电子工程师必备：主动元件的详细分类与应用实例
电子工程师必备：主动元件的详细分类与应用实例
主动元件（也称为有源元件）是在电子电路中能够提供增益（放大）、开关功能、信号处理或能量转换的电子元件。这些元件本身需要外部能源来工作，并且可以在电路中起到控制或调节的作用。本文将详细介绍晶体管、二极管、集成电路、光电器件、真空管和电源管理芯片等多个方面的知识。
1、晶体管
双极性晶体管 (BJT)
NPN 晶体管由三层半导体材料组成，中间为 P 型材料，两侧为 N 型材料。其电流通过基极的微小变化控制集电极与发射极之间的较大电流。适用于放大器、开关等。
PNP 晶体管与 NPN 相反，由三层半导体材料组成，中间为 N 型材料，两侧为 P 型材料。与 NPN 类似，但电流方向相反。同样用于放大器、开关等。
场效应晶体管 (FET)
结型场效应晶体管 (JFET)利用一个 PN 结来控制电流。通过改变栅极电压来控制源极和漏极之间的电流。高输入阻抗，适用于低噪声放大器。
绝缘栅型场效应晶体管 (MOSFET)栅极与半导体之间有一层绝缘层。栅极电压控制源极和漏极之间的导电通道。高输入阻抗、低功耗、高速度。也分增强型 MOSFET（栅极电压高于阈值电压时才能导通）和耗尽型 MOSFET（即使没有栅极电压也能导通，栅极电压可以调节导通程度）。
绝缘栅双极晶体管 (IGBT)
结合了 MOSFET 和 BJT 的优点。使用 MOSFET 控制 BJT 的工作状态。其特点具有高输入阻抗、高功率处理能力、低饱和电压。适用于电源转换、电机驱动等。
达林顿晶体管
是两个晶体管串联在一起。具有高增益、低速等特征。应用在放大电路、大电流驱动。
雪崩光电二极管 (APD)
虽然不是传统的晶体管，但因其具有放大功能，有时也被提及。利用雪崩效应放大光信号。一般被使用于光纤通信系统中的光接收器。
硅控整流器 (SCR)
由四层半导体材料构成。一旦导通，除非断开电源或电流降至维持电流以下，否则将持续导通。适用于交流电源控制、直流电源变换等。
2、二极管
普通二极管
最基本的二极管，具有单向导电性。一般应用于整流、保护电路。
整流二极管
用于将交流电转换为直流电，能够承受较大的电流。适用于电源电路中的整流桥、充电电路。
快恢复二极管
与标准整流二极管相比，具有更快的反向恢复时间，适合于高频开关应用。
肖特基二极管
特点是较低的正向压降，快速开关速度，适用于高频应用。
稳压二极管（齐纳二极管）
在反向击穿区提供稳定的电压，常用于电路中的稳压。
检波二极管
具有较高的检波效率和良好的频率特性。常用于无线电通信、雷达信号处理。
发光二极管 (LED)
其特点是当正向偏置时发光，可用于指示、显示屏或照明。
光电二极管
当光照射时会产生电流，即光生电流。一般被使用在光电传感器、光通信等。
变容二极管
其电容值随着反向电压的变化而变化。使用在频率调整、调谐电路。
PIN 二极管
具有较长的本征层，可以用来控制大电流和高速切换。一般被使用在射频开关、衰减器等。
隧道二极管 (Esaki 二极管)
利用量子隧穿效应工作，在某些电压范围内表现出负阻特性。应用在振荡器、放大器。
快恢复二极管 (FRD)
具有快速恢复时间，适用于高频开关应用。
开关二极管
用于脉冲数字电路中作为开关元件，具有快速的开关速度。一般使用在数字电路中的开关、脉冲整形。
真空二极管
是早期的二极管，使用真空管技术。已较少使用，历史上的无线电接收机等。
激光二极管
类似于 LED，但发射激光束。适用于激光打印机、光盘驱动器、激光指示器等。
红外二极管
其特点是发射或检测红外线。一般被使用在遥控器、红外通信等地方。
可控硅整流器
是一种四层半导体器件，可以通过触发信号控制导通状态。一般被使用于交流电源控制、电机驱动等。
双向触发二极管 (BID)
特点是双向触发特性，用于触发可控硅等。
高频二极管
被专门设计用于高频电路。
3、集成电路（ICs）
按功能分类
- 模拟集成电路：用于处理连续变化的模拟信号。应用于音频放大器、信号调理、电源管理等。
- 数字集成电路：处理离散的数字信号，常用于逻辑运算和数据处理。
- 混合信号集成电路：同时处理模拟和数字信号。
按应用领域分类
- 通用集成电路：适用于多种应用场景的标准集成电路。例如运算放大器、定时器、比较器等。
- 专用集成电路 (ASIC)：针对特定应用定制设计的集成电路。适用于加密处理器、网络处理器。
- 微处理器：具有中央处理单元（CPU）功能的集成电路。一般使用于计算机、嵌入式系统。
- 存储器集成电路：用于数据存储。例如静态随机存取存储器（SRAM）、动态随机存取存储器（DRAM）、闪存等。
- 射频集成电路 (RF ICs)：用于无线通信中的信号发送和接收。
- 电源管理集成电路 (PMIC)：用于电源转换和管理。例如稳压器、充电控制器等。
- 传感器集成电路：集成传感器功能。应用于温度传感器、压力传感器等。
- 显示驱动集成电路：用于控制显示器的工作。例如液晶显示器（LCD）、有机发光二极管（OLED）。
- 特定应用领域集成电路：针对特定应用领域设计。例如电视机、音响、影碟机、录像机、电脑等。
按制造技术分类
- 硅基集成电路：使用硅作为半导体材料。适用于大部分现代集成电路。
- 锗基集成电路：使用锗作为半导体材料。一般使用于早期集成电路技术。
- 化合物半导体集成电路：使用砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等化合物半导体。
- 碳基集成电路：使用碳纳米管或其他碳基材料。常见于实验阶段，未来可能的应用领域。
按集成度分类
- 小规模集成电路 (SSI)：集成度较低，一般包含几十个元器件。属于简单逻辑电路。
- 中规模集成电路 (MSI)：集成度中等，通常包含几百个元器件。例如计数器、寄存器等。
- 大规模集成电路 (LSI)：集成度较高，包含数千至数万个元器件。例如内存芯片、微处理器等。
- 超大规模集成电路 (VLSI)：集成度非常高，包含数百万至数十亿个元器件。例如高级微处理器、图形处理器等。
- 极大规模集成电路 (ULSI)：集成度极高，包含数十亿至数百亿个元器件。应用于最新的处理器和存储器技术。
4、光电器件
光电二极管
具有响应速度快、线性范围广、工作稳定等特点。适用于光通信、光电检测等领域。
光电晶体管
具有高增益、较高的响应速度和较小的噪声等特点。一般应用于光电检测、光电传感和光测量等。
光电阻
基于光敏材料的光电效应，简单、易用且成本低廉。一般被使用在光控开关、光敏灯和光度计等应用。
光电显示器件
能够将电能转化为光能并显示图像或信息，包括有机发光二极管 (OLED)、液晶显示器 (LCD) 和电子墨水屏幕等。
光电子倍增管
具有高灵敏度、低噪音、高增益等特点。
激光器
具有单色性好、方向性强、调制速度快等特点。适用于激光打印、激光切割、激光加工等领域。
光电管
利用光电效应将光信号转换为电信号。应用于早期的光电检测。
光电倍增管
具有高灵敏度、低噪音、高增益等特点。应用于高精度光电测量、弱光检测等领域。
光电池
将光能直接转换为电能。被使用在太阳能电池板、光电检测等。
光电耦合器件
用于电气隔离和信号传递。
光敏二极管
基于半导体材料制成，当受到光照时会在PN结区产生光电流。
光敏三极管
类似于普通晶体管，但光照射会改变其导电性能。
5、真空管
依据加热方式分类
直热式真空管
阴极直接通过灯丝加热，阴极特性易受灯丝温度影响。适用于早期的真空管设计，如一些简单的放大器和振荡器。
旁热式真空管
阴极通过一个侧面的灯丝加热，金属套筒有助于保持阴极温度稳定。适用于需要更高稳定性的电路，如高质量音频放大器。
依据结构和用途分类
真空二极管
最简单的真空管类型，仅包含阴极和阳极。
真空三极管
在二极管基础上增加了栅极，可以控制电子流。应用于放大器、振荡器。
真空四极管
在三极管基础上增加了一个控制极，提供了额外的控制功能。适用于更复杂的放大器、振荡器。
束射四极管
四极管的一种改进版，电子流被限制在一个狭窄的区域内。
真空五极管
在四极管基础上再增加一个屏极，用于改善放大性能。
复合管
包含多个独立的功能单元，如多个三极管或四极管组合。具有复杂的电路功能，如多级放大器。
其他类型
阴极射线管 (CRT)
一种特殊的真空管，用于显示图像。
磁控管
产生微波的真空管。应用于雷达系统、微波炉。
行输出变压器 (LOPT) 真空管
用于电视中的行扫描电路。被使用在早期的电视接收机。
特殊用途真空管
倍频管
用于产生较高频率的信号。
调制器管
用于调制信号。例如广播、雷达系统。
放大管
用于信号放大。如音频放大器、无线电接收机。
振荡管
用于产生稳定的振荡信号。应用于振荡器、时钟发生器。
容器结构分类
玻璃制真空管
最常见的类型，使用玻璃管封装。广泛应用于各种电子设备。
金属制真空管
用于需要更高耐用性和可靠性的场合。应用于军事装备、工业应用。
6、电源管理芯片
线性稳压器
结构简单，输出电压稳定，工作时噪声低。效率相对较低，尤其是在输入输出电压差较大时。适用于电池供电的小型电子设备，如手持设备、传感器等。
开关稳压器
效率高，尤其在大电压差时。可以实现升压、降压、反向等多种模式。工作时会产生一定的电磁干扰（EMI）。需要高效率电源转换的应用，如笔记本电脑适配器、服务器电源供应等。
DC-DC 转换器
包括降压（Buck）、升压（Boost）、升降压（Buck-Boost）、反相（Inverting）等。高效、紧凑。适用于各种需要电压变换的应用场景。
LED 驱动器
可以控制 LED 的电流或电压。提供恒定电流或电压输出。应用于LED 照明系统、显示屏背光。
电池充电管理芯片
支持多种充电算法，如涓流充电、恒流充电、恒压充电等。可以集成过充、过放、过热保护等功能。适用于便携式设备、电动汽车电池管理系统等。
燃料计量芯片
用于监测电池状态，包括剩余电量、健康状况等。提供准确的电池寿命预测。应用于智能手机、笔记本电脑等便携式设备。
电源监控芯片
监测电源系统的电压、电流、温度等参数。提供故障报告和诊断功能。适用于数据中心、服务器、工业控制系统等。
电源排序器
控制多个电源的开启顺序，以防止瞬态电压冲击。可以实现软启动和软关闭。应用于服务器、嵌入式系统等。
电源开关
控制电源通断。可以集成过载保护、短路保护等功能。适用于各种电子设备中的电源管理。
时序控制器
控制电源系统中各组件的启动和关闭顺序。
脉冲宽度调制控制器
用于控制开关稳压器的开关频率和占空比。实现高效的电源转换。应用于电源适配器、开关电源等。
多相控制器
支持多相供电，提高负载均衡能力。降低电源纹波，提高电源效率。
集成电源模块
将电源管理所需的各种组件集成到单个封装中。简化设计，提高可靠性。适用于空间受限的应用场景，如移动设备、可穿戴设备等。
热管理芯片
监测和控制设备的温度。可以集成过热保护功能。
磁共振充电芯片
支持无线充电标准，如 Qi 标准。可以实现接触式或非接触式的无线电力传输。
除了上述几种常见的主动元件外，还有一些其它的主动元件，例如可控硅整流器、继电器等。