深入探讨三极管的三种工作状态

深入探讨三极管的三种工作状态三极管有放大、饱和、截止三种工作状态。放大电路中的三极管是否处于放大状态或处于何种工作状态，是一个难点。只要深刻理解三极管三种工作状态的特点，分析电路中三极管处于何种工作状态就会容易得多，下面结合例题来进行分析。一、三种工作状态的特点1.三极管饱和状态下的特点要使三极管处于饱和状态，必须基极电流足够大，即IB≥IBS。三极管在饱和时，集电极与发射极间的饱和电压（UCES）很小，根据三极管输出电压与输出电流关系式UCE＝EC－ICRC，所以IBS＝ICS/β＝EC－UCES/βRC≈EC/βRC。三极管饱和时，基极电流很大，对硅管来说，发射结的饱和压降UBES＝0.7V（锗管UBES＝－0.3V），而UCES＝0.3V，可见，UBE＞0，UBC＞0，也就是说，发射结和集电结均为正偏。三极管饱和后，C、E间的饱和电阻RCE＝UCES/ICS，UCES很小，ICS最大，故饱和电阻RCES很小。所以说三极管饱和后G、E间视为短路，饱和状态的NPN型三极管等效电路如图1a所示。2.三极管截止状态下的特点要使三极管处于截止状态，必须基极电流IB＝0，此时集电极IC＝ICEO≈0（ICEO为穿透电流，极小），根据三极管输出电压与输出电流关系式UCE＝EC－ICRC，集电极与发射极间的电压UCE≈EC。三极管截止时，基极电流IB＝0，而集电极与发射极间的电压UCE≈ECO可见，UBE≤0，UBC＜0，也就是说，发射结和集电结均为反偏。三极管截止后，C、E间的截止电阻RCE＝UCE/IC，UCES很大，等于电源电压，ICS极小，C、E间电阻RCE很大，所以，三极管截止后C、E间视为开路，截止状态的NPN型三极管等效电路如图1b。3.三极管放大状态下的特点要使三极管处于放大状态，基极电流必须为：0＜IB＜IBS。三极管放大时，基极电流IB＞0，对硅管来说，发射结的压降UBE＝0.7V（锗管UBE＝－0.3V），三极管在放大状态时，集电极与发射极间的电压UCE＞1V以上，UBE＞0，UBC＜0，也就是说，发射结正偏，集电结反偏。三极管在放大状态时，IB与IC成唯一对应关系。当IB增大时，IC也增大，并且IB增大一倍，IC也增大一倍。所以，IC主要受IB控制而变化，且IC的变化比IB的变化大得多，即集电极电流IC＝β×IB。三极管三种工作状态的特点如附表所示。工作状态截止放大饱和条件IB=00IBICS/βIBIBS=ICS/β偏置情况均反偏发射结正偏，集电极反偏均正偏集电极电流IC=0Ic=β×IBIC=ICS=EC/RcCE间管压降UCEO=ECUCE=EC-IC*RCUCES=0.3V（硅管）工作特点CE间等效电阻很大，约为数百千欧，相当于开关断开可变很小，约为数百欧，相当于开关闭合综上：NPN型三极管三种工作状态工作状态UBEUBCUCE和UBE的关系三极电流关系饱和状态正偏UBE0正偏UBC0UCEUBEIB=（Ui-Ubss）/Ri＋（Ec－Ubss）/RbbNPNecbUceseebUcesUcesbce（a）饱和状态NPN管的等效电路（b）截止状态NPN管的等效电路临界饱和状态正偏UBE0临界UBC=0UCE=UBEIBS=(EC-UCES)/ΒRC放大状态正偏UBE0反偏UBC0UCEUBEIc=β×IBIE=(1+β)×IB临界截止状态临界UBE=0反偏UBC0UCEUBE截止状态反偏UBE0反偏UBC0UCEUBEIB=0;Ic=0;IE=0PNP型三极管三种工作状态工作状态UBEUBCUCE和UBE的关系三极电流关系饱和状态正偏UBE0正偏UBC0UCEUBE临界饱和状态正偏UBE0临界UBC=0UCE=UBE放大状态正偏UBE0反偏UBC0UCEUBEIc=β×IBIE=(1+β)×IB临界截止状态临界UBE=0反偏UBC0UCEUBE截止状态反偏UBE0反偏UBC0UCEUBEIB=0;Ic=0;IE=0二、确定电路中三极管的工作状态（1）利用三极管三种工作状态的特点和等效电路来分析实际电路中三极管的工作状态。例题：图2所示放大电路中，已知EC＝12V，β＝50，Ri＝1kΩ，Rb＝220kΩ，Rc＝2kΩ，其中Ri为输入耦合电容在该位置的等效阻抗。问：1.当输入信号最大值为＋730mV，最小值为－730mV时，能否经该电路顺利放大？2.当β＝150时，该电路能否起到正常放大作用？分析：当向三极管的基极输入正极性信号时，其基极电流会增大，容易进入饱和状态；当向三极管的基极输入负极性信号时，其基极电流会减小，容易进入截止状态。因此，解决输入信号送入放大电路能否顺利放大，主要是检查最大值（一般为正极性）的输入信号、最小值（一般为负极性）的输入信号是否引起放大电路中三极管进入了饱和状态、截止状态，如果两种输入信号都没有使三极管进入饱和、截止状态，那么该范围的输入信号送入放大电路后能被顺利放大。如果两种输入信号使三极管进入饱和或截止状态，则不能顺利放大，会引起信号饱和失真或截止失真。解1：（1）当最大值信号（Ui＝＋730mV）输入时，假设会引起放大电路的三极管进入饱和状态，IB＝I1＋I2，利用戴维南定律，IB＝（Ui－Ubss）/Ri＋（Ec－Ubss）/Rb。在饱和状态下的三极管Ubss＝0.7V，所以，三极管基极电流IB＝（0.73－0.7）/1000＋（12－0.7）/220000＝30μ4＋51.4μA＝81.4μA，而三极管基极临界饱和电流IBS＝ICS/β＝（EC－UCES）/β×RC，根据饱和状态下的三极管UCES＝0.3V，所以，IBS＝（12－0.3）/（50×2000）＝117μA。根据以上计算可知：IB＜IBS；根据三极管饱和状态的条件IB≥IBS，可知假设不成立，即当最大值输入信号（Ui＝＋730mV）输入时，放大电路的三极管仍处于放大状态。（2）当最小值输入信号（Ui＝－730mV）输入时，假设会引起放大电路的三极管进入截止状态，则I2RiRbRcIiiBICSuCeSuCeSuiEcEc图2等效电路如图4所示。－Ec＋IRc＋IRi＋Ui＝0，所以，I＝（Ec－Ui）/（Rc＋Ri）＝［12－（－0.73）］/（1000＋220000）＝58μA，Uba＝－IRb＋Ec＝－58μA×220000＋12V＝－0.76V。可知：Ube＜0，根据三极管截止状态的条件UBE≤0，假设成立，即当最小值输入信号（Ui＝－730mV）输入时，放大电路的三极管处于截止状态。综上所述，当最大值为730mV，最小值为－730mV的输入信号输入时，该放大电路不能顺利放大。解2：当β＝150时，三极管基极临界饱和电流IBS＝ICS/β＝（EC－UCES）/βRC＝（12－0.3）/（150×2000）＝39μA，而三极管的基极电流IB＝（EC－UBEQ）/Rb＝（12－0.7）/220000＝51μA。根据以上计算可知：IB＞IBS，根据三极管饱和状态的条件IB≥IBS，可知，电路中的三极管处于饱和状态，即该电路不能起到正常放大作用。（2）根据三极管发射结和集电结偏置情况，可以判别其工作状态：对于NPN三极管，当Ube≤0时，三极管发射结处于反偏工作，则Ib≈0，三极管工作在截止区；当晶体三极管发射结处于正偏而集电结处于反偏工作时，三极管工作在放大区，Ic随Ib近似作线性变化；当发射结和集电结均处于正偏状态时，三极管工作在饱和区，Ic基本上不随Ib而变化，失去了放大功能。截止区和饱和区是三极管工作在开关状态的区域。那么各种状态UbeUbcUce有没有个固定的电压值呢？不同的材料，PN结的势垒电压不一样，锗管约0.3V，硅管约0.7V，不同的制造工艺，不同的型号也有少量差别，但是基本是这个量级。要知道准确值，必须查看输入特性曲线（类似于二极管正向特性曲线）。三极管是电流放大器件，有三个极，分别叫做集电极C，基极B，发射极E。分成NPN和PNP两种。我们仅以NPN三极管的共发射极放大电路为例来说明一下三极管放大电路的基本原理。下面的分析仅对于NPN型硅三极管。如上图所示，我们把从基极B流至发射极E的电流叫做基极电流Ib；把从集电极C流至发射极E的电流叫做集电极电流Ic。这两个电流的方向都是流出发射极的，所以发射极E上就用了一个箭头来表示电流的方向。三极管的放大作用就是：集电极电流受基极电流的控制（假设电源能够提供给集电极足够大的电流的话），并且基极电流很小的变化，会引起集电极电流很大的变化，且变化满足一定的比例关系：集电极电流的变化量是基极电流变化量的β倍，即电流变化被放大了β倍，所以我们把β叫做三极管的放大倍数（β一般远大于1，例如几十，几百）。如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射极之间，这就会引起基极电流Ib的变化，Ib的变化被放大后，导致了Ic很大的变化。如果集电极电流Ic是流过一个电阻R的，那么根据电压计算公式U=R*I可以算得，这电阻上电压就会发生很大的变化。我们将这个电阻上的电压取出来，就得到了放大后的电压信号了。三极管在实际的放大电路中使用时，还需要加合适的偏置电路。这有几个原因。首先是由于三极管BE结的非线性（相当于一个二极管），基极电流必须在输入电压大到一定程度后才能产生（对于硅管，常取0.7V）。当基极与发射极之间的电压小于0.7V时，基极电流就可以认为是0。但实际中要放大的信号往往远比0.7V要小，如果不加偏置的话，这么小的信号就不足以引起基极电流的改变（因为小于0.7V时，基极电流都是0）。如果我们事先在三极管的基极上加上一个合适的电流（叫做偏置电流，上图中那个电阻Rb就是用来提供这个电流的，所以它被叫做基极偏置电阻），那么当一个小信号跟这个偏置电流叠加在一起时，小信号就会导致基极电流的变化，而基极电流的变化，就会被放大并在集电极上输出。另一个原因就是输出信号范围的要求，如果没有加偏置，那么只有对那些增加的信号放大，而对减小的信号无效（因RiRbRcI2IUiEcEcbc图3为没有偏置时集电极电流为0，不能再减小了）。而加上偏置，事先让集电极有一定的电流，当输入的基极电流变小时，集电极电流就可以减小；当输入的基极电流增大时，集电极电流就增大。这样减小的信号和增大的信号都可以被放大了。三极管的饱和情况。像图4，因为受到电阻Rc的限制（Rc是固定值，那么最大电流为U/Rc，其中U为电源电压），集电极电流是不能无限增加下去的。当基极电流的增大，不能使集电极电流继续增大时，三极管就进入了饱和状态。一般判断三极管是否饱和的准则是：Ib*β〉Ic。进入饱和状态之后，三极管的集电极跟发射极之间的电压将很小，可以理解为一个开关闭合了。这样我们就可以拿三极管来当作开关使用：当基极电流为0时，三极管集电极电流为0（这叫做三极管截止），相当于开关断开；当基极电流很大，以至于三极管饱和时，相当于开关闭合。如果三极管主要工作在截止和饱和状态，那么这样的三极管我们一般把它叫做开关管。如果我们在图4中，将电阻Rc换成一个灯泡，那么当基极电流为0时，集电极电流为0，灯泡灭。如果基极电流比较大时（大于流过灯泡的电流除以三极管的放大倍数β），三极管就饱和，相当于开关闭合，灯泡就亮了。由于控制电流只需要比灯泡电流的β分之一大一点就行了，所以就可以用一个小电流来控制一个大电流的通断。如果基极电流从0慢慢增加，那么灯泡的亮度也会随着增加（在三极管未饱和之前）。对于PNP型三极管，分析方法类似，不同的地方就是电流方向跟NPN的刚好相反，因此发射极上面那个箭头方向也反了过来——变成朝里的了。三极管有放大、饱和、截止三种工作状态，放大电路中的三极管是否处于放大状态或处于何种工作状态，对于学生是一个难点。笔者在长期的教学实践中发现，只要深刻理解三极管三种工作状态的特点，分析电路中三极管处于何种工作状态就会容易得多。RbRc输出基极B集电极C发射极E图4,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,