负反馈的魔力

geren2014

数字电路设计中，常常需要把数字信号经过开关扩流器件来驱动蜂鸣器、LED、继电器等需要交大电流的器件，用得最多的就是三极管。然而在使用过程中，如果设计不当，三极管就无法工作在正常开关状态，无法达到预期效果。

如图（a）所示，用NPN三极管，蜂鸣器连接到三极管的集电极，驱动信号是常见的3.3V或者5V

TTL电平，高电平导通，电阻按照经验值取4.7KΩ，三极管导通时假设高电平为5v,基极电流为：

Ib=（5-0.7）V ÷4.7KΩ = 0.9mA

它可以使 三极管完全饱和。

如图（b）所示，用NPN三极管，同样把蜂鸣器连接到三极管集电极，不同的是 是还用的驱动信号是5V的TTL电平。

以上两个电路都可以正常工作，只要PWM驱动信号工作在合适的频率下，蜂鸣器（有源）就会发出最大的声音。

图2和图1对比，最大的区别就是被驱动器件连接到了三极管的发射机。

如图（c）所示，三极管导通时假设高电平是5V，基极电流为

Ib=（5-0.7-UL）V ÷4.7KΩ

其中，UL为被驱动器件上的压降。可以看出，同样取积极电阻为4.7KΩ ，流过基极的电流会比图1中的（a）电路电流要小，小多少需要看UL为多少：如果UL较大，那么相应的Ib也就会很小，很有可能导致三极管无法工作在饱和状态，使得驱动器件无法动作 。有人认为把基极电阻调小就好了，可是被驱动器件的压降是很难获知的，有些被驱动器件的压降是变动的，这样一来 ，基极电阻就很难选择合适：阻值选的太大，会导致驱动失败 ； 阻值选择太小，损耗又变大。所以，不在万不得已的情况下，不建议用图2的两种电路。

如图3，驱动信号为3.3V电平，而被驱动器件导通电压需要5V。在3.3V单片机电路中，若不小心，就容易设计出这两种电路。

如图（e）所示，这是典型的“发射极正偏，集电极反偏”的放大电路，或者叫做射极输出器。当PWM信号为3.3V时，三极管发射极电压为3.3V-0.7V=2.6V，无法达到期望的5V。

如图（f）所示，这是一个失败的电路。首先，这个电路无法断开，当驱动信号PWM为3.3V高电平是，Ube=5V-3.3V = 1.7V 仍然可以使三极管导通，于是电路无法断开。在这里，有人会说用过这个电路，他没有问题，而且单片机的电压也是3.3V。笔者个人认为这个人用的是OD（开漏）驱动方式，而且是真正的ＯＤ或者是５Ｖ可以容忍的ＯＤ，比如ＳＴＭ３２的很多IO都可以设置为OD门驱动方式，输出高电平，信号就变成了高阻态，流过基极电流为0，三极管可以有效截止，这时候图（f）依然有效。

综上几种电路，得到上图两种最优电路。与图（1）不同，图（4）在基极和发射机之间增加了一个100KΩ的电阻，这个电阻有一定的作用，可以让三极管有一个已知的默认状态。当输入信号被除去的时候，三极管还处于截止状态。从安全性方面考虑，多加这个电阻还是很有必要的，或者说可以让三极管工作在更好的开关状态。

shisah

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