硬件设计之元器件选型：二极管、三极管、MOS管

二极管部分

一、二极管定义与特性

（1）定义

二极管属于半导体，它由N型半导体与P型半导体构成，它们相交的界面上形成PN结。

（2）特性

单向导电性！正极接高电位，负极接低电位时导通，反之截止！所以二极管的方向性是非常重要的。

二极管的分类：整流二极管，发光二极管，检波二极管，开关二极管，稳压二极管，变容二极管

二、二极管器件分类

（1）按PN结构不同分为

点接触型：允许通过小电流，用于小电流整流和高频检波、检频、滤波
面接触型：允许通过大电流，多用在低频整流电路

（2）按材料不同分为

硅管：起始电流较大(0.6伏)，用于信号较强电路
锗管：起始电流较小(0.2伏)，用于信号较弱电路

（3）按封装材料不同分为

玻璃管壳、塑料管壳和环氧树脂管壳等多种

2.1整流二极管

对通过的大电流或高电压进行整流。型号如1N4001,~1N4007

整流二极管结构主要是平面接触型，其特点是允许通过的电流比较大，反向击穿电压比较高，但PN结电容比较大，一般广泛应用于处理频率不高的电路中。

例如整流电路、嵌位电路、保护电路等。

整流二极管在使用中主要考虑的问题是最大整流电流和最高反向工作电压应大于实际工作中的值

2.2开关二极管

定义：半导体二极管导通时相当于开关闭合（电路接通），截止时相当于开关打开（电路切断），所以二极管可作开关用。

开关二极管是专门用来做开关用的二极管，它由导通变为截止或由截止变为导通所需的时间比一般二极管短。

开关二极管具有开关速度快、体积小、寿命长、可靠性高等特点。

广泛应用于电子设备的开关电路、检波电路、高频和脉冲整流电路及自动控制电路中。

2.3肖特基二极管

（1）肖特基二极管

这个二极管很特殊，它不是一般的硅二极管或者锗二极管，由一个叫肖特基的人发明，所以为纪念他而取此名。

（2）两个很重要的特性

结电压阈值可低至0.15V,通常大一些是0.4V多一些
具有极低的结电容和更快的开关速度（10ns）

（3）应用

它可以检测到普通二极管无法检测的低电压高频率信号。同时，又因为它产生的热量较少，因而需要的散热器也小，所以通常应用在电源产品中。

2.4稳压二极管

稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。

参数:

（1）稳定电压

（2）电压温度系数

（3）动态电阻

（4）稳定电流：最大、最小稳定电流

（5）最大允许功耗

2.5发光二极管

（1）定义

发光二极管的伏安特性与普通二极管类似，所不同的是当发光二极管正向偏置时，正向电流达到一定值时能发出某种颜色的光。

（2）注意事项

若用直流电源电压驱动发光二极管时，在电路中一定要串联限流电阻，以防止通过发光二极管的电流过大而烧坏管子，最好 10mA 以下，注意发光二极管的正向导通压降为1.2～2V。
在 VCC=3.3V 限流电阻大致为 330~680 欧姆。
发光二极管的反向击穿电压比较低，一般仅有几伏。因此当用交流电压驱动LED时，可在LDE两端反极性并联整流二极管，使其反向偏压不超过 0.7V ，以便保护发光二极管。

三、应用案例

3.1逻辑设计

二极管逻辑 “与” 门设计

MCU 输出端口输出 0V 则二极管导通；输出 3.3V 则二极管截止。

七个端口中只要有一个端口电压为 0 ，则 VCC 导通，Q1 的 G 级电压就被下拉到 0V 。
Q1 截止，发光二极管不亮。

只有所有端口的输出都为高，发光二极才亮。

其中，R127为上拉电阻，R128为限流电阻。将所有二极管反过来，就变成了 “或” 门。

3.2电源切换

（1）当交流线路（220V）开始供电时

经过适配器降压成 12V ，经过二极管变为 11.4V 向后续 5V 稳压管（输出大于 5V 即可输出）。

二极管 D2 反向截止。

（2）当交流线路（220V）断电时

二极管 D2 正向导通，备用电源 9V开始供电。二极管 D1 反向截止。

上述电路可以实现包括电脑在内的：一般时候交流电供电，断电后备用电池供电。

3.3钳位

为保护逻辑器件，在输入/输出端口与电源 Vcc 、 GND 之间，往往内置有钳位二极管，当端口电平超出 Vcc 或 GND 时，该二极管能将电平钳位在极限的范围之内，从而避免对器件的损坏。

由于二极管有个导通电压，一般是硅二极管的话就是0.5V, 所以可以同时增加一个反向的二极管在信号波形的正向和负向上进行钳位，举例如下图。

详细过程:

当 Input 大于等于 VCC+0.5 则走上面红色通道。
当 Input 小于等于 GND-0.5 则走下面红色通道。
钳位 Input 在 GND-0.5 ~ VCC+0.5。

逻辑器件选型章节详细分析

3.4二极管瞬态抑制

3.4.1引入问题

（1）为什么在DC-DC降压芯片的输出端功率电感的旁边要加个二极管？以TPS54331为例，如下图红色方框。

（2）D1为什么非得是Schottky（肖特基二极管）比较好？

3.4.2解答

二极管是 BUCK 拓扑中的瞬态抑制（续流）二极管，当 DC-DC 开关管关断时，电感中的电流从该二极管流过。

当开关管关断时，突然消失的磁场会在电感线圈上产生一个很高电压的脉冲，二极管为高压脉冲提供了短路通道（如下图绿色通道），防止感应电压过高，击穿开关管（如左边红色电路）和负载（如右边红色电路），从而保护了相邻的电路。

三极管部分

三极管分为晶体管BJT和MOSFET管，本部分整合到一起讲解，一般讲三极管就是指BJT，MMOS管称为MOS管。

下图为一些实例图，注意图纸习惯和实物习惯不一样。

一、三极管放大原理

1.1放大原理

三极管吸收输入信号的幅值信息（正负信号），由电源重新产生信号，由于该信号比输入信号大而且波形一样。

1.2内部原理

三极管（BJT）通过对 $I_{be}$ 电流来实现对 $I_{ce}$ 大小的控制， $I_{ce}=\beta I_{be}$ ， $\beta$ 可以达到10~100，甚至更多。
MOSFET通过对 $V_{gs}$ 电压实现对 $R_{ds}$ 电阻大小的控制， $V_{ds}=I_{ds}*R_{ds}$ 。

所以三极管（BJT）是电流控制型器件，而MOS管则是电压控制型器件。

二、BJT简介

2.1 BJT的分类

按半导体材料分：硅三极管、锗三极管

按工作频率分：高频管、低频管

按功率分：功率管、开关管

2.2 BJT结构简介

三极管的构造核心：一块有两个相互联系的 PN 结单晶，示意图如下：

三、BJT器件选型

基极-发射极间的压降与二极管的正向压降相同为 0.6一0.7V。

设计电路时，将晶体管的基极-发射极间电压 >0.6V，使基极和发射极之间的二极管导通，然后再对电路的其他部分进行计算就可以了。

在设计电路时，BJT 三极管作为逻辑开关管的使用非常广泛。BJT 管子作为开关管使用时，三极管工作在饱和模式，即BE关闭，CE导通。在进行电路设计时，需要有一个可以量化的设计指标，即基极电流和集电极电流的关系来做量化分析。

$I_{C}\approx \bar{\beta }I_{B}$

3.1三极管器件选型要点

要明确制作什么样性能的电路。
确定要电源的电压，来保证电路的正常工作。
选择所要使用的晶体管的类型，PNP 或 NPN，一般 NPN 类使用得要多一些。
确定发射极或集电极的最佳电流工作点。这个要根据 BJT 的频率特性曲线与发射极电流或集电极电流的关系来看。
电路的电压放大倍数是由接在电源与集电极 C 之间的电阻 $R_{C }$ 和接在发射极和地之间的电阻 $R_{E }$ 之间的电阻比值决定的。由于基极-发射极之间的电压 $V_{BE }$ 随温度会变化，为使工作点稳定， $R_{E }$ 的直流压降至少为1V以上。
晶体管的集电极损耗。
基极电位是 $V_{E }$ +0.6V，基极电位一般由电阻分压得到。

3.2三极管器件选型案例-电压钳位

（1）实现的反向输出，并且钳位住 BJT 1端的电压。此处三极管就是作为一个开关管来使用。

（2）R21，R22，R23都是什么作用？？

R21:限流
R22:无输入时默认 1 端电压为低；对三极管寄生电容放电，使三极管导通速度变快
R23:截止时上拉，确定输出电压状态；导通时限流

四、MOS管

4.1简介

场效应管有两种类型，分别是金属氧化物半导体场效应管 MOSFET 和结型场效应管 JFET 。

在开关电路、Boost电路、Buck电路等的应用中，应用了MOSFET较多。

4.2放大原理

同三极管，只是吸收输入信号的频率和幅值信息。

4.3前面的知识

三个角的辨别，N管|P管的区分，寄生二极管的方向

我只说一句：逆着箭头的方向

五、MOSFET管器件选型

在电路设计中主要应用的是增强型的 NMOS 管和增强型的 PMOS 管，这两种增强 MOS 管中比较常用的是 NMOS ，原因是 NMOS 的导通电阻小、低端驱动、功耗小且容易制造。
在MOS管内部，漏极和源极之间会寄生一个二极管。这个叫体二极管，在驱动感性负载时，这个二极管很重要，并且只在单个 MOS 管中存在此二极管，在集成电路芯片内部通常是没有的。
NMOS 的特性:大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到一定电压（如4V或10V），其驱动电压需要查阅 Datasheet 就可以了。

PMOS 的特性:小于一定的值就会导通，适合用于源极接 VCC 时的情况（高端驱动）。

虽然 PMOS 可以很方便地用于高端驱动，但由于其导通电阻大、价格贵、替换种类少等原因，在高端驱动中通常还是使用 NMOS 。

在高端驱动中使用 NMOS 时，一般源极会接一定电压值的电源，此时需要栅极驱动电压高于源极一定的数值。

六、MOS管作用

MOS管有两大作用： 1. 开关作用 2. 隔离作用

6.1开关作用

MOS 管开关实现电压通断的案例，如下两图：

6.2隔离作用

MOS 管实现隔离作用的案例，如下图：

MOS 管的隔离作用，其实质也就是实现电路的单向导通，它就相当于一个二级管。

但在电路中常用隔离 MOS 管，不用二极管进行隔离，是因为：使用二级管，导通时会有压降，会损失一些电压。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。

七、MOSFET管器件选型-案例分析

（1）IIC标准协议里的关于IIC的电平转换问题，下图是IIC中文手册中的图：

（2）下图为上图的简化版本，要实现的功能是：Slave往Master发数据0

1) 右边Slave SDA_2为输出，驱LOW；

2) 左边Master SDA_1为输入，对外高阻, 被上拉到3.3V；

3) NMOS 因为VGS=0一直关闭；

4) NMOS关闭，Master SDA_1为3.3V高电平。

问题来了，我们看到右边的SDA_2位Low，但是左边的是SDA_1位High，那不是失败了嘛。