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3.3 三極管在數字電路中的應用

三極管在數字電路和模擬電路中都有大量的應用，在Kingst51開發板上也用了多個三極管。在板子上的LED小燈部分，就有這個三極管的應用了，圖3-5的LED電路中的 Q16就是一個PNP型的三極管。

圖3-5 LED電路

3.3.1 三極管的初步認識

三極管是一種常用的控制和驅動器件，常用的三極管根據材料分有硅管和鍺管兩種，原理相同，壓降略有不同，硅管用的較普遍，而鍺管應用較少，本書采用硅管的參數來進行講解。三極管有2種類型，分別是PNP型和NPN型，如圖3-6所示。

圖3-6 三極管示意圖

三極管一共有3個極，從圖3-6來看，橫向左側的引腳叫做基極(base)，中間有一個箭頭，一頭連接基極，另外一頭連接的是發射極e(emitter)，剩下的一個引腳就是集電極c(collector)了。這是必須要記住的內容，死記硬背即可。

3.3.2 三極管的原理

三極管有截止、放大、飽和三種工作狀態。放大狀態主要應用于模擬電路中，且用法和計算方法也比較復雜暫時用不到。而數字電路主要使用的是三極管的開關特性，只用到了截止與飽和兩種狀態，所以重點講這兩種用法。三極管的類型和用法作者給大家總結了一句口訣：箭頭朝內PNP，導通電壓順箭頭過，電壓導通，電流控制。

解析一下這個口訣。如圖3-6所示，三極管有2種類型，箭頭朝內就是PNP，那箭頭朝外的自然就是NPN了，在實際應用中，要根據實際電路的需求來選擇到底用哪種類型。

三極管的用法特點，關鍵點在于b極（基極）和e級（發射極）之間的電壓情況，對于PNP而言，e極電壓只要高于b級0.7V以上，這個三極管e級和c級之間就可以順利導通。也就是說，控制端在b和e之間，被控制端是e和c之間。同理，NPN型三極管的導通電壓是b極比e極高0.7V，總之是箭頭的始端比末端高0.7V就可以讓三極管的e極和c極導通。這就是關于“導通電壓順箭頭過，電壓導通”的解釋。

圖3-7 三極管的用法

以圖3-7為例，三極管基極通過一個10kΩ的電阻接到了單片機的一個I/O口上，假定是P1.0，發射極接到5V的電源上，集電極接了一個LED小燈，并且串聯了一個1K的限流電阻最終接到了電源負極GND上。

如果P1.0由程序給一個高電平1，那么基極b和發射極e都是5V，也就是說e到b不會產生一個0.7V的壓降，這個時候，發射極和集電極也就不會導通，那么豎著看這個電路在三極管處是斷開的，沒有電流通過，LED2小燈也就不會亮。如果程序給P1.0一個低電平0，這時e極還是5V，于是e和b之間產生了壓差，三極管e和b之間也就導通了，三極管e和b之間大概有0.7V的壓降，那還有(5-0.7)V的電壓會在電阻R47上。這個時候，e和c之間也會導通了，那么LED小燈本身有2V的壓降，三極管本身e和c之間大概有0.2V的壓降，忽略不計。在R41上就會有大概3V的壓降，可以計算出來，這條支路的電流大概是3mA，可以成功點亮LED。

電流控制是什么意思呢？前邊講過，三極管有截止、放大以及飽和三個狀態。截止，就是e和b之間不導通。而要讓這個三極管處于飽和狀態，就是所謂的開關特性，必須要滿足一個條件。三極管都有一個放大倍數β，要想處于飽和狀態，b極電流就必須大于e和c之間電流值除以β。這個β，對于常用的三極管大概可以認為是100。那么圖3-7中的R47的阻值必須要來計算一下了。

剛才算過了，e和c之間的電流是3mA，那么b極電流最小就是3mA除以100等于30uA，大概有4.3V電壓會落在基極電阻上，基極電阻最大值就是4.3V/30uA = 143K。電阻值只要比這個值小就可以，當然也不能太小，太小會導致單片機的I/O口電流過大燒壞三極管或者單片機，STC89C52的I/O口輸入電流最大理論值是25mA，推薦不要超過6mA，用電壓和電流算一下，就可以算出來最小電阻值，圖3-7取的是經驗值。

3.3.3 三極管的應用

三極管在數字電路里的開關特性，最常見的應用有2個：一個是控制應用，一個是驅動應用。所謂的控制就是如圖3-7里邊介紹的，可以通過單片機控制三極管的基極來間接控制后邊的小燈的亮滅。還有一個控制就是進行不同電壓之間的轉換控制，比如Kingst51單片機是5V系統，現在要跟一個12V的系統對接，如果I/O直接接12V電壓就會燒壞單片機，所以加一個三極管，三極管的工作電壓高于單片機的I/O口電壓，用5V的I/O口來控制12V的電路，如圖3-8所示。

圖3-8 三極管實現電壓轉換

圖3-8中，當I/O口輸出高電平5V時，三極管導通，OUT輸出低電平0V，當I/O口輸出低電平時，三極管截止，OUT則由于上拉電阻R2的作用而輸出12V的高電平，這樣就實現了低電壓控制高電壓的工作原理。

所謂的驅動，主要是指電流輸出能力。如圖3-9中兩個電路之間的對比。

圖3-9 LED小燈控制方式對比

圖3-9中上邊的的LED燈，和第二課講過的LED燈是一樣的，當I/O口是高電平時，小燈熄滅，當I/O口是低電平時，小燈點亮。那么下邊的電路呢，按照這種推理，I/O口是高電平的時候，應該有電流流過并且點亮小燈，但實際上卻并非這么簡單。

單片機主要是個控制器件，具備四兩撥千斤的特點。就如同杠桿必須有一個支點一樣，想要撐起整個地球必須有力量承受的支點。單片機的I/O口可以輸出一個高電平，但是它的輸出電流卻很有限，普通I/O口輸出高電平的時候，大概只有幾十到幾百uA的電流，達不到1mA，也就點不亮這個LED小燈或者是亮度很低，這個時候如果想用高電平點亮LED，就可以用上三極管來處理了，板上的這種三極管型號，可以通過500mA的電流，有的三極管通過的電流還更大一些，如圖3-10所示。

圖3-10 三極管驅動LED小燈

圖3-10中，當I/O口是高電平，三極管導通，因為三極管的電流放大作用，c極電流就可以達到mA以上了，就可以成功點亮LED小燈。

3.4 74HC138三八譯碼器的應用

在設計單片機電路的時候，單片機的I/O口數量是有限的，有時滿足不了產品需求，比如STC89C52一共有32個I/O口，但是為了控制更多的器件，就可以使用一些外圍的數字芯片，這類數字芯片由簡單的輸入邏輯來控制輸出邏輯，比如74HC138這個三八譯碼器，圖3-11是74HC138在Kingst51開發板上的一個應用。

圖3-11 74HC138應用原理圖

從名字來分析，三八譯碼器就是把3種輸入狀態翻譯成8種輸出狀態。從圖3-11能看出，74HC138的1～6一共是6個輸入引腳，但是其中4、5、6這三個引腳是使能引腳。這三個引腳如果不符合芯片規定的輸入要求，不管輸入的1、2、3引腳是什么電平狀態，7到15引腳總是輸出高電平。所以根據器件使用手冊說明，要想讓74HC138正常工作，ENLED接的4腳和5腳必須輸入低電平，ADDR3接的6腳必須輸入高電平，這兩個位置都是使能控制端口。不知道是否記得前邊點亮LED程序有這么兩條控制74HC138使能的語句：

ENLED = 0；ADDR3 = 1；

這類邏輯芯片，大多都是有使能引腳的，使能符合要求的前提下，就可以研究控制邏輯了。對于數字器件的引腳，如果一個引腳輸入的時候，有0和1兩種狀態；對于兩個引腳輸入的時候，就會有00、01、10、11這四種狀態了，那么對于3個輸入的時候，就會出現8種狀態了，大家可以看下邊的這個真值表——圖3-12，其中輸入是A2、A1、A0的順序，輸出是從Y7、Y6……Y0的順序。

圖3-12 74HC138真值表

從圖3-12可以看出，任一輸入狀態下，只有一個輸出引腳是低電平，其他的引腳都是高電平。在前面的電路中已經看到，8個LED小燈的總開關三極管Q16基極的控制端是LEDS6，也就是Y6輸出一個低電平的時候，可以開通三極管Q16，從右側的希望LEDS5輸出低電平這樣的結果，可以推導出左側輸入端A2、A1、A0的輸入狀態應該是110，如圖3-13。