低边和高边晶体管电路的工作原理

为什么存在这两种方式，它们的工作原理，以及何时使用它们？

电路中，晶体管常常被用来当做开关使用。晶体管用作开关时有两种不同的接线方式：高边（high side）和低边(low side)。高边和低边是由晶体管在电路中的位置决定的。晶体管可以是双极性晶体管（BJT）或者场效应管（MOSFET）。

1. 低边晶体管电路

低边开关，晶体管接地，也就是说晶体管在负载和地之间。由于晶体管正在开关接地线路或位于负载的低电压端，因此称为低边开关。

通常使用 NPN 型三极管或者 N 沟道场效应管。

对于 NPN 三极管来说，发射极接地，集电极连接到负载。作为开关，三极管工作在饱和状态。饱和意味着有足够的基极电流来完全开启三极管。

对于 N 沟道场管来说，源极接地，漏极连接到负载的负侧。虽然您可以在该电路中使用结型场效应管（JFET），但增强型场管效果更好。注意：场管有一个下拉电阻。

2. 高边晶体管电路

与低边开关相对的是高边开关。晶体管连接在电源正极和负载高电压端之间。在 Arduino 或 Raspberry Pi 电路中使用这些晶体管可能会有些困难。

通常使用 PNP 型三极管或者 P 沟道场效应管。

对于 PNP 型三极管来说，发射极连接到电压正极，而集电极连接到负载。对比上面的低边三极管开关电路，PNP 的发射极和集电极正好是与之颠倒的。就像 NPN 三极管一样，PNP 三极管需要在饱和区工作才能完全导通晶体管。

对于 P 沟道场管来说，源极连接到电压正极，漏极连接负载。与低边开关一样，您可能希望使用增强型场效应管。注意：场管有一个上拉电阻。

当被控信号（负载电路）的电压电压和控制信号电压相同时，如果使用 P 型晶体管，上面的电路可以正常工作。值得注意的是 P 管是个反管，也就是说，输入高电平时，电路不导通，输入低电平时导通。

当被控信号的电压高于控制信号电压时，你需要使用晶体管驱动。下面，让我们看看用晶体管驱动另一个晶体管。

3. 晶体管驱动另一个晶体管

晶体管驱动电路是指用来驱动另一个晶体管的电路。晶体管驱动电路被用在当驱动信号电压（或电流）和被控晶体管电压不同的情况。下面是需要晶体管驱动的两种情况。

大电流场管具有相当大的栅源极阈值电压（Vgs）。虽然来自 Arduino GPIO 引脚的 5 伏电压可能足以打开晶体管，但不足以使其进入饱和状态。在场管饱和之前，其导通电阻可能相对较高，从而限制了它可以处理的最大电流。

当被控电压高于控制信号电压时，用 NPN 三极管驱动 PNP 三极管 或 P 沟道场管是很常见的。如果没有驱动电路，晶体管可能永远不会关断。

4. 高边晶体管为什么会存在

对于开关来说，使用低边开关简单易用，易于理解。而且，对于双极型（BJT）晶体管和场管来说，P 管通常比 N 管具有更大的电阻值（或更低的电流输出能力）。既然如此，它们为什么存在呢？

低边开关电路切换的是对地的导通，高边开关电路切换的是对电源的导通。有时候，你想保持接地并且控制对电源的导通与否。还有一个原因就是，即使晶体管完全导通，其两端仍然存在一个很小的压降。这意味着，被控制器件的接地不是完全接地的 0 伏电压。对于像 LED 这样的器件，切换电源或是地并不重要。但是，对于像 MCU 这样的的有源设备需要良好的接地！这种情形需要用到高边管。还有一种情况就是开关电源中，需要控制对待转换电源的通断，也需要高边管。还有一些其他的情况，我们不一一赘述。

总体来说，如果你要打开或关闭器件，低边开关是一个简单的解决方案。但是，如果你要控制的是整个电路或电压敏感设备的供电，则需要使用高边开关。

顺便说一下，有一种现成的芯片称为“负载开关（Load Switch）”。这些芯片具有 P 沟道 MOSFET 作为开关晶体管，并带有用于该 P 沟道的内置驱动器。这种类型的器件不需要外部驱动电路。