最初接到李老師的邀請(qǐng)要寫(xiě)一篇晶體管使用心得的時(shí)候，內(nèi)心著實(shí)惶恐了一陣，畢竟才疏學(xué)淺，至今還徘徊在模擬電路的大門(mén)外。但又轉(zhuǎn)過(guò)頭一想，是晶體管的使用心得，而不是《晶體管電路設(shè)計(jì)》上冊(cè)當(dāng)中講到的那些內(nèi)容。例如基本的共射極電路、共集電極電路、共基極電路的電路分析，又或者引起晶體管頻率特性變化的密勒效應(yīng)，再比如基于晶體管的負(fù)反饋、差分放大電路的設(shè)計(jì)。這些內(nèi)容如果認(rèn)真的去看《晶體管電路設(shè)計(jì)》，同時(shí)結(jié)合李老師的電路板進(jìn)行實(shí)際的電路搭建和測(cè)試分析，相信每一個(gè)位用心的同學(xué)都會(huì)有或多或少的收獲。
還是回到這篇文章的主題，晶體管的使用心得。由于本人所從事行業(yè)的限制，基本沒(méi)有機(jī)會(huì)像《晶體管電路設(shè)計(jì)》書(shū)中那樣深入的使用晶體管來(lái)搭建電路，而更多的是使用晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)功率負(fù)載的控制，還有配合運(yùn)放或者其它集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)一些常見(jiàn)的功能，如擴(kuò)流、恒流、穩(wěn)壓等。本文也就正是基于這方面，和大家分享一下晶體管的使用心得，希望能對(duì)初學(xué)者有一定的幫助，老司機(jī)可以直接忽略在下的班門(mén)弄斧了。
首先來(lái)看一個(gè)負(fù)載控制的實(shí)例，電路中以“{RL}”來(lái)替代負(fù)載。通過(guò)單片機(jī)的I/O來(lái)方便的控制負(fù)載通斷電，圖1所示的電路簡(jiǎn)單明了，使用一個(gè)NPN晶體管，高電壓平通，低電平斷。但再仔細(xì)想想，好像沒(méi)有表面上的那么簡(jiǎn)單，至少需要考慮到以下幾個(gè)因素：
- 流入晶體管基極電流的大小，取決于負(fù)載電流和hFE（ DC Current Gain）；
- 晶體管的電大允許通過(guò)電流，取決于IC（ Collector Current - Continuous）；
- 晶體管集電極的電大耐壓值，取決于VCEO（Collector-Emitter Voltage）；
- 晶體管能承受的最大功耗，取決于PD（Total Device Dissipation）。
圖1一個(gè)NPN控制負(fù)載 僅針對(duì)上面提到的四個(gè)因素，其中任何一個(gè)不合適，都會(huì)導(dǎo)致電路不能正常的運(yùn)行，甚至燒毀晶體管。因此很多時(shí)候是我們把復(fù)雜的事情簡(jiǎn)單化，或是疏忽，或者沒(méi)有足夠的能力看清它，而只有當(dāng)它“東窗事發(fā)”的時(shí)候才會(huì)引起我們足夠的重視。
上面的實(shí)現(xiàn)方式是用一個(gè)NPN來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如果現(xiàn)在要求換成是用一個(gè)PNP呢？還能這么“簡(jiǎn)單”的實(shí)現(xiàn)嗎？答案是否定的，因?yàn)楹芏鄷r(shí)候負(fù)載的供電電壓要明顯高于單片機(jī)的供電電壓，即使是在負(fù)載5V供電，單片機(jī)3.3V供電的時(shí)候，只用一個(gè)PNP也會(huì)出現(xiàn)不能關(guān)斷負(fù)載的問(wèn)題（Why?）。那這時(shí)候常見(jiàn)的解決辦法是再加入一個(gè)NPN晶體管，如圖2所示。圖1和圖2也就夠成了常見(jiàn)的低壓側(cè)、高壓側(cè)的開(kāi)關(guān)控制電路。有了前面的這些基礎(chǔ)，下面再加入一個(gè)新的電路需求，用晶體管實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)電路。感興趣的同學(xué)可以先不要往下看，自己在腦海中想一想，看看有沒(méi)有火花迸出來(lái)。
圖2一個(gè)PNP、NPN控制負(fù)載
圖3《電子學(xué)》2.5.2溫度控制器 三年前看《電子學(xué)》的時(shí)候，里面有一個(gè)溫度控制器涉及到“過(guò)流”保護(hù)（當(dāng)時(shí)認(rèn)為是過(guò)流保護(hù)），如圖3所示，書(shū)中給出的解釋比較簡(jiǎn)單，但似乎也有道理。那時(shí)還把這部分電路進(jìn)行了仿真，但沒(méi)有得到想要的結(jié)果，最后不了了之�，F(xiàn)在再把這個(gè)輸出部分的電路單獨(dú)拿出來(lái)分析一下，看看到底是不是如書(shū)中解釋的那樣。由于圖中的電路是用于進(jìn)行線(xiàn)性放大控制，而這里只需要開(kāi)關(guān)通斷控制，因此也對(duì)電路進(jìn)行了一些調(diào)整，如圖4所示。
為了方便仿真，控制端直接接到了負(fù)載電源24V的電壓上，也就是一上電壓負(fù)載就應(yīng)該導(dǎo)通。圖中使用的晶體管只是LTspice仿真模型庫(kù)當(dāng)中現(xiàn)成的模型，沒(méi)有什么特殊的型號(hào)要求，并用一個(gè)PNP晶體管替代了圖3中的兩個(gè)PNP管構(gòu)成的Darlington管�！�.tran 1ms”是用來(lái)執(zhí)行上電以后1ms時(shí)間內(nèi)的瞬態(tài)分析，“.step param RL list 10 100”是用來(lái)仿真當(dāng)負(fù)載電阻分別10和100歐姆時(shí)的電路工作情況。
下面來(lái)簡(jiǎn)單的分析一下這個(gè)電路的工作過(guò)程，由于Q3的加入，當(dāng)R4的電壓壓降超過(guò)0.6V的時(shí)候，Q3會(huì)導(dǎo)通，Q3的集電極會(huì)被拉高，也就是《電子學(xué)》當(dāng)中的“消除基極激勵(lì)”效果。這個(gè)消除基極激勵(lì)，是指完全消除Q2的基極激勵(lì)？Q3導(dǎo)通，其集電極電壓接近24V，使得Q2截止？還是只能消除Q2的集電極電流達(dá)到使Q3導(dǎo)通的電流以后，繼續(xù)進(jìn)一步增大的基極激勵(lì)？有些拗口，但值得仔細(xì)想想。
圖4簡(jiǎn)單的“過(guò)流”保護(hù)電路 公布答案，仿真結(jié)果如圖5所示，藍(lán)色的負(fù)載電流的仿真結(jié)果對(duì)應(yīng)負(fù)載為100歐姆的情況，電流大概為230ma，R4上的壓降為0.46V，Q3沒(méi)有導(dǎo)通。綠色的負(fù)載電流的仿真結(jié)果對(duì)應(yīng)負(fù)載為10歐姆的情況，電流大概為310ma，R4上的壓降為0.62V，此時(shí)Q3已經(jīng)導(dǎo)通，并起到了一定的“過(guò)流”保護(hù)作用。此時(shí)即使負(fù)載電阻進(jìn)一步減小，流過(guò)負(fù)載的電流也不會(huì)明顯增大，基本維持在310ma左右，其實(shí)是晶體管的基極和發(fā)射極之間的導(dǎo)通電壓維持在0.6V左右。Q3的導(dǎo)通真的消除了Q2的基極激勵(lì)了嗎？好像并沒(méi)有，對(duì)不對(duì)?！
這個(gè)“過(guò)流”保護(hù)電路的關(guān)鍵就是晶體管的基極和發(fā)射極之間的導(dǎo)通電壓，為了簡(jiǎn)單分析通常取0.6V進(jìn)行計(jì)算。正是這個(gè)0.6V對(duì)晶體管電路的分析和設(shè)計(jì)起到了很重要的作用，因此要牢記在心并達(dá)到靈活應(yīng)用。
再來(lái)看一下如果沒(méi)有Q3，當(dāng)電路中的負(fù)載為1歐姆近似于短路的時(shí)候，電路中流過(guò)的電流肯定要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于310ma。雖然Q3的加入起到了“過(guò)流”保護(hù)的作用，但實(shí)際使用圖4所示電路的時(shí)候是沒(méi)有任何實(shí)際意義的。因?yàn)楫?dāng)負(fù)載因短路或其它原因引起過(guò)小時(shí)，Q2的發(fā)射極和集電極之間的電壓會(huì)很大，如圖5仿真結(jié)果曲線(xiàn)“V(vq2e)-V(vq2c)”所示，此時(shí)Q2上的功耗會(huì)很容易超過(guò)其允許隨承受的最大功耗，并導(dǎo)致其燒毀。因此圖4不是真正意義上的過(guò)流保護(hù)電路，即在超過(guò)一定的電流以后自動(dòng)關(guān)斷電路或者進(jìn)入打嗝模式，而將其稱(chēng)之為限流保護(hù)電路則更為合適。
圖5簡(jiǎn)單的過(guò)流保護(hù)電路仿真結(jié)果
至此，隨著前面三個(gè)簡(jiǎn)單電路的分析，引出了在使用晶體管的過(guò)程中基本需要注意的幾個(gè)主要因素：
- hFE（ DC Current Gain）；
- IC（ Collector Current - Continuous）；
- VCEO（Collector-Emitter Voltage）；
- PD（Total Device Dissipation）；
- VBE(Base-Emitter Voltage)。
在分析或者設(shè)計(jì)需要用到晶體管電路的時(shí)候，多問(wèn)問(wèn)自己晶體管的集電極電流有多大，基極電流需要多大，它的最大功耗是多少，基極-發(fā)射極的電壓是多大，晶體管什么是導(dǎo)通的，什么時(shí)候是截止的，隨著前級(jí)輸入信號(hào)的變化晶體管是趨向于飽和還是截止，然后又給后級(jí)電路帶來(lái)哪些影響，也許會(huì)收到事半功倍的效果。
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