硬件工程师入门基础元器件与电路原理

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本文介绍了硬件工程师入门的基础元器件，包括二极管、三极管、MOS管和IGBT。对比了肖特基二极管与硅二极管的特性，探讨了三极管作为开关的应用和电阻选择方法，解释了MOS管的结构和栅极串联电阻布局，并概述了IGBT在电力转换中的重要角色及其发展。

硬件工程师入门基础知识

（一）基础元器件认识（二）

tips：学习资料和数据来自《硬件工程师炼成之路》、百度百科、网上资料。

1.二极管
2.三极管
3.MOS管
4.IGBT
5.晶振

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1.二极管
肖特基二极管和硅二极管的比较：
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肖特基二极管的优势主要在速度和压降，对这两个没要求的场景，那自然选择更便宜的由硅构成的二极管。

二极管漏电流
这个参数，值得一提的是，肖特基二极管的漏电流，是硅二极管的 100 倍左右。
还有一点就是，漏电流与温度有很大的关系。温度越高，漏电流越大。
硅二极管温度越高，漏电流越大，是原因硅二极管的漏电流是由少子决定的，温度越高，本征激发越强烈，少子浓度会升高，所以漏电流就越大了。

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反向恢复时间：也是比较重要的参数，这个前面有文章专门讲过，就不再说了。
工作频率：由反向恢复时间决定的。
耐压：记住肖特基二极管耐压值，很难做高就行吧，一般不超过 100V，当然，更高的也有，这里只说常见的。而硅二极管可以做很高。

反向恢复时间
实际应用中的二极管，在电压突然反向时，二极管电流并不是很快减小到 0，而是会有比较大的反向电流存在，这个反向电流降低到最大值的 0.1 倍所需的时间，就是反向恢复时间。
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几种二极管的最高工作频率顺序是下面这样的：

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为什么要用肖特基二极管续流？
我们来看一个问题：
为什么开关电源中，一般用肖特基二极管续流，不用快恢复二极管呢？
主要有两点：
一是肖特基二极管导通电压更低。
二是肖特基二极管速度更快，反向恢复时间更小。
如此一来，使用肖特基二极管肯定损耗是更小的，温度更低，也不会烫成狗，这样整个开关电源效率也更高。

2.三极管

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常用的三极管电路设计-电阻到底是怎么选的

我们在模电教材里面，会有各种放大电路，共基，共集，共射等，相关的计算公式，曲线，电路等效
模型天花乱坠，学起来非常费劲。

实际 90%工作，可能我们主要关注一个参数就行了，那就是电流放大倍数 β，其它的通通用不到，而且我们做产品，如果真要放大信号，那也是使用各种集成运放。
绝大多数情况，我们是把三极管当作一个低成本的开关来使用的，作为开关，虽然 MOS 可能更为合适，不过三极管价格更低，在小电流场景，三极管反而是用得更多的。

一个 NPN 三极管，价格也就 2 分钱左右。

常用的电路（NPN 为例）
1、电平转换，反相

这个电路用得非常多，有两个功能。
一是信号反相，就是输入高电平，输出就是低电平；输入低电平，输出就是高电平
二是改变输出信号的电压，比如输入的电压范围是 0V 或者是 3.3V，想要得到一个输出是 0V 或者是5V 的电平怎么办呢？让 Vcc 接 5V 就可以了，输出高的时候，out 的电平就是大约为 5V 的。

2、驱动指示灯
我们经常使用三极管驱动 LED 灯，比如下面这个电路：

3、驱动 MOS 开关
还一个电路也用得非常多，那就是驱动电源的 PMOS 开关，如下图：

在 in 为低时，三极管不导通，相当于是开路，PMOS 管的 Vgs 为 0，PMOS 管也不导通，Vcc2 没有电。
在 in 为高时，三极管导通，集电极相当于是接地 GND，于是 PMOS 管的 Vgs 为-Vcc1，PMOS 管导通，也就是 Vcc1 与 Vcc2 之间导通，Vcc2 有电。

如何选择电阻
我们的电路输入一般是只有两种状态，0V 或者是其它的高电平（1.8V，3.3V，5V 等），截止状态一般不用怎么考虑，因为如果让三极管的 Vbe=0，自然就截止了，重要的是饱和状态如何保证。
那么啥叫饱和状态？
我们先假定三极管工作在放大状态，那么放大倍数就是β，如果基极有 Ib 电流流过，那么集电极 Ic=β*Ib，Ic 也会在 Rc 上面产生压降 Urc。

易得：Urc+Uce=Vcc，显然，Ib 越大，那么 Urc=βIbRc 越大，如果 Ib 足够大，那么 Urc=Vcc 时，
Uce=Vcc-Urc≈0。

电路计算举例
LED 灯的例子
已知条件：输入控制电压高电平为 3.3V，电源电压为 5V，灯的导通电流 10mA，灯导通电压 2V，三极管选用型号 MMBT3904

三极管饱和导通时，Vce=0V，所以 Rc=(5V-2V)/10mA=300Ω。
查询芯片手册，三极管 MMBT3904 的的放大倍数 β（hfe）如下图所示：

可以看到，在 Ic=10mA 时，放大倍数最小为 100。
那么 Ib=10mA/100=100uA，三极管导通时，Vbe 约为 0.7V，继而求得 Rb=（3.3-
0.7V)/100uA=26K。
也就是说只要 Rb<26K，三极管就工作在了饱和状态，像这种情况，我一般取 Rb=2.2K，或者是 1K，4.7K，10K，这样 Ib 更大，更能让三极管工作在饱和状态。
具体取多少，取决于整个板子的电阻使用情况，比如 10K 电阻用得多，那我就取 10K，这样物料种类少，生产更方便。
或者咱为了保险一点，比如要兼容别的三极管型号，可以取 Rb=1K，这样即使别的三极管 β 小于100，也能工作在饱和状态。
一般来说，我们不要取正好的值，比如 26K 或者接近 26K 的值，这样太不安全。
我们也可以反向验算下，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 的压降是300Ω26mA=7.8V，这已经超过 Vcc 了，所以管子肯定是工作在饱和状态的。

3.MOS管

1、MOS 导通后电流方向其实可以双向流动，可以从 d 到 s，也可以从 s 到 d。
2、MOS 管体二极管的持续电流可以根据 MOS 管的功耗限制来计算，
3、MOS 管体二极管瞬间可以通过的电流，等于 NMOS 管导通后瞬间可以通过的电流，一般不会是瓶颈
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NMOS 管的结构
我们看一下 NMOS 管的结构。

以 NMOS 为例，如上图，S 和 D 都是掺杂浓度比较高的 N 型半导体，衬底为 P 型半导体，并且衬底和 S 极是接到一起的。
在 Vgs 电压大于门限电压 Vth 时，也就是栅极相对衬底带正电，它会将 P 型衬底中的少子（电子）吸引到 P 型衬底上面，形成反型层，也就是导电沟道。

PCB Layout 时，MOS 管栅极串联电阻放哪儿？

如上图，串联的电阻 R1 到底是放在靠近 IC 端，还是靠近 MOS 端？（注意，图中的 L1 是走线寄生电感，并不是这里放了个电感器件）

1、 TI 的无刷电机驱动芯片 DRV8300 的 demo 板
Demo 板硬件设计可以直接在 Ti 官网下载，如下图，可以看到，串联电阻是放置在 MOS 管端的。

2、 Ti 的 POE 方案 TPS23753A 的 Demo 板
原理图如下：
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PCB 如下图，串联电阻也是放置在靠近 MOS 管端。
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3、 MPS 的无刷电机驱动芯片 MP6535。
如下图，6 个 MOS 的栅极串联电阻 R18，R19，R20，R21，R22，R23 放置在中间。
从走线长度看，Q1，Q2，Q3 串联的电阻离 MOS 较近，离驱动 IC 较远。Q4，Q5，Q6 串联的电阻在 MOS 和驱动 IC 中间。

大部分情况栅极串联电阻靠近 MOS 管放置这个说法是属实的。

4.IGBT

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由（Bipolar Junction Transistor，BJT）双极型三极管和绝缘栅型场效应管（Metal Oxide Semiconductor，MOS）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）金氧半场效晶体管的高输入阻抗和电力晶体管（Giant Transistor，GTR）的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。

IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

IGBT是能源变换与传输的核心器件，俗称电力电子装置的“CPU”，作为国家战略性新兴产业，在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广。

IGBT模块是由IGBT（绝缘栅双极型晶体管芯片）与FWD（续流二极管芯片）通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品；封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上。

IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点；当前市场上销售的多为此类模块化产品，一般所说的IGBT也指IGBT模块；随着节能环保等理念的推进，此类产品在市场上将越来越多见；

IGBT功率模块采用IC驱动，各种驱动保护电路，高性能IGBT芯片，新型封装技术，从复合功率模块PIM发展到智能功率模块IPM、电力电子积木PEBB、电力模块IPEM。PIM向高压大电流发展，其产品水平为1200—1800A/1800—3300V，IPM除用于变频调速外，600A/2000V的IPM已用于电力机车VVVF逆变器。平面低电感封装技术是大电流IGBT模块为有源器件的PEBB，用于舰艇上的导弹发射装置。IPEM采用共烧瓷片多芯片模块技术组装PEBB，大大降低电路接线电感，进步系统效率，现已开发成功第二代IPEM，其中所有的无源元件以埋层方式掩埋在衬底中。智能化、模块化成为IGBT发展热门。

IGBT如有讨论尽管留言，目前在新能源领域接触最多的还是IGBT模块。

5.晶振

晶振分类
首先，晶振一般分为两种，一种叫有源晶振，一种叫无源晶振。

有源晶振也叫晶体振荡器，Oscillator；无源晶振有时也叫无源晶体，Crystal，晶体谐振器。至于哪个名字更专业，更准确，我觉得无需争论，名字只是代号而已，大家工作中沟通能知道说的是什么就行。

简单说有源晶振自己供上电就能输出振荡信号，无源晶体必须额外增加电路才能振荡起来。
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以上分类是从使用上面来说的。如果我们单看晶振的内部构造，就会发现，有源晶振内部是包含了一个无源晶振，然后再将阻容，放大等电路也包含进去，整体封装好再给我们用。

晶振的等效模型

那么其中 Lm，Rm，Cm 分别又是什么意思呢？
Cm：动态电容，反映了振动体的弹性，随频率会变化
Lm：动态电感，反映了振动体的质量，随频率会变化
Rm：动态电阻，反映了振动体的损耗，随频率会变化
C0：静电容，两个电极间形成的电容。

晶振是如何起振的？

皮尔斯晶体振荡器
目前工作中用得最多的就是皮尔斯晶体振荡器，也就是下面这个结构。

CL1，CL2 为匹配电容，Rext 通常为串联的几百欧姆电阻（有时也不加）。有时候数据手册会有推荐参数。

上面这个结构可能看着不是很熟悉，我们把它转换一下，变成下面这个就熟悉些。
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Inv：内部反相放大器。
Q：石英或陶瓷晶振。
RF：内部反馈电阻。
RExt：外部限流电阻，限制反相器输出电流。
CL1 和 CL2：两个外部负载电容。
Cs：寄生电容：PCB 布线，OSC_IN 和 OSC_OUT 管脚之间的效杂散电容

反馈电阻 RF
在几乎所有的 ST 的 MCU 中，RF 是内嵌在芯片内的。它的作用是让反相器作为一个放大器来工作。

Vin 和 Vout 之间增加的反馈电阻使放大器在 Vout ＝ Vin 时产生偏置，迫使反向器工作在线性区域(图 5 中阴影区)。该放大器放大了晶振的正常工作区域内（Fs 与 Fa 之间）的噪声(例如晶振的热噪声)，该噪声从而引发晶振起振。在某些情况下，起振后去掉反馈电阻 RF，振荡器仍可以继续正常工作。

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