硬件工程師入門的基礎元器件知識

本文介紹了硬件工程師入門的基礎元器件，包括二極管、三極管、MOS管和IGBT。對比了肖特基二極管與硅二極管的特性，探討了三極管作為開關(guān)的應用和電阻選擇方法，解釋了MOS管的結(jié)構(gòu)和柵極串聯(lián)電阻布局，并概述了IGBT在電力轉(zhuǎn)換中的重要角色及其發(fā)展。

硬件工程師入門基礎知識

（一）基礎元器件認識（二）

tips：學習資料和數(shù)據(jù)來自《硬件工程師煉成之路》、百度百科、網(wǎng)上資料。

1.二極管

2.三極管

3.MOS管

4.IGBT

5.晶振

1.二極管

肖特基二極管和硅二極管的比較：

肖特基二極管的優(yōu)勢主要在速度和壓降，對這兩個沒要求的場景，那自然選擇更便宜的由硅構(gòu)成的二極管。

二極管漏電流

這個參數(shù)，值得一提的是，肖特基二極管的漏電流，是硅二極管的 100 倍左右。

還有一點就是，漏電流與溫度有很大的關(guān)系。溫度越高，漏電流越大。

硅二極管溫度越高，漏電流越大，是原因硅二極管的漏電流是由少子決定的，溫度越高，本征激發(fā)越強烈，少子濃度會升高，所以漏電流就越大了。

反向恢復時間：也是比較重要的參數(shù)，這個前面有文章專門講過，就不再說了。

工作頻率：由反向恢復時間決定的。

耐壓：記住肖特基二極管耐壓值，很難做高就行吧，一般不超過 100V，當然，更高的也有，這里只說常見的。而硅二極管可以做很高。

反向恢復時間

實際應用中的二極管，在電壓突然反向時，二極管電流并不是很快減小到 0，而是會有比較大的反向電流存在，這個反向電流降低到最大值的 0.1 倍所需的時間，就是反向恢復時間。

幾種二極管的最高工作頻率順序是下面這樣的：

為什么要用肖特基二極管續(xù)流？

我們來看一個問題：

為什么開關(guān)電源中，一般用肖特基二極管續(xù)流，不用快恢復二極管呢？

主要有兩點：

一是肖特基二極管導通電壓更低。

二是肖特基二極管速度更快，反向恢復時間更小。

如此一來，使用肖特基二極管肯定損耗是更小的，溫度更低，也不會燙成狗，這樣整個開關(guān)電源效率也更高。

2.三極管

常用的三極管電路設計-電阻到底是怎么選的

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(guān)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，可能我們主要關(guān)注一個參數(shù)就行了，那就是電流放大倍數(shù) β，其它的通通用不到，而且我們做產(chǎn)品，如果真要放大信號，那也是使用各種集成運放。

絕大多數(shù)情況，我們是把三極管當作一個低成本的開關(guān)來使用的，作為開關(guān)，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(zhuǎn)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(qū)動指示燈

我們經(jīng)常使用三極管驅(qū)動 LED 燈，比如下面這個電路：

3、驅(qū)動 MOS 開關(guān)

還一個電路也用得非常多，那就是驅(qū)動電源的 PMOS 開關(guān)，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。

如何選擇電阻

我們的電路輸入一般是只有兩種狀態(tài)，0V 或者是其它的高電平（1.8V，3.3V，5V 等），截止狀態(tài)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(tài)如何保證。

那么啥叫飽和狀態(tài)？

我們先假定三極管工作在放大狀態(tài)，那么放大倍數(shù)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(chǎn)生壓降 Urc。

易得：Urc+Uce=Vcc，顯然，Ib 越大，那么 Urc=βIbRc 越大，如果 Ib 足夠大，那么 Urc=Vcc 時，

Uce=Vcc-Urc≈0。

電路計算舉例

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(shù) β（hfe）如下圖所示：

可以看到，在 Ic=10mA 時，放大倍數(shù)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(tài)，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(tài)。

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(chǎn)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(tài)。

一般來說，我們不要取正好的值，比如 26K 或者接近 26K 的值，這樣太不安全。

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=1000.26mA=26mA，那么 Rc 的壓降是300Ω26mA=7.8V，這已經(jīng)超過 Vcc 了，所以管子肯定是工作在飽和狀態(tài)的。

3.MOS管

1、MOS 導通后電流方向其實可以雙向流動，可以從 d 到 s，也可以從 s 到 d。

2、MOS 管體二極管的持續(xù)電流可以根據(jù) MOS 管的功耗限制來計算，

3、MOS 管體二極管瞬間可以通過的電流，等于 NMOS 管導通后瞬間可以通過的電流，一般不會是瓶頸

NMOS 管的結(jié)構(gòu)

我們看一下 NMOS 管的結(jié)構(gòu)。

以 NMOS 為例，如上圖，S 和 D 都是摻雜濃度比較高的 N 型半導體，襯底為 P 型半導體，并且襯底和 S 極是接到一起的。

在 Vgs 電壓大于門限電壓 Vth 時，也就是柵極相對襯底帶正電，它會將 P 型襯底中的少子（電子）吸引到 P 型襯底上面，形成反型層，也就是導電溝道。

PCB Layout 時，MOS 管柵極串聯(lián)電阻放哪兒？

如上圖，串聯(lián)的電阻 R1 到底是放在靠近 IC 端，還是靠近 MOS 端？（注意，圖中的 L1 是走線寄生電感，并不是這里放了個電感器件）

1、 TI 的無刷電機驅(qū)動芯片 DRV8300 的 demo 板

Demo 板硬件設計可以直接在 Ti 官網(wǎng)下載，如下圖，可以看到，串聯(lián)電阻是放置在 MOS 管端的。

2、 Ti 的 POE 方案 TPS23753A 的 Demo 板

原理圖如下：

PCB 如下圖，串聯(lián)電阻也是放置在靠近 MOS 管端。

3、 MPS 的無刷電機驅(qū)動芯片 MP6535。

如下圖，6 個 MOS 的柵極串聯(lián)電阻 R18，R19，R20，R21，R22，R23 放置在中間。

從走線長度看，Q1，Q2，Q3 串聯(lián)的電阻離 MOS 較近，離驅(qū)動 IC 較遠。Q4，Q5，Q6 串聯(lián)的電阻在 MOS 和驅(qū)動 IC 中間。

大部分情況柵極串聯(lián)電阻靠近 MOS 管放置這個說法是屬實的。

4.IGBT

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），絕緣柵雙極型晶體管，是由（Bipolar Junction Transistor，BJT）雙極型三極管和絕緣柵型場效應管（Metal Oxide Semiconductor，MOS）組成的復合全控型電壓驅(qū)動式功率半導體器件， 兼有（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor， MOSFET）金氧半場效晶體管的高輸入阻抗和電力晶體管（Giant Transistor，GTR）的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大；MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導通壓降大，載流密度小。

IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領域。

IGBT是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷?，俗稱電力電子裝置的“CPU”，作為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，在軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動汽車與新能源裝備等領域應用極廣。

IGBT模塊是由IGBT（絕緣柵雙極型晶體管芯片）與FWD（續(xù)流二極管芯片）通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導體產(chǎn)品；封裝后的IGBT模塊直接應用于變頻器、UPS不間斷電源等設備上。

IGBT模塊具有節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點；當前市場上銷售的多為此類模塊化產(chǎn)品，一般所說的IGBT也指IGBT模塊；隨著節(jié)能環(huán)保等理念的推進，此類產(chǎn)品在市場上將越來越多見；

IGBT功率模塊采用IC驅(qū)動，各種驅(qū)動保護電路，高性能IGBT芯片，新型封裝技術(shù)，從復合功率模塊PIM發(fā)展到智能功率模塊IPM、電力電子積木PEBB、電力模塊IPEM。PIM向高壓大電流發(fā)展，其產(chǎn)品水平為1200—1800A/1800—3300V，IPM除用于變頻調(diào)速外，600A/2000V的IPM已用于電力機車VVVF逆變器。平面低電感封裝技術(shù)是大電流IGBT模塊為有源器件的PEBB，用于艦艇上的導彈發(fā)射裝置。IPEM采用共燒瓷片多芯片模塊技術(shù)組裝PEBB，大大降低電路接線電感，進步系統(tǒng)效率，現(xiàn)已開發(fā)成功第二代IPEM，其中所有的無源元件以埋層方式掩埋在襯底中。智能化、模塊化成為IGBT發(fā)展熱門。

IGBT如有討論盡管留言，目前在新能源領域接觸最多的還是IGBT模塊。

5.晶振

晶振分類

首先，晶振一般分為兩種，一種叫有源晶振，一種叫無源晶振。

有源晶振也叫晶體振蕩器，Oscillator；無源晶振有時也叫無源晶體，Crystal，晶體諧振器。至于哪個名字更專業(yè)，更準確，我覺得無需爭論，名字只是代號而已，大家工作中溝通能知道說的是什么就行。

簡單說有源晶振自己供上電就能輸出振蕩信號，無源晶體必須額外增加電路才能振蕩起來。

以上分類是從使用上面來說的。如果我們單看晶振的內(nèi)部構(gòu)造，就會發(fā)現(xiàn)，有源晶振內(nèi)部是包含了一個無源晶振，然后再將阻容，放大等電路也包含進去，整體封裝好再給我們用。

晶振的等效模型

那么其中 Lm，Rm，Cm 分別又是什么意思呢？

Cm：動態(tài)電容，反映了振動體的彈性，隨頻率會變化

Lm：動態(tài)電感，反映了振動體的質(zhì)量，隨頻率會變化

Rm：動態(tài)電阻，反映了振動體的損耗，隨頻率會變化

C0：靜電容，兩個電極間形成的電容。

晶振是如何起振的？

皮爾斯晶體振蕩器

目前工作中用得最多的就是皮爾斯晶體振蕩器，也就是下面這個結(jié)構(gòu)。

CL1，CL2 為匹配電容，Rext 通常為串聯(lián)的幾百歐姆電阻（有時也不加）。有時候數(shù)據(jù)手冊會有推薦參數(shù)。

上面這個結(jié)構(gòu)可能看著不是很熟悉，我們把它轉(zhuǎn)換一下，變成下面這個就熟悉些。

Inv：內(nèi)部反相放大器。

Q：石英或陶瓷晶振。

RF：內(nèi)部反饋電阻。

RExt：外部限流電阻，限制反相器輸出電流。

CL1 和 CL2：兩個外部負載電容。

Cs：寄生電容：PCB 布線，OSC_IN 和 OSC_OUT 管腳之間的效雜散電容

反饋電阻 RF

在幾乎所有的 ST 的 MCU 中，RF 是內(nèi)嵌在芯片內(nèi)的。它的作用是讓反相器作為一個放大器來工作。

Vin 和 Vout 之間增加的反饋電阻使放大器在 Vout ＝ Vin 時產(chǎn)生偏置，迫使反向器工作在線性區(qū)域（圖 5 中陰影區(qū)）。該放大器放大了晶振的正常工作區(qū)域內(nèi)（Fs 與 Fa 之間）的噪聲（例如晶振的熱噪聲），該噪聲從而引發(fā)晶振起振。在某些情況下，起振后去掉反饋電阻 RF，振蕩器仍可以繼續(xù)正常工作。

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