度也没有用了。

因此我们可以计算出那个固定电阻的最大电流10V/50Ω=0.2A也就是200mA。就是说在电路中三极管基极电流增大集电极的电流也增大，当基极电流Ib 增大到2mA 时，集电极电流就增大到了200mA。

当基极电流再增大时，集电极电流已不会再增大，就在200mA 不动了。此时上面那个电阻也就是起限流作用了。

三极管的工作状态：上面讲的三极管是工作在放大状态，要想作为开关器件来应用呢?毫无疑问三极管必须进入饱和导通和截止状态。图4所示的电路中，我们从Q 的基极注入电流Ib，那么将会有电流流入集电极，大小关系为：Ic=βIb 。

而至于BJT 发射结电压Vbe，我们说这个并不重要，因为只要Ib 存在且为正值时，这个结电压便一定存在并且基本恒定(约0.5～1.2V，一般的管子取0.7V 左右)，也就是我们所讲的发射结正偏。

既然Ube 是固定的，那么，如果BJT 基极驱动信号为电压信号时，就必须在基极串联一个限流电阻，如图5。此时，基极电流为Ib=(Ui-Ube)/Rb。一般情况省略Rb是不允许的，因为这样的话Ib 将会变得很大，造成前级电路或者是BJT的损坏。

接下来进入我们最关心的问题：Rb 如何选取。前面说到过Ic=βIb，为了使晶体管进入饱和，我们必须增加Ib，从而使Ic 增大，Rc 上的压降随之增大，直到Rc 上几乎承受了所有的电源电压。此时，Uce 变得很小，约0.2～0.3V(对于大功率BJT，这个值可能达到2～3V)，也就是我们所说的饱和压降Uce(sat)。

如果达到饱和时，我们忽略Uce(sat)，那么就有IcRL=βIbRL=Vcc。也就是只要保证Ib≥Ic/β或Ib≥Vcc/(βRL)时，晶体管就能进入饱和状态。我们看这样一组数据：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就能满足要求了。但是，实际上，对于这种情况，如果取一个10kΩ以上的电阻都可能导致BJT 无法进入饱和状态。

这是为什么呢?因为我们的器件不是理想的，我们在来看下面一个图

这是我们常用的一款小信号BJT，型号为MMBT3904 的直流电压增益曲线。从图中可以看出，BJT 的共射极直流电压增益hfe(也就是通常意义下的β)不仅是温度的函数，而且与集电极电流有关。在一定的集电极电流范围内，hfe 基本为常数;当集电极电流大于一定值时，hfe 将急剧下降。

我们在使用BJT 作为开关时，大多数情况下用于驱动外部负载，如LED、继电器等，这些负载的电流一般较大，此时hFe 已经下降到远小于我们计算时使用的那个值。

如前面的例子，如果这个BJT 为MMbT3904，集电极电流达到近50mA，此时的β(或hFe)已经下降到只要100 左右了，计算基极电阻时使用的β也应该取100 而不是200。

而实际应用中，Ib 并不是越大越好，因为Ib 对外电路来说是没有实质作用的，它仅仅是维持BJT 可靠导通的必要条件。Ib 越大，驱动部分的损耗也就越大，从而降低了电路的效率。而且Ib越大还会影响三极管的开关速率。

电子元件基础—MOS管

MOS管识别

我们知道MOS管有P沟道和N沟道之分，给出一个MOS的电路符号，你是怎么判断它是N沟道，还是P沟道?下面我们就来看下图这颗MOS管电路符号。

MOS三个极怎么判断?

它们是N沟道还是P沟道?

寄生二极管

在图1我们看到D极和S极之间存在着一个二极管，这个二极管叫寄生二极管。MOS的寄生二极管怎么来的呢?它是由生产工艺造成的，大功率MOS管漏极从硅片底部引出，就会有这个寄生二极管。

小功率MOS管例如集成芯片中的MOS管是平面结构，漏极引出方向是从硅片的上面也就是与源极等同一方向，没有这个二极管。模拟电路书里讲得就是小功率MOS管的结构，所以没有这个二极管。但D极和衬底之间都存在寄生二极管，如果是单个晶体管，衬底当然接S极，因此自然在DS之间有二极管。

如果在Ic里面，N—MOS衬底接最低的电压，P—MOS衬底接最高电压，不一定和S极相连，所以DS之间不一定有寄生二极管。那么寄生二极管起什么作用呢?当电路中产生很大的瞬间反向电流时，可以通过这个二极管导出来，不至于击穿这个MOS管。(起到保护MOS管的作用)

寄生二极管方向判定

MOS管的应用

1、开关作用

我们笔记本主板上用得最多的电子器件便是MOS管，可见MOS管在低功耗方面应用得非常广泛，MOS管都有哪些应用呢?先来看下面的原理图

相信你从图5可以看出MOS管在电路中的作用了吧，以上的MOS开关实现的是信号切换(高低电平的切换)，那么MOS在电路中要实现开关作用应该满足什么条件呢?还有前面提过MOS管接入电路哪个极接输入哪个极接输出(提示：寄生二极管是关键)?我们先看MOS管做开关时在电路的接法。

为什么是这样接呢?反过来接行不行?那是不行的。就拿NMOS管来说S极做输入D极做输出，由于寄生二极管直接导通，因此S极电压可以无条件到D极，MOS管就失去了开关的作用，同理PMOS管反过来接同样失去了开关作用。

接下来谈谈MOS管的开关条件，我们可以这么记，不论是P沟道还是N沟道，G极电压都是与S极电压做比较：

N沟道： UG>US时导通。 (简单认为)UG=US时截止。

P沟道： UG

但UG比US大(或小)多少伏时MOS管才会饱和导通呢?这要看具体的MOS管，不同的MOS管要求的压差不同。比如笔记本上用于信号切换的MOS管：N7002，2N7002e，2N7002K，2N7002D，FDV301N等。UG比US大3V---5V即可。

2、隔离作用

如果我们想实现线路上电流的单向流通，比如只让电流由A->b，阻止由b->A，请问该怎么做?

但这样的做法有一个缺点，二极管上会产生一个压降，损失一些电压信号。而使用MOS管做隔离，在正向导通时，在控制极加合适的电压，可以让MOS管饱和导通，这样通过电流时几乎不产生压降。下面我们来看一个防电源反接电路。

这个电路当电源反接时NMOS管截止，保护了负载。电源正接时由于NMOS管导通压降比较小，几乎不损失电压，比在电源端加保险管再在负载并联一个二极管的方案好一些。

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