晶體管電路低邊和高邊的工作原理介紹

為什么存在這兩種方式，它們的工作原理，以及何時(shí)使用它們？

電路中，晶體管常常被用來(lái)當(dāng)做開(kāi)關(guān)使用。晶體管用作開(kāi)關(guān)時(shí)有兩種不同的接線方式：高邊（high side）和低邊(low side)。高邊和低邊是由晶體管在電路中的位置決定的。晶體管可以是雙極性晶體管（BJT）或者場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）。

1. 低邊晶體管電路

低邊開(kāi)關(guān)，晶體管接地，也就是說(shuō)晶體管在負(fù)載和地之間。由于晶體管正在開(kāi)關(guān)接地線路或位于負(fù)載的低電壓端，因此稱(chēng)為低邊開(kāi)關(guān)。

通常使用 NPN 型三極管或者 N 溝道場(chǎng)效應(yīng)管。

對(duì)于 NPN 三極管來(lái)說(shuō)，發(fā)射極接地，集電極連接到負(fù)載。作為開(kāi)關(guān)，三極管工作在飽和狀態(tài)。飽和意味著有足夠的基極電流來(lái)完全開(kāi)啟三極管。

對(duì)于 N 溝道場(chǎng)管來(lái)說(shuō)，源極接地，漏極連接到負(fù)載的負(fù)側(cè)。雖然您可以在該電路中使用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET），但增強(qiáng)型場(chǎng)管效果更好。注意：場(chǎng)管有一個(gè)下拉電阻。

2. 高邊晶體管電路

與低邊開(kāi)關(guān)相對(duì)的是高邊開(kāi)關(guān)。晶體管連接在電源正極和負(fù)載高電壓端之間。在 Arduino 或 Raspberry Pi 電路中使用這些晶體管可能會(huì)有些困難。

通常使用 PNP 型三極管或者 P 溝道場(chǎng)效應(yīng)管。

對(duì)于 PNP 型三極管來(lái)說(shuō)，發(fā)射極連接到電壓正極，而集電極連接到負(fù)載。對(duì)比上面的低邊三極管開(kāi)關(guān)電路，PNP 的發(fā)射極和集電極正好是與之顛倒的。就像 NPN 三極管一樣，PNP 三極管需要在飽和區(qū)工作才能完全導(dǎo)通晶體管。

對(duì)于 P 溝道場(chǎng)管來(lái)說(shuō)，源極連接到電壓正極，漏極連接負(fù)載。與低邊開(kāi)關(guān)一樣，您可能希望使用增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管。注意：場(chǎng)管有一個(gè)上拉電阻。

當(dāng)被控信號(hào)（負(fù)載電路）的電壓電壓和控制信號(hào)電壓相同時(shí)，如果使用 P 型晶體管，上面的電路可以正常工作。值得注意的是 P 管是個(gè)反管，也就是說(shuō)，輸入高電平時(shí)，電路不導(dǎo)通，輸入低電平時(shí)導(dǎo)通。

當(dāng)被控信號(hào)的電壓高于控制信號(hào)電壓時(shí)，你需要使用晶體管驅(qū)動(dòng)。下面，讓我們看看用晶體管驅(qū)動(dòng)另一個(gè)晶體管。

3. 晶體管驅(qū)動(dòng)另一個(gè)晶體管

晶體管驅(qū)動(dòng)電路是指用來(lái)驅(qū)動(dòng)另一個(gè)晶體管的電路。晶體管驅(qū)動(dòng)電路被用在當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓（或電流）和被控晶體管電壓不同的情況。下面是需要晶體管驅(qū)動(dòng)的兩種情況。

大電流場(chǎng)管具有相當(dāng)大的柵源極閾值電壓（Vgs）。雖然來(lái)自 Arduino GPIO 引腳的 5 伏電壓可能足以打開(kāi)晶體管，但不足以使其進(jìn)入飽和狀態(tài)。在場(chǎng)管飽和之前，其導(dǎo)通電阻可能相對(duì)較高，從而限制了它可以處理的最大電流。

當(dāng)被控電壓高于控制信號(hào)電壓時(shí)，用 NPN 三極管驅(qū)動(dòng) PNP 三極管 或 P 溝道場(chǎng)管是很常見(jiàn)的。如果沒(méi)有驅(qū)動(dòng)電路，晶體管可能永遠(yuǎn)不會(huì)關(guān)斷。

4. 高邊晶體管為什么會(huì)存在

對(duì)于開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)，使用低邊開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)單易用，易于理解。而且，對(duì)于雙極型（BJT）晶體管和場(chǎng)管來(lái)說(shuō)，P 管通常比 N 管具有更大的電阻值（或更低的電流輸出能力）。既然如此，它們?yōu)槭裁创嬖谀兀?/p>

低邊開(kāi)關(guān)電路切換的是對(duì)地的導(dǎo)通，高邊開(kāi)關(guān)電路切換的是對(duì)電源的導(dǎo)通。有時(shí)候，你想保持接地并且控制對(duì)電源的導(dǎo)通與否。還有一個(gè)原因就是，即使晶體管完全導(dǎo)通，其兩端仍然存在一個(gè)很小的壓降。這意味著，被控制器件的接地不是完全接地的 0 伏電壓。對(duì)于像 LED 這樣的器件，切換電源或是地并不重要。但是，對(duì)于像 MCU 這樣的的有源設(shè)備需要良好的接地！這種情形需要用到高邊管。還有一種情況就是開(kāi)關(guān)電源中，需要控制對(duì)待轉(zhuǎn)換電源的通斷，也需要高邊管。還有一些其他的情況，我們不一一贅述。

總體來(lái)說(shuō)，如果你要打開(kāi)或關(guān)閉器件，低邊開(kāi)關(guān)是一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案。但是，如果你要控制的是整個(gè)電路或電壓敏感設(shè)備的供電，則需要使用高邊開(kāi)關(guān)。

現(xiàn)在有一種現(xiàn)成的芯片稱(chēng)為“負(fù)載開(kāi)關(guān)（Load Switch）”。這些芯片具有 P 溝道 MOSFET 作為開(kāi)關(guān)晶體管，并帶有用于該 P 溝道的內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器。這種類(lèi)型的器件不需要外部驅(qū)動(dòng)電路。

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