1. 簡(jiǎn)介

雙極結(jié)型三極管(Bipolar Junction Transistor, BJT)，又稱為晶體管，是我們?cè)谀M電路中學(xué)習(xí)的比較基本的電流控制電流器件，由基極電流大小控制集電極電流大小。三極管有兩種類型，即NPN三極管和PNP三極管；有三種工作狀態(tài)，即通常其特性曲線中的截止區(qū)、放大區(qū)（從基極看，是電流/電流，所以直接叫做“放大區(qū)”）和飽和區(qū)。

說(shuō)明：場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)，俗稱MOS管，是電壓控制電流器件，由柵極電壓大小控制漏極電流大小。

有兩種類型，即N溝道場(chǎng)效應(yīng)管(N-Channel MOSFET)和P溝道場(chǎng)效應(yīng)管(P-Channel MOSFET)。

有三種工作狀態(tài)，即截止區(qū)、可變電阻區(qū)（從柵極看，是電壓/電流，所以相當(dāng)于可變電阻，所以叫做“可變電阻區(qū)”）和飽和區(qū)。

無(wú)論是三極管還是場(chǎng)效應(yīng)管，在數(shù)字電路中做開(kāi)關(guān)使用時(shí)，都工作在截止區(qū)和飽和區(qū)。關(guān)斷的時(shí)候，器件工作在截止區(qū)；而導(dǎo)通的時(shí)候，要保證器件工作在飽和區(qū)。

兩種器件多數(shù)情況下導(dǎo)通時(shí)，都能工作在飽和區(qū)；如對(duì)于三極管來(lái)說(shuō)，由于其放大倍數(shù)通常達(dá)到200以上，所以能夠使集電極電流值達(dá)到最大電流極限值而飽和，但我們?nèi)匀恍枰榔涔ぷ髟陲柡蛥^(qū)的原理，下文將順便介紹其原理。

遺憾的是，網(wǎng)上很多工作在數(shù)字開(kāi)關(guān)目的下的三極管或MOS管，都是“缺胳膊少腿”，不完善。因而，本文將基于三極管詳解其完備電路中各元件的用途，以及各種不完備電路存在的缺陷。

因?yàn)橥陚潆娐分挥幸环N，我們姑且稱之為“第一等電路”；而不完備電路至少有四種，我們姑且稱之為“第二等電路”、“第三等電路”、“第四等電路”和“第五等電路”，這里等級(jí)越靠后，基本就是越差。

2. 第一等電路——完備電路

如上圖(a)(b)所示，分別是NPN三極管和PNP三極管用于數(shù)字開(kāi)關(guān)時(shí)的完備電路。

(a)電路可使用GPIO1的高電平導(dǎo)通NPN三極管Q1，GPIO1的低電平關(guān)斷Q1；(b)電路可使用GPIO2的低電平導(dǎo)通PNP三極管Q2，GPIO2的高電平關(guān)斷Q2。下面講解基極偏置電阻的作用：

R1和R3是基極限流電阻，因?yàn)榛鶇^(qū)很薄，過(guò)流能力較小，所以要限流。

假如沒(méi)有R1，NPN三極管Q1在GPIO1 = 1.8V或3.3V高電平的情況下導(dǎo)通后，基極會(huì)被鉗位到0.7V，那么基極多余出的1.8V - 0.7V = 1.1V或3.3V - 0.7V = 2.6V的電壓將加載到何處呢？

同理，假如沒(méi)有R3，PNP三極管Q2在GPIO2 = 0V的情況下導(dǎo)通后，在VCC = 1.8V或3.3V的情況下，基極會(huì)被抬高1.8V - 0.7V = 1.1V或3.3V - 0.7V = 2.6V，這些電壓又將加載到何處呢？

R2和R4是（基極）偏置電阻，當(dāng)三極管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，為基極提供偏置電壓。至于為何需要提供偏置電壓，將在后面“第二等電路”中說(shuō)明。

注意：此處假設(shè)基極-射極二極管的壓降為0.7V，下同。

3. 第二等電路——缺少偏置電阻

如上圖(c)(d)所示，是在“第一等電路”完備電路的基礎(chǔ)上，缺少了基極偏置電阻R2和R4。

這樣電路的缺陷是，當(dāng)GPIO1使用高電平開(kāi)啟NPN BJT Q1后，其基極將被基極與射極之間的二極管鉗位到二極管壓降（通常為0.5 ~ 0.7V）；此時(shí)，若基極有脈沖干擾，Q1的工作狀態(tài)可能會(huì)受影響，即此時(shí)電路的抗干擾能力不如上述“第一等電路”。

同理，當(dāng)GPIO2使用低電平開(kāi)啟PNP BJT Q2后，其基極電壓將被抬升到VCC減去“基極-射極二極管壓降”（若VCC=3.3V，GPIO=0V，二極管壓降為0.7V，Q2開(kāi)啟后，基極將被抬升到3.3V-0.7V=2.6V）；此時(shí)，若基極2.4V上疊加一定的脈沖干擾，Q2的工作狀態(tài)可能會(huì)受影響，即此時(shí)電路的抗干擾能力不如上述“第一等電路”。

4. 第三等電路——缺少偏置電阻和限流電阻

如上圖(e)(f)所示，是在“第二等電路”的基礎(chǔ)上，缺少了基極基極限流電阻R1和R3，偏置電阻R2和R4。

缺陷是：其一，基極可能因?yàn)檫^(guò)流損壞；其二，Q1開(kāi)啟后基極會(huì)被鉗位到0.7V（基極-射極二極管壓降），Q2開(kāi)啟后基極將被鉗位到2.6V，且工作狀態(tài)都容易受脈沖或噪聲的干擾。

5. 第四等電路——射極跟隨器電路

如圖(g)(h)所示，是在“第三等電路”的基礎(chǔ)上，將原來(lái)集電極上的負(fù)載轉(zhuǎn)移到射極。因?yàn)榛鶚O-射極之間相當(dāng)于二極管，對(duì)NPN管來(lái)說(shuō)，基極比射極高0.7V；對(duì)PNP管來(lái)說(shuō)，基極比射極低0.7V。

所以，從射極來(lái)說(shuō)，在二極管壓降0.7V差值的基礎(chǔ)上，始終會(huì)跟隨基極的電壓變化，這就是射極跟隨器電路，即負(fù)載接在射極。

射極跟隨器電路多用于模擬電路中，在數(shù)字電路中作為驅(qū)動(dòng)后端負(fù)載使用時(shí)，是不合適的，因?yàn)橹挥须娏鞣糯螅瑳](méi)有電壓放大，有時(shí)會(huì)因?yàn)楣β史糯蟛蛔悖鵁o(wú)法驅(qū)動(dòng)后端負(fù)載。

以(g)電路為例，假如GPIO1=3.3V，那么只有Vout1=3.3-0.7V=2.6V的電壓加載到負(fù)載RL1上，而不是整個(gè)VCC（假設(shè)VCC為5V或12V）加載到負(fù)載上。這種應(yīng)用，有時(shí)會(huì)因?yàn)楣β史糯蟛蛔悖瑢?dǎo)致電路工作不穩(wěn)定，具體可見(jiàn)“[1] TLP293-4光耦電路應(yīng)用問(wèn)題分析”。

6. 第五等電路——缺少基極限流電阻的射極跟隨器電路

如圖(i)(j)所示，是缺少基極限流電阻和偏置電阻的射極跟隨器電路，在數(shù)字電路應(yīng)用中，存在前述電路所有的缺陷，此處無(wú)需過(guò)多解釋。

7. 數(shù)字三極管

ROHM DTC043Z series NPN 100mA 50V Digital Transistor (Bias Resistor Built-in Transistor)即是內(nèi)置偏置電阻的NPN型三極管，內(nèi)置偏置電阻分別為4.7k和47k；ROHM DTA043Z series PNP -100mA -50V Digital Transistor (Bias Resistor Built-in Transistor)即是內(nèi)置偏置電阻的PNP型三極管，內(nèi)置偏置電阻分別為4.7k和47k，如下圖所示。

這種數(shù)字三極管在實(shí)際作為開(kāi)關(guān)使用時(shí)，無(wú)需外加偏置電阻，可使電阻設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單。但仍需注意，負(fù)載始終接在集電極，而不能錯(cuò)誤地接在射極，構(gòu)成設(shè)計(jì)跟隨器電路。

8. 總結(jié)

如前所述，無(wú)論是三極管還是場(chǎng)效應(yīng)管，在數(shù)字電路中做開(kāi)關(guān)使用時(shí)，都工作在截止區(qū)和飽和區(qū)。本文總結(jié)了三極管在數(shù)字電路中做開(kāi)關(guān)使用時(shí)各外圍元件的作用，實(shí)際應(yīng)用中，推薦使用“第一等完備電路”或數(shù)字三極管，以避免其他各類電路的缺陷。