常用的三極管電路設計-電阻到底是怎么選的

今天的內容超級簡單，主要給硬件新手寫點東西，關于三極管實用方面的，會說兩個基本的電路，以及相關電阻的取值及注意事項。

一個現狀

我們在模電教材里面，會有各種放大電路，共基，共集，共射等，相關的計算公式，曲線，電路等效模型天花亂墜，學起來非常費勁。

實際90%工作，可能我們只需要關注一個參數就行了，那就是電流放大倍數β，其它的通通用不到，而且我們做產品，如果真要放大信號，那也是使用各種集成運放。

絕大多數情況，我們是把三極管當作一個低成本的開關來使用的，作為開關，雖然MOS可能更為合適，不過三極管價格更低，在小電流場景，三極管反而是用得更多的。

一個NPN三極管，價格也就2分錢左右。

常用的電路（NPN為例）

1、電平轉換，反相

這個電路用得非常多，有兩個功能。

一是信號反相，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，輸出高的時候，out的電平就是大約為5V的。

2、驅動指示燈

我們經常使用三極管驅動LED燈，比如下面這個電路：

3、驅動MOS開關

還一個電路也用得非常多，那就是驅動電源的PMOS開關，如下圖：

在in為低時，三極管不導通，相當于是開路，PMOS管的Vgs為0，PMOS管也不導通，Vcc2沒有電。

在in為高時，三極管導通，集電極相當于是接地GND，于是PMOS管的Vgs為-Vcc1，PMOS管導通，也就是Vcc1與Vcc2之間導通，Vcc2有電。

可以看到，以上三種電路，其實都一樣，就是三極管是用作開關的，要不工作在飽和區（導通），要不工作在截止區（不導通），總之就是不能工作在放大區。這個比較容易理解，如果工作在放大區，那么Vce的電壓就很難確定了，這會導致當你想要高低電平的時候，結果得到一個中間態。

所以，最重要的就是要保證管子的工作狀態是ok的，也就是說我們要選好電路中的電阻阻值。

關于電阻的取值，有的新手就有點分不清，因為不同的人設計的電路，電阻的阻值不盡相同，問就說是“經驗值”。其實哪有那么多經驗值，都是有些道道在里面的。

下面來看看如何選擇電阻。

如何選擇電阻

我們的電路輸入一般是只有兩種狀態，0V或者是其它的高電平（1.8V，3.3V，5V等），截止狀態一般不用怎么考慮，因為如果讓三極管的Vbe=0，自然就截止了，重要的是飽和狀態如何保證。

那么啥叫飽和狀態？

我們先假定三極管工作在放大狀態，那么放大倍數就是β，

如果基極有Ib電流流過，那么集電極Ic=β*Ib，Ic也會在Rc上面產生壓降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，Uce=Vcc-Urc=0。

如果我們繼續增大Ib，那么Uce會變成負的嗎？

Uce＜0是不可能的，因為如果電壓反向，那么電流也要反向，這顯然是不成立的。實際Uce也就繼續保持接近于0，那么也就是說此時Ic的實際電流是小于β*Ib的，此時電路已經滿足不了β的放大倍數，三極管已經不是在放大狀態，而是進入飽和狀態了。

從以上描述我們很容易得出來，我們只需要讓計算出的Urc=β*Ib*Rc>Vcc，那么三極管就是工作在飽和狀態的。

不過，上面這個電路太簡單，實際電路又各種各樣，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，放大倍數為β，如果最終算得Rc兩端電壓大于Vcc（對應的Uce就是個負壓），那么三極管就是工作在了飽和狀態了。

電路計算舉例

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，燈的導通電流10mA，燈導通電壓2V，三極管選用型號MMBT3904

三極管飽和導通時，Vce=0V，所以Rc=(5V-2V)/10mA=300Ω。

查詢芯片手冊，三極管MMBT3904的的放大倍數β（hfe）如下圖所示：

可以看到，在Ic=10mA時，放大倍數最小為100。

那么Ib=10mA/100=100uA，三極管導通時，Vbe約為0.7V，繼而求得Rb=（3.3-0.7V)/100uA=26K。

也就是說只要Rb<26K，三極管就工作在了飽和狀態，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。

具體取多少，取決于整個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，生產更方便。

或者咱為了保險一點，比如要兼容別的三極管型號，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。

我們也可以反向驗算下，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，這已經超過Vcc了，所以管子肯定是工作在飽和狀態的。

2、驅動MOS開關

這個電路就是個使用三極管控制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，這個電路是如何工作的，考慮了哪些因素。

工作原理：

在in為低時，三極管不導通，相當于是開路，PMOS管的Vgs為0，PMOS管也不導通，Vcc2沒有電。

在in為高時，三極管導通，集電極相當于是接地GND，于是PMOS管的Vgs為-12V，PMOS管導通。

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，所以三極管導通穩定之后，R2基本是沒有電流的，所以可以看做是開路，三極管的集電極電流主要從R3流動。

那么三極管的Ic電流該如何設定呢？

我們要在in是3.3V的時候，Vce基本為0，Ic倒是沒有說必須要多少合適。這個時候我們可以先定一個，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，因為這個是常用電阻。不過我們需要知道，如果電阻定太小，那么Ic的電流必然會比較大，就會浪費電（功耗大，發熱）

電源為12V，那么Ic=12V/10K=1.2mA。從MMBT手冊知道，1mA左右，三極管的放大倍數最小是80，所以Ib=1.2mA/80=15uA。那么R1=(3.3-0.7）/15uA=173k。也就是說R1需要滿足R1<173K就可以讓三極管飽和導通。

因為R3已經選定了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，因為電容兩端的電壓不能突變，所以C1會將MOS管的Vgs鉗制在0V，讓MOS管不會誤導通，C1通常可以選擇100nF左右。

那么R2有什么用呢？

R2可以限制三極管的Ic電流，因為in的電壓突然變化的時候，三極管狀態突然改變，Vce電壓會突然改變，需要對電容C1進行充放電，這個電流可以通過R2來限制。

我們也可以通過R2和C1一起來調節PMOS管的導通時間，其實本質就是RC的充放電。如果沒有嚴格的時間要求，R2和C1的選擇很寬泛，像我一般用100nF和100K。