1. 簡介

雙極結型三極管(Bipolar Junction Transistor, BJT)，又稱為晶體管，是我們在模擬電路中學習的比較基本的電流控制電流器件，由基極電流大小控制集電極電流大小。三極管有兩種類型，即NPN三極管和PNP三極管；有三種工作狀態，即通常其特性曲線中的截止區、放大區（從基極看，是電流/電流，所以直接叫做“放大區”）和飽和區。

說明：場效應管(MOSFET)，俗稱MOS管，是電壓控制電流器件，由柵極電壓大小控制漏極電流大小。

有兩種類型，即N溝道場效應管(N-Channel MOSFET)和P溝道場效應管(P-Channel MOSFET)。

有三種工作狀態，即截止區、可變電阻區（從柵極看，是電壓/電流，所以相當于可變電阻，所以叫做“可變電阻區”）和飽和區。

無論是三極管還是場效應管，在數字電路中做開關使用時，都工作在截止區和飽和區。關斷的時候，器件工作在截止區；而導通的時候，要保證器件工作在飽和區。

兩種器件多數情況下導通時，都能工作在飽和區；如對于三極管來說，由于其放大倍數通常達到200以上，所以能夠使集電極電流值達到最大電流極限值而飽和，但我們仍然需要知道其工作在飽和區的原理，下文將順便介紹其原理。

遺憾的是，網上很多工作在數字開關目的下的三極管或MOS管，都是“缺胳膊少腿”，不完善。因而，本文將基于三極管詳解其完備電路中各元件的用途，以及各種不完備電路存在的缺陷。

因為完備電路只有一種，我們姑且稱之為“第一等電路”；而不完備電路至少有四種，我們姑且稱之為“第二等電路”、“第三等電路”、“第四等電路”和“第五等電路”，這里等級越靠后，基本就是越差。

2. 第一等電路——完備電路

如上圖(a)(b)所示，分別是NPN三極管和PNP三極管用于數字開關時的完備電路。

(a)電路可使用GPIO1的高電平導通NPN三極管Q1，GPIO1的低電平關斷Q1；(b)電路可使用GPIO2的低電平導通PNP三極管Q2，GPIO2的高電平關斷Q2。下面講解基極偏置電阻的作用：

R1和R3是基極限流電阻，因為基區很薄，過流能力較小，所以要限流。

假如沒有R1，NPN三極管Q1在GPIO1 = 1.8V或3.3V高電平的情況下導通后，基極會被鉗位到0.7V，那么基極多余出的1.8V - 0.7V = 1.1V或3.3V - 0.7V = 2.6V的電壓將加載到何處呢？

同理，假如沒有R3，PNP三極管Q2在GPIO2 = 0V的情況下導通后，在VCC = 1.8V或3.3V的情況下，基極會被抬高1.8V - 0.7V = 1.1V或3.3V - 0.7V = 2.6V，這些電壓又將加載到何處呢？

R2和R4是（基極）偏置電阻，當三極管處于飽和導通狀態時，為基極提供偏置電壓。至于為何需要提供偏置電壓，將在后面“第二等電路”中說明。

注意：此處假設基極-射極二極管的壓降為0.7V，下同。

3. 第二等電路——缺少偏置電阻

如上圖(c)(d)所示，是在“第一等電路”完備電路的基礎上，缺少了基極偏置電阻R2和R4。

這樣電路的缺陷是，當GPIO1使用高電平開啟NPN BJT Q1后，其基極將被基極與射極之間的二極管鉗位到二極管壓降（通常為0.5 ~ 0.7V）；此時，若基極有脈沖干擾，Q1的工作狀態可能會受影響，即此時電路的抗干擾能力不如上述“第一等電路”。

同理，當GPIO2使用低電平開啟PNP BJT Q2后，其基極電壓將被抬升到VCC減去“基極-射極二極管壓降”（若VCC=3.3V，GPIO=0V，二極管壓降為0.7V，Q2開啟后，基極將被抬升到3.3V-0.7V=2.6V）；此時，若基極2.4V上疊加一定的脈沖干擾，Q2的工作狀態可能會受影響，即此時電路的抗干擾能力不如上述“第一等電路”。

4. 第三等電路——缺少偏置電阻和限流電阻

如上圖(e)(f)所示，是在“第二等電路”的基礎上，缺少了基極基極限流電阻R1和R3，偏置電阻R2和R4。

缺陷是：其一，基極可能因為過流損壞；其二，Q1開啟后基極會被鉗位到0.7V（基極-射極二極管壓降），Q2開啟后基極將被鉗位到2.6V，且工作狀態都容易受脈沖或噪聲的干擾。

5. 第四等電路——射極跟隨器電路

如圖(g)(h)所示，是在“第三等電路”的基礎上，將原來集電極上的負載轉移到射極。因為基極-射極之間相當于二極管，對NPN管來說，基極比射極高0.7V；對PNP管來說，基極比射極低0.7V。

所以，從射極來說，在二極管壓降0.7V差值的基礎上，始終會跟隨基極的電壓變化，這就是射極跟隨器電路，即負載接在射極。

射極跟隨器電路多用于模擬電路中，在數字電路中作為驅動后端負載使用時，是不合適的，因為只有電流放大，沒有電壓放大，有時會因為功率放大不足，而無法驅動后端負載。

以(g)電路為例，假如GPIO1=3.3V，那么只有Vout1=3.3-0.7V=2.6V的電壓加載到負載RL1上，而不是整個VCC（假設VCC為5V或12V）加載到負載上。這種應用，有時會因為功率放大不足，導致電路工作不穩定，具體可見“[1] TLP293-4光耦電路應用問題分析”。

6. 第五等電路——缺少基極限流電阻的射極跟隨器電路

如圖(i)(j)所示，是缺少基極限流電阻和偏置電阻的射極跟隨器電路，在數字電路應用中，存在前述電路所有的缺陷，此處無需過多解釋。

7. 數字三極管

ROHM DTC043Z series NPN 100mA 50V Digital Transistor (Bias Resistor Built-in Transistor)即是內置偏置電阻的NPN型三極管，內置偏置電阻分別為4.7k和47k；ROHM DTA043Z series PNP -100mA -50V Digital Transistor (Bias Resistor Built-in Transistor)即是內置偏置電阻的PNP型三極管，內置偏置電阻分別為4.7k和47k，如下圖所示。

這種數字三極管在實際作為開關使用時，無需外加偏置電阻，可使電阻設計更加簡單。但仍需注意，負載始終接在集電極，而不能錯誤地接在射極，構成設計跟隨器電路。

8. 總結

如前所述，無論是三極管還是場效應管，在數字電路中做開關使用時，都工作在截止區和飽和區。本文總結了三極管在數字電路中做開關使用時各外圍元件的作用，實際應用中，推薦使用“第一等完備電路”或數字三極管，以避免其他各類電路的缺陷。