MOS管与三极管如何应用在推挽与开漏电路？

三极管

首先简要说明一下三极管（晶体管）的原理。三极管有三个端口，分别是基极（Base）、集电极（Collector）和发射极（Emitter）。

三极管是电流控制型元器件，注意关键词电流控制。意思就是说，只要基极B有输入或输出电流就可以对这个晶体管进行控制。

下面请允许我换一下概念，把上图的NPN型晶体管的基极B视为控制端，集电极C视为输入端，发射极E视为输出端。这里输入输出是指电流流动的方向，如下图为重新定义的示意图。

 

当NPN型晶体管的控制端有电流输入的时候，就会有电流从输入端进入并从输出端流出。

 

而PNP管正好相反，把PNP型晶体管的基极B视为控制端，集电极C视为输出端，发射极E视为输入端。当有电流从控制端流出时，就会有电流从输入端流到输出端。

 

如果在单片机系统出现三极管时，那么三极管大多数甚至几乎全部情况下都会处于开或者关状态。

三极管的用法特点，关键点在于 b 极（基极）和 e 级（发射极）之间的电压情况，对于PNP 而言，e 极电压只要高于 b 级 0.7V 以上，这个三极管 e 级和 c 级之间就可以顺利导通。

也就是说，控制端在 b 和 e 之间，被控制端是 e 和 c 之间。同理，NPN 型三极管的导通电压是 b 极比 e 极高 0.7V，总之是箭头的始端比末端高 0.7V 就可以导通三极管的 e 极和 c 极。这就是关于“导通电压顺箭头过，电压导通”的解释。

MOS管

MOS管的英文全称叫MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)，即金属氧化物半导体型场效应管，属于场效应管中的绝缘栅型。

因此，MOS管有时被称为绝缘栅场效应管。在一般电子电路中，MOS管通常被用于放大电路或开关电路。

 

首先简要说明一下MOS管的原理。MOS管有三个端口，分别是栅极（Gate）、源极（Source）和漏极（Drain）。

 

MOS管的栅极G和源极S之间是绝缘的，由于Sio2绝缘层的存在，在栅极G和源极S之间等效是一个电容存在，电压VGS产生电场从而导致源极-漏极电流的产生。

此时的栅极电压VGS决定了漏极电流的大小，控制栅极电压VGS的大小就可以控制漏极电流ID的大小。这就可以得出如下结论：

1）MOS管是由改变电压来控制电流的器件。

2）MOS管道输入特性为容性特性，输入阻抗极高。

 

MOS管导通特性是作为开关，相当于开关闭合。NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。

PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况（高端驱动）。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。

 

PMOS增强型管导通条件：uG-uS<0 , 且 |uG-uS|>|uGS(th)| ， uGS|th|是开启电压；

NMOS增强型管导通条件：uG-uS>0，且 |uG-uS|>|uGS(th)| ，uGS|th|是开启电压；

关于uGS|th|电压要查看对应MOS管的使用手册得知。例如PMOS的uGS|th|为-0.4V，NMOS的uGS|th|为4V。

 

推挽（push-pull）电路

 

推挽输出（Push–pull output）是使用一对选择性地从相连负载灌电流或者拉电流的器件的电路。它常常使用一对参数相同的功率三极管或MOSFET管，以推挽方式存在于电路中。

可以输出高，低电平，连接数字器件。两个三极管分别受两互补信号的控制，总是在一个三极管导通的时候另一个截止。高低电平由连接IC的输出控制端决定。

 

推挽电路两个参数相同的三极管或MOSFET各负责正负半周的波形放大任务，电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小、效率高。

输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。推拉式输出级既提高电路的负载能力，又提高开关速度。

 

上面的三极管Q3是NPN型三极管，下面的三极管Q4是PNP型三极管，请留意控制端、输入端和输出端。

当Vin电压为V+时，上面的NPN型三极管控制端有电流输入，Q3导通，于是电流从上往下通过，提供电流给负载。

经过上面的NPN型三极管提供电流给负载（Rload），Vout输出高电平，这就叫「推」。

 

当Vin电压为V-时，下面的PNP型三极管有电流流出，Q4导通，有电流从上往下流过。经过下面的P型三极管提供电流给负载（Rload），Vout输出低电平,这就叫「挽」。

 

开漏输出

开漏输出（Open-Drain）就是不输出电压，漏极开路电路概念中提到的“漏”是指 MOSFET的漏极。同理，集电极开路电路中的“集”就是指三极管的集电极。在数字电路中，分别简称OD门和OC门。

要理解开漏，可以先理解开集。开集的意思，就是集电极C一端什么都不接，直接作为输出端口。

从图中电路可以看出集电极开路是无法输出高电平的，输出端悬空时变为高阻态，这时电平状态未知（对于经典的51单片机的P0口而言，要想做输入输出功能必须加外部上拉电阻，否则无法输出高电平逻辑），如果要想输出高电平可以在输出端加上上拉电阻。

因此集电极开路输出可以用做电平转换，通过上拉电阻上拉至不同的电压，来实现不同的电平转换。

例如要用这种电路带一个负载，比如一个LED，必须接一个上拉电阻，就像这样。当Vin没有电流，Q5断开时，LED亮。当Vin流入电流，Q5导通时，LED灭。

 

 

开漏电路，就是把上图中的三极管换成场效应管（MOSFET）。

 

如前面所说，场效应管是电压控制型元器件，只要对栅极施加电压，DS就会导通。

结型场效应管有一个特性就是它的输入阻抗非常大，这意味着：没有电流从控制电路流出，也没有电流进入控制电路。没有电流流入或流出，就不会烧坏控制电路。

而双极型晶体管不同，是电流控制性元器件，如果使用开集电路，可能会烧坏控制电路。这大概就是我们总是听到开漏电路而很少听到开集电路的原因。因为开集电路很少用了。