本文介紹了硬件工程師入門的基礎(chǔ)元器件，包括二極管、三極管、MOS管和IGBT。對(duì)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(yīng)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(chǔ)知識(shí)

（一）基礎(chǔ)元器件認(rèn)識(shí)（二）

tips：學(xué)習(xí)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(shì)主要在速度和壓降，對(duì)這兩個(gè)沒要求的場(chǎng)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(gè)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(diǎn)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(qiáng)烈，少子濃度會(huì)升高，所以漏電流就越大了。

反向恢復(fù)時(shí)間：也是比較重要的參數(shù)，這個(gè)前面有文章專門講過，就不再說了。

工作頻率：由反向恢復(fù)時(shí)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(dāng)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(fù)時(shí)間

實(shí)際應(yīng)用中的二極管，在電壓突然反向時(shí)，二極管電流并不是很快減小到 0，而是會(huì)有比較大的反向電流存在，這個(gè)反向電流降低到最大值的 0.1 倍所需的時(shí)間，就是反向恢復(fù)時(shí)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(gè)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(fù)二極管呢？

主要有兩點(diǎn)：

一是肖特基二極管導(dǎo)通電壓更低。

二是肖特基二極管速度更快，反向恢復(fù)時(shí)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(huì)燙成狗，這樣整個(gè)開關(guān)電源效率也更高。

2.三極管

常用的三極管電路設(shè)計(jì)-電阻到底是怎么選的

我們?cè)?a href="http://hljzzgx.com/v/tag/1180/" target="_blank">模電教材里面，會(huì)有各種放大電路，共基，共集，共射等，相關(guān)的計(jì)算公式，曲線，電路等效

模型天花亂墜，學(xué)起來非常費(fèi)勁。

實(shí)際 90%工作，可能我們主要關(guān)注一個(gè)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(hào)，那也是使用各種集成運(yùn)放。

絕大多數(shù)情況，我們是把三極管當(dāng)作一個(gè)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(jià)格更低，在小電流場(chǎng)景，三極管反而是用得更多的。

一個(gè) NPN 三極管，價(jià)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(gè)電路用得非常多，有兩個(gè)功能。

一是信號(hào)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(hào)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(gè)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(shí)候，out 的電平就是大約為 5V 的。

2、驅(qū)動(dòng)指示燈

我們經(jīng)常使用三極管驅(qū)動(dòng) LED 燈，比如下面這個(gè)電路：

3、驅(qū)動(dòng) MOS 開關(guān)

還一個(gè)電路也用得非常多，那就是驅(qū)動(dòng)電源的 PMOS 開關(guān)，如下圖：

在 in 為低時(shí)，三極管不導(dǎo)通，相當(dāng)于是開路，PMOS 管的 Vgs 為 0，PMOS 管也不導(dǎo)通，Vcc2 沒有電。

在 in 為高時(shí)，三極管導(dǎo)通，集電極相當(dāng)于是接地 GND，于是 PMOS 管的 Vgs 為-Vcc1，PMOS 管導(dǎo)通，也就是 Vcc1 與 Vcc2 之間導(dǎo)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?fàn)顟B(tài)一般不用怎么考慮，因?yàn)槿绻屓龢O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(huì)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(shí)，

Uce=Vcc-Urc≈0。

電路計(jì)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(dǎo)通電流 10mA，燈導(dǎo)通電壓 2V，三極管選用型號(hào) MMBT3904

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

查詢芯片手冊(cè)，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(shí)，放大倍數(shù)最小為 100。

那么 Ib=10mA/100=100uA，三極管導(dǎo)通時(shí)，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(gè)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(xiǎn)一點(diǎn)，比如要兼容別的三極管型號(hào)，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(yàn)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(dǎo)通后電流方向其實(shí)可以雙向流動(dòng)，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(jì)算，

3、MOS 管體二極管瞬間可以通過的電流，等于 NMOS 管導(dǎo)通后瞬間可以通過的電流，一般不會(huì)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(dǎo)體，襯底為 P 型半導(dǎo)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(shí)，也就是柵極相對(duì)襯底帶正電，它會(huì)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(dǎo)電溝道。

PCB Layout 時(shí)，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(gè)電感器件）

1、 TI 的無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 DRV8300 的 demo 板

Demo 板硬件設(shè)計(jì)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(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 MP6535。

如下圖，6 個(gè) 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(dòng) IC 較遠(yuǎn)。Q4，Q5，Q6 串聯(lián)的電阻在 MOS 和驅(qū)動(dòng) IC 中間。

大部分情況柵極串聯(lián)電阻靠近 MOS 管放置這個(gè)說法是屬實(shí)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(chǎng)效應(yīng)管（Metal Oxide Semiconductor，MOS）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件， 兼有（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor， MOSFET）金氧半場(chǎng)效晶體管的高輸入阻抗和電力晶體管（Giant Transistor，GTR）的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大；MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。

IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)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(dòng)汽車與新能源裝備等領(lǐng)域應(yīng)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(dǎo)體產(chǎn)品；封裝后的IGBT模塊直接應(yīng)用于變頻器、UPS不間斷電源等設(shè)備上。

IGBT模塊具有節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點(diǎn)；當(dāng)前市場(chǎng)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(jìn)，此類產(chǎn)品在市場(chǎng)上將越來越多見；

IGBT功率模塊采用IC驅(qū)動(dòng)，各種驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，高性能IGBT芯片，新型封裝技術(shù)，從復(fù)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(jī)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(dǎo)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(jìn)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(lǐng)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(shí)也叫無源晶體，Crystal，晶體諧振器。至于哪個(gè)名字更專業(yè)，更準(zhǔn)確，我覺得無需爭(zhēng)論，名字只是代號(hào)而已，大家工作中溝通能知道說的是什么就行。

簡(jiǎn)單說有源晶振自己供上電就能輸出振蕩信號(hào)，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(huì)發(fā)現(xiàn)，有源晶振內(nèi)部是包含了一個(gè)無源晶振，然后再將阻容，放大等電路也包含進(jìn)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(dòng)態(tài)電容，反映了振動(dòng)體的彈性，隨頻率會(huì)變化

Lm：動(dòng)態(tài)電感，反映了振動(dòng)體的質(zhì)量，隨頻率會(huì)變化

Rm：動(dòng)態(tài)電阻，反映了振動(dòng)體的損耗，隨頻率會(huì)變化

C0：靜電容，兩個(gè)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(gè)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(shí)也不加）。有時(shí)候數(shù)據(jù)手冊(cè)會(huì)有推薦參數(shù)。

上面這個(gè)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(gè)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(gè)外部負(fù)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(gè)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(shí)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。

本文鏈接：https://blog.csdn.net/qq_41600018/article/details/128993663