三极管驱动电路的原理详解

1. 简介

双极结型三极管(Bipolar Junction Transistor, BJT)，又称为晶体管，是我们在模拟电路中学习的比较基本的电流控制电流器件，由基极电流大小控制集电极电流大小。三极管有两种类型，即NPN三极管和PNP三极管；有三种工作状态，即通常其特性曲线中的截止区、放大区（从基极看，是电流/电流，所以直接叫做“放大区”）和饱和区。

说明：场效应管(MOSFET)，俗称MOS管，是电压控制电流器件，由栅极电压大小控制漏极电流大小。有两种类型，即N沟道场效应管(N-Channel MOSFET)和P沟道场效应管(P-Channel MOSFET)；有三种工作状态，即截止区、可变电阻区（从栅极看，是电压/电流，所以相当于可变电阻，所以叫做“可变电阻区”）和饱和区。

无论是三极管还是场效应管，在数字电路中做开关使用时，都工作在截止区和饱和区。关断的时候，器件工作在截止区；而导通的时候，要保证器件工作在饱和区。两种器件多数情况下导通时，都能工作在饱和区；如对于三极管来说，由于其放大倍数通常达到200以上，所以能够使集电极电流值达到最大电流极限值而饱和，但我们仍然需要知道其工作在饱和区的原理，下文将顺便介绍其原理。

遗憾的是，网上很多工作在数字开关目的下的三极管或MOS管，都是“缺胳膊少腿”，不完善。因而，本文将基于三极管详解其完备电路中各元件的用途，以及各种不完备电路存在的缺陷。因为完备电路只有一种，我们姑且称之为“第一等电路”；而不完备电路至少有四种，我们姑且称之为“第二等电路”、“第三等电路”、“第四等电路”和“第五等电路”，这里等级越靠后，基本就是越差。

2. 第一等电路——完备电路

如上图(a)(b)所示，分别是NPN三极管和PNP三极管用于数字开关时的完备电路。(a)电路可使用GPIO1的高电平导通NPN三极管Q1，GPIO1的低电平关断Q1；(b)电路可使用GPIO2的低电平导通PNP三极管Q2，GPIO2的高电平关断Q2。下面讲解基极偏置电阻的作用：

R1和R3是基极限流电阻，因为基区很薄，过流能力较小，所以要限流。

假如没有R1，NPN三极管Q1在GPIO1 = 1.8V或3.3V高电平的情况下导通后，基极会被钳位到0.7V，那么基极多余出的1.8V - 0.7V = 1.1V或3.3V - 0.7V = 2.6V的电压将加载到何处呢？同理，假如没有R3，PNP三极管Q2在GPIO2 = 0V的情况下导通后，在VCC = 1.8V或3.3V的情况下，基极会被抬高1.8V - 0.7V = 1.1V或3.3V - 0.7V = 2.6V，这些电压又将加载到何处呢？

R2和R4是（基极）偏置电阻，当三极管处于饱和导通状态时，为基极提供偏置电压。至于为何需要提供偏置电压，将在后面“第二等电路”中说明。

注意：此处假设基极-射极二极管的压降为0.7V，下同。

3. 第二等电路——缺少偏置电阻

如上图(c)(d)所示，是在“第一等电路”完备电路的基础上，缺少了基极偏置电阻R2和R4。

这样电路的缺陷是，当GPIO1使用高电平开启NPN BJT Q1后，其基极将被基极与射极之间的二极管钳位到二极管压降（通常为0.5 ~ 0.7V）；此时，若基极有脉冲干扰，Q1的工作状态可能会受影响，即此时电路的抗干扰能力不如上述“第一等电路”。

同理，当GPIO2使用低电平开启PNP BJT Q2后，其基极电压将被抬升到VCC减去“基极-射极二极管压降”（若VCC=3.3V，GPIO=0V，二极管压降为0.7V，Q2开启后，基极将被抬升到3.3V-0.7V=2.6V）；此时，若基极2.4V上叠加一定的脉冲干扰，Q2的工作状态可能会受影响，即此时电路的抗干扰能力不如上述“第一等电路”。

4. 第三等电路——缺少偏置电阻和限流电阻

如上图(e)(f)所示，是在“第二等电路”的基础上，缺少了基极基极限流电阻R1和R3，偏置电阻R2和R4。

缺陷是：其一，基极可能因为过流损坏；其二，Q1开启后基极会被钳位到0.7V（基极-射极二极管压降），Q2开启后基极将被钳位到2.6V，且工作状态都容易受脉冲或噪声的干扰。

5. 第四等电路——射极跟随器电路

如图(g)(h)所示，是在“第三等电路”的基础上，将原来集电极上的负载转移到射极。因为基极-射极之间相当于二极管，对NPN管来说，基极比射极高0.7V；对PNP管来说，基极比射极低0.7V。所以，从射极来说，在二极管压降0.7V差值的基础上，始终会跟随基极的电压变化，这就是射极跟随器电路，即负载接在射极。

射极跟随器电路多用于模拟电路中，在数字电路中作为驱动后端负载使用时，是不合适的，因为只有电流放大，没有电压放大，有时会因为功率放大不足，而无法驱动后端负载。以(g)电路为例，假如GPIO1=3.3V，那么只有Vout1=3.3-0.7V=2.6V的电压加载到负载RL1上，而不是整个VCC（假设VCC为5V或12V）加载到负载上。这种应用，有时会因为功率放大不足，导致电路工作不稳定，具体可见“[1] TLP293-4光耦电路应用问题分析”。

6. 第五等电路——缺少基极限流电阻的射极跟随器电路

如图(i)(j)所示，是缺少基极限流电阻和偏置电阻的射极跟随器电路，在数字电路应用中，存在前述电路所有的缺陷，此处无需过多解释。

7. 数字三极管

ROHM DTC043Z series NPN 100mA 50V Digital Transistor (Bias Resistor Built-in Transistor)即是内置偏置电阻的NPN型三极管，内置偏置电阻分别为4.7k和47k；ROHM DTA043Z series PNP -100mA -50V Digital Transistor (Bias Resistor Built-in Transistor)即是内置偏置电阻的PNP型三极管，内置偏置电阻分别为4.7k和47k，如下图所示。

这种数字三极管在实际作为开关使用时，无需外加偏置电阻，可使电阻设计更加简单。但仍需注意，负载始终接在集电极，而不能错误地接在射极，构成设计跟随器电路。

8. 总结

如前所述，无论是三极管还是场效应管，在数字电路中做开关使用时，都工作在截止区和饱和区。本文总结了三极管在数字电路中做开关使用时各外围元件的作用，实际应用中，推荐使用“第一等完备电路”或数字三极管，以避免其他各类电路的缺陷。