简单地讲就是需要能（电）源的器件叫有源器件，无需能（电）源的器件就是无源器件。有源器件一般用来信号放大、变换等，无源器件用来进行信号传输，或者通过方向性进行“信号放大”。电容、电阻、电感都是无源器件，IC、模块等都是有源器件。（通俗的说就是需要电源才能显示其特性的就是有源元件，如三极管。而不用电源就能显示其特性的就叫无源元件）。 1. 无源器件: 如果电子元器件工作时，其内部没有任何形式的电源，则这种器件叫做无源器件。 从电路性质上看，无源器件有两个基本特点： （1） 自身或消耗电能，或把电能转变为不同形式的其他能量。 （2） 只需输入信号，不需要外加电源就能正常工作。 2. 有源器件: 如果电子元器件工作时，其内部有电源存在，则这种器件叫做有源器件。 从电路性质上看，有源器件有两个基本特点： （1） 自身也消耗电能。 （2） 除了输入信号外，还必须要有外加电源才可以正常工作。 由此可知，有源器件和无源器件对电路的工作条件要求、工作方式完全不同，这在电子技术的学习过程中必须十分注意。 一、常见的无源电子器件 电子系统中的无源器件可以按照所担当的电路功能分为电路类器件、连接类器件。 1. 电路类器件 （1） 二极管（diode） （2） 电阻器（resistor） （3） 电阻排（resistor network） （4） 电容器（capacitor） （5） 电感（inductor） （6） 变压器（transformer） （7） 继电器（relay） （8） 按键（key） （9） 蜂鸣器、喇叭（speaker） （10） 开关（switch） 2. 连接类器件 （1） 连接器（connector） （2） 插座（shoket） （3） 连接电缆（line） （4） 印刷电路板（pcb） 无源元件主要是电阻类、电感类和电容类元件，它的共同特点是在电路中无需加电源即可在有信号时工作。 1.电阻 电流通过导体时，导体内阻阻碍电流的性质称为电阻。在电路中起阻流作用的元器件称为电阻器，简称电阻。电阻器的主要用途是降压、分压或分流，在一些特殊电路中用作负载、反馈、耦合、隔离等。 电阻在电路图中的符号为字母R。电阻的标准单位为欧姆，记作R。常用的还有千欧KΩ，兆欧MΩ。1KΩ=1000Ω 1MΩ=1000KΩ 2.电容 电容器也是电子线路中最常见的元器件之一，它是一种存储电能的元器件。电容器由两块同大同质的导体中间夹一层绝缘介质构成。当在其两端加上电压时，电容器上就会存储电荷。一旦没有电压，只要有闭合回路，它又会放出电能。电容器在电路中阻止直流通过，而允许交流通过，交流的频率越高，通过的能力越强。因此，电容在电路中常用耦合，旁路滤波、反馈、定时及振荡等作用。 电容器的字母代号为C。电容量的单位为法拉（记作F），常用有μF（微法）、PF（即μμF、微微法）。1F=1000000μF 1μF=1000000PF 电容在电路中表现的特性是非线性的。对电流的阻抗称为容抗。容抗与电容量和信号的频率反比。 3.电感 电感与电容一样，也是一种储能元器件。电感器一般由线圈做成，当线圈两端加上交流电压时，在线圈中产生感应电动势，阻碍通过线圈的电流发生变化。这种阻碍称作感抗。感抗与电感量和信号的频率成正比。它对直流电不起阻碍作用（不计线圈的直流电阻）。所以电感在电子线路中的作用是：阻流、变压、耦合及与电容配合用作调谐、滤波、选频、分频等。 电感在电路中的代号为L。电感量的单位是亨利（记作H），常用的有毫亨（mH），微亨（μH）。1H=1000mH 1mH=1000μH 电感是典型的电磁感应和电磁转换的元器件，最常见的应用是变压器。 二、常见的有源电子器件 有源器件是电子电路的主要器件，从物理结构、电路功能和工程参数上，有源器件可以分为分立器件和集成电路两大类。 1. 分立器件 （1） 双极型晶体三极管（bipolar transistor），一般简称三极管，bjt （2） 场效应晶体管（field effective transistor） （3） 晶闸管（thyristor），也叫可控硅 （4） 半导体电阻与电容——用技术制造的电阻和电容，用于集成电路中。 2. 模拟集成电路器件 模拟集成电路器件是用来处理随时间连续变化的模拟电压或电流信号的集成电路器件。 基本模拟集成电路器件一般包括： （1） 集成运算放大器（operation amplifier），简称集成运放 （2） 比较器（comparator） （3） 对数和指数放大器 （4） 模拟乘/除法器（multiplier/divider） （5） 模拟开关电路（analog switch） （6） pll电路（phase lock loop），即锁相环电路 （7） 集成稳压器（voltage regulator） （8） 参考电源（reference source） （9） 波形发生器（wave-form generator） （10） 功率放大器（power amplifier） 3. 数字集成电路器件 （1） 基本逻辑门（logic gate circuit） （2） 触发器（flip-flop） （3） 寄存器（register） （4） 译码器（decoder） （5） 数据比较器（comparator） （6） 驱动器（driver） （7） 计数器（counter） （8） 整形电路 （9） 可编程逻辑器件（pld） （10） 微处理器（microprocessor，mpu） （11） 单片机（microcontroller，mcu） （12） dsp器件（digital signal processor，dsp） 有源元器件是电子线路的核心，一切振荡、放大、调制、解调，以及电流变换都离不开有源元器件。 不依靠外加电源（直流或交流）的存在就能独立表现出其外特性的器件就是无源器件。之外就是有源器件。 所谓“外特性”就是描述器件的某种关系量，尽管是使用了电压或电流，电场或磁场压力或速度等等量来描述其关系。 无源器件的外特性却与他们是否作为策动源而存在没有关系。无源与有源的概念不仅仅在电学元件中有，在机械，流体，热力，声学等领域均有这种概念。
在设计MOS管开关电路时，就要充分了解MOS管的工作原理。下面咱们来详细说明。 MOS管的工作区域 MOS管有三个工作区域： 截止区域 线性（欧姆）区域 饱和区域 当 VGS < VTH时，MOS管工作在截止区域。在该区域中，MOS管处于关断状态，因为在漏极和源极之间没有感应沟道。 对于要感应的沟道和MOS管在线性或饱和区工作，VGS > VTH。 栅极 - 漏极偏置电压 VGD将决定MOS管是处于线性区还是饱和区。在这两个区域中，MOS管处于导通状态，但差异在线性区域，沟道是连续的，漏极电流与沟道电阻成正比。进入饱和区，当 VDS > VGS – VTH时，通道夹断，即它变宽导致恒定的漏极电流。 电子开关 半导体开关是电子电路中的重要方面之一。像 BJT 或MOS管 之类的半导体器件通常作为开关操作，即它们要么处于 ON 状态，要么处于 OFF 状态。 理想的开关特性 对于像MOS管这样的半导体器件，要充当理想的开关，它必须具有以下特性： 在 ON 状态下，它可以承载的电流量不应有任何限制。 在关闭状态下，阻断电压不应有任何限制。 当器件处于 ON 状态时，应有零压降。 关态电阻应该是无限大的。 设备的运行速度没有限制。 理想的开关特性图 实用开关特性 但半导体开关并不是我们想的那么理想。在实际情况中，像MOS管这样的半导体器件具有以下特性。 在开启状态期间，功率处理能力是有限的，即有限的传导电流。关断状态期间的阻断电压也受到限制。 有限的开启和关闭时间，这限制了开关速度。最大工作频率也受到限制。 当器件开启时，将存在一个有限的导通状态电阻，从而导致正向压降。还会有一个有限的关闭状态电阻，这会导致反向漏电流。 实际的开关在开启状态、关闭状态以及过渡状态（从开启到关闭或从关闭到开启）期间都会经历断电。 实用开关特性图 MOS开关电路实例1 在下图所示的电路中，增强型 N 沟道MOS管用于切换简单的灯“ON”和“OFF”（也可以是 LED）。 栅极输入电压VGS被带到适当的正电压电平以打开器件，因此灯负载要么“打开”，（VGS= +ve），要么处于将器件“关闭”的零电压电平，（VGS = 0V）。 如果灯的电阻负载要由电感负载（如线圈、螺线管或继电器）代替，则需要与负载并联一个“续流二极管”，以保护MOS管免受任何自生反电动势的影响。 MOS开关电路 上面显示了一个非常简单的电路，用于切换电阻负载，例如灯或 LED。但是，当使用功率MOS管切换感性或容性负载时，需要某种形式的保护来防止MOS管器件受损。驱动感性负载与驱动容性负载的效果相反。 例如，没有电荷的电容是短路的，导致高“涌入”电流，当我们从感性负载上移除电压时，随着磁场崩溃，我们会产生很大的反向电压，从而导致感应绕组中的感应反电动势。 MOS开关电路功耗计算 我们假设灯的额定电压为 6v、24W 并且完全“开启”，标准MOS管的通道导通电阻 ( RDS(on) ) 值为 0.1ohms。计算MOS管开关器件的功耗。 流过灯的电流计算如下： MOS开关电路电流计算公式 那么MOS管中消耗的功率将为： MOS管开关电路功耗计算公式 P沟道MOS管开关电路实例 在上图我们将 N 沟道 MOS管视为开关，MOS管放置在负载和地之间。这也允许 MOS管的栅极驱动或开关信号以地为参考（低侧开关）。但在某些应用中，如果负载直接接地，我们需要使用 P 沟道增强型 MOS管。如下图所示。 P沟道MOS管开关电路 在这种情况下，MOS管开关连接在负载和正电源轨（高端开关）之间，就像我们使用 PNP 晶体管一样。 在 P 沟道器件中，漏极电流的常规流动方向为负方向，因此施加负栅源电压以将晶体管“导通”。 这是因为 P 沟道MOS管是“倒置”的，其源极端子连接到正电源+VDD。然后，当开关变为低电平时，MOS管变为“ON”，当开关变为高电平时，MOS管变为“OFF”。 P 沟道增强型MOS管开关的这种倒置连接允许我们将其与 N 沟道增强型 MOS管串联连接，以产生互补或 CMOS 开关器件，如上图所示为跨双电源。 MOS开关电路实例2 了解了MOS管的工作原理及其工作区域，就很容易知道MOS管是如何作为开关工作的。通过考虑一个简单的示例电路，将了解 MOS管作为开关的操作。 MOS开关电路图 这是一个简单的电路，其中 N 沟道增强模式MOS管将打开或关闭灯。为了将MOS管用作开关，它必须工作在截止和线性（或三极管）区域。 假设设备最初是关闭的。栅极和源极之间的电压，即 VGS适当地设为正值（从技术上讲，VGS > VTH），MOSFET 进入线性区域并且开关导通。这使灯打开。 如果输入栅极电压为 0V（或技术上 < VTH），则MOS管进入截止状态并关闭。这反过来会使灯关闭。 MOS开关电路实例3 考虑一种情况，如果你想使用微控制器对 12W LED (12V @ 1A) 进行数字控制。当你按下连接到微控制器的按钮时，LED 应打开。当你再次按下相同的按钮时，LED 应熄灭。 很明显，你不能在微控制器的帮助下直接控制 LED。这个时候你就需要一种设备来弥合微控制器和 LED 之间的差距。 该设备应从微控制器接收控制信号（通常该信号的电压在微控制器的工作电压范围内，例如 5V）并为 LED 供电，在这种情况下来自 12V 电源。 而这个设备是MOS管，上述场景的设置如下电路所示。 MOS开关电路图 当逻辑 1（假设为 5V 微控制器，逻辑 1 为 5V，逻辑 0 为 0V）提供给MOS管的栅极时，它打开并允许漏极电流流动。结果，LED 亮起。 类似地，当 MOS管的栅极为逻辑 0 时，它会关闭，进而关闭 LED。 因此，你可以通过微控制器和MOS管的组合对大功率设备进行数字控制。 MOS管开关电路需要注意的因素---MOS管的功耗 需要考虑的一个重要因素是MOS管的功耗。考虑一个漏源电阻为 0.1Ω 的MOS管。在上述情况下，即由 12V 电源驱动的 12W LED 将导致 1A 的漏极电流。 因此，MOS管消耗的功率为 P = I 2 * R = 1 * 0.1 = 0.1W。 这看起来是一个比较低的值，但如果你使用相同的 MOS管驱动电机，情况会略有不同。电机的启动电流（也称为浪涌电流）会非常高。 MOS管驱动电路图 因此，即使 RDS 为 0.1Ω，电机启动期间消耗的功率仍会非常高，这可能会导致热过载。因此，RDS将是你的应用选择 MOS管的关键参数。 此外，在驱动电机时，反电动势是设计电路时必须考虑的重要因素。 使用MOS管驱动电机的主要优点之一是输入 PWM 信号可用于平滑控制电机的速度。 MOS开关电路实例4 下图显示了一个使用 n 沟道增强型MOS管作为开关的简单电路。此处，MOS管的漏极端子 (D)通过漏极电阻RD连接到电源电压 VS ，而其源极端子 (S) 接地。此外，它在其栅极端子 (G) 处施加输入电压Vi ，而输出 Vo从其漏极汲取。 MOS开关电路图 现在考虑施加的Vi为 0V 的情况，这意味着MOS管的栅极端子未偏置。因此，MOS管将关闭并在其截止区域中工作，在该区域中，它为电流提供了一个高阻抗路径，这使得 IDS几乎等于零。 结果，即使RD上的电压降也将变为零，因此输出电压Vo将变得几乎等于VS。接下来，考虑施加的输入电压Vi大于器件的阈值电压VT的情况。在这种情况下，MOS管将开始导通. 如果 V提供的S大于器件的夹断电压 VP（通常会如此），则MOS管开始在其饱和区工作。这进一步意味着该器件将为恒定 IDS的流动提供低电阻路径，几乎就像短路一样。结果，输出电压将被拉向低电压电平，理想情况下为零。 从上面的分析可以看出，输出电压在 VS和零之间变化，这取决于所提供的输入分别是小于还是大于 VT。因此，可以得出结论，当使MOS管s在截止和饱和工作区域之间工作时，可以使MOS管起电子开关的作用。 n 沟道耗尽型 MOS管开关电路 与 n 沟道增强型MOS管的情况类似，n 沟道耗尽型 MOS管也可用于执行开关动作，如下图所示。这种电路的行为与上面的解释几乎相同，除了事实上，对于截止，栅极电压 VG需要设为负值，并且应小于 -V。 n 沟道耗尽型 MOS管开关电路图 p 沟道增强型MOS管开关电路 下图显示了将 p 沟道增强型MOS管用作开关的情况。这里可以看出，电源电压 VS施加在其源极端子 (S) 上，栅极端子提供输入电压 Vi，而漏极端子通过电阻RD接地。 p 沟道增强型MOS管开关电路图 此外，从MOS管的漏极端子通过RD获得电路Vo的输出。在 p 型器件的情况下，传导电流将来自空穴，因此会从源极流向漏极 ISD，而不是从漏极流向源极（IDS) 与 n 型器件一样。 现在，让我们假设只有MOS管的栅极电压 VG的输入电压变低。这会导致MOS管开启并为电流提供低（几乎可以忽略不计）电阻路径。 结果，大电流流过器件，导致电阻 RD上的电压降很大。这反过来导致输出几乎等于电源电压VS 。接下来，考虑Vi变高的情况，即当Vi将大于器件的阈值电压（这些器件的 VT将为负值）。在这种情况下MOS管将关闭并为电流提供高阻抗路径。这导致几乎为零的电流导致输出端子处的电压几乎为零。 p 沟道耗尽型MOS管开关电路 与此类似， p 沟道耗尽型MOS管也可用于执行开关动作，如下图所示。该电路的工作原理与上述电路几乎相似，只是此处的截止区域为仅当 Vi = VG为正且超过器件的阈值电压时才会出现。 p 沟道耗尽型MOS管开关电路图
介绍了电源电路中的防反接、过压保护机制，以及如何通过缓启动电路来优化性能。通过稳压管、三极管和RC网络的组合，实现对电源输入异常情况的有效防护。 一、防反接电路 电源正确接入时 电流从 VIN 端流向负载，经由 Q3(NMOS) 通向地（GND）。在上电瞬间，由于 MOS 管的体二极管效应，地回路通过体二极管接通。接下来，由于 Vgs(门源电压)大于 Vgsth(门限电压)，MOS管导通。 电源反向接入时 电流从 GND 源端流向负载体二极管不导通，且 Vgs 电压不符合要求，因此NMOS管不导通，电路中不存在电流回路，导致负载断路，实现了保护机制。在正常电源接入情况下，电流从源（S）端流向漏（D）端。 注意：Vgs不能超过NMOS管的Vgs最大额定值。所以在电路中引入了一个稳压管 D1，稳压到12V，以避免损坏MOS管。 二、防过压电路 正常电压输入时 当 VIN 正常输入电压时，稳压管没有反向击穿，R1，R2 电流基本为0。Q1(PNP三极管) 的 Vbe=0，即 Q1 不导通。Q2(PMOS) 的 Vgs 由 D2(稳压二极管) 决定，若 VIN 输入超过 D2 的稳压值则击穿为 12V，所以 Q2 导通，即电源正常工作。 过电压输入时 当 VIN 输入大于正常输入电压，此时 Vin>Vbr，D1(稳压管) 被击穿，其上电压为 Vbr。Q1(PNP三极管) 导通，VCE≈0，即 Q2(PMOS) 的Vgs≈0，Q2 不导通，电路断路，即实现了过压保护。 三、缓启动电路 在防过压的基础上加一个 RC 电路对 C1 电容进行充电来延迟三极管的导通时间实现缓启动的功能。 四、防反接&防过压&缓启动电路一体 将上述三种保护电路结合到一起，并添加一个TVS二极管，和RC吸收电路，同时将功率地、数字地和模拟地分开，通过一个0Ω电阻进行单点连接。
在电子电路中，MOS管和IGBT管会经常出现，它们都可以作为开关元件来使用，MOS管和IGBT管在外形及特性参数也比较相似，那为什么有些电路用MOS管？而有些电路用IGBT管？下面我们就来了解一下，MOS管和IGBT管到底有什么区别吧！ 什么是MOS管？ 场效应管主要有两种类型，分别是结型场效应管（JFET）和绝缘栅场效应管（MOS管）。MOS管即MOSFET，中文全称是金属-氧化物半导体场效应晶体管，由于这种场效应管的栅极被绝缘层隔离，所以又叫绝缘栅场效应管。 MOSFET又可分为N沟耗尽型和增强型；P沟耗尽型和增强型四大类。 ▲ MOSFET种类与电路符号 有的MOSFET内部会有个二极管，这是体二极管，或者叫寄生二极管、续流二极管。关于寄生二极管的作用，有两种解释：1、MOSFET的寄生二极管，作用是防止VDD过压的情况下，烧坏MOS管，因为在过压对MOS管造成破坏之前，二极管先反向击穿，将大电流直接到地，从而避免MOS管被烧坏。 2、防止MOS管的源极和漏极反接时烧坏MOS管，也可以在电路有反向感生电压时，为反向感生电压提供通路，避免反向感生电压击穿MOS管。 MOSFET具有输入阻抗高、开关速度快、热稳定性好、电压控制电流等特性，在电路中，可以用作放大器、电子开关等用途。 什么是IGBT？ IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由晶体三极管和MOS管组成的复合型半导体器件。 IGBT作为新型电子半导体器件，具有输入阻抗高，电压控制功耗低，控制电路简单，耐高压，承受电流大等特性，在各种电子电路中获得极广泛的应用。 IGBT的电路符号至今并未统一，画原理图时一般是借用三极管、MOS管的符号，这时可以从原理图上标注的型号来判断是IGBT还是MOS管。 同时还要注意IGBT有没有体二极管，图上没有标出并不表示一定没有，除非官方资料有特别说明，否则这个二极管都是存在的。 IGBT内部的体二极管并非寄生的，而是为了保护IGBT脆弱的反向耐压而特别设置的，又称为FWD（续流二极管）。 判断IGBT内部是否有体二极管也并不困难，可以用万用表测量IGBT的C极和E极，如果IGBT是好的，C、E两极测得电阻值无穷大，则说明IGBT没有体二极管。 IGBT非常适合应用于如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。 MOS管和IGBT的结构特点 MOS管和IGBT管的内部结构如下图所示。 IGBT是通过在MOSFET的漏极上追加层而构成的。 IGBT的理想等效电路如下图所示，IGBT实际就是MOSFET和晶体管三极管的组合，MOSFET存在导通电阻高的缺点，但IGBT克服了这一缺点，在高压时IGBT仍具有较低的导通电阻。另外，相似功率容量的IGBT和MOSFET，IGBT的速度可能会慢于MOSFET，因为IGBT存在关断拖尾时间，由于IGBT关断拖尾时间长，死区时间也要加长，从而会影响开关频率。 选择MOS管还是IGBT？ 在电路中，选用MOS管作为功率开关管还是选择IGBT管，这是工程师常遇到的问题，如果从系统的电压、电流、切换功率等因素作为考虑，可以总结出以下几点： 也可从下图看出两者使用的条件，阴影部分区域表示MOSFET和IGBT都可以选用，“？”表示当前工艺还无法达到的水平。 总的来说，MOSFET优点是高频特性好，可以工作频率可以达到几百kHz、上MHz，缺点是导通电阻大在高压大电流场合功耗较大；而IGBT在低频及较大功率场合下表现卓越，其导通电阻小，耐压高。 MOSFET应用于开关电源、镇流器、高频感应加热、高频逆变焊机、通信电源等等高频电源领域；IGBT集中应用于焊机、逆变器、变频器、电镀电解电源、超音频感应加热等领域。
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