三極管工作狀態分析論文
時間：2022-01-27 05:27:00
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1三種工作狀態的特點
1.1三極管飽和狀態下的特點
要使三極管處于飽和狀態，必須基極電流足夠大，即Is≥IBs。三極管在飽和時，集電極與發射極間的飽和電壓(Uces)很小，根據三極管輸出電壓與輸出電流關系式
三極管飽和時，基極電流很大，對硅管來說，發射結的飽和壓降UBEC=0.7V(鍺管UBEC=-0.3V)，而UCES=0見，UBE>0,UBC>0,也就是說，發射結和集電結均為正偏。
三極管飽和后，C、E間的飽和電阻RcEs=UcEs／Ics，UcEs很小，Ics最大，故飽和電阻RcEs很小。所以說三極管飽和后C、E問視為短路，飽和狀態的NPN型三極管等效電路如圖1所示。
1.2三極管截止狀態下的特點
要使三極管處于截止狀態，必須基極電流IS=0,此時集電極IC=ICEO≈0(ICEO穿透電流，極小)，根據三極管輸出電壓與輸出電流關系式UCE=EC-ICRC,集電極與發射極間的電壓UCE≈EC。
三極管截止時，基極電流IB=0，而集電極與發射極間的電壓UCE≈Ec。可見，UBE0,UBC<0,也就是說，發射結和集電結均為反偏。
三極管截止后，C、E間的截止電阻Rce＝UcE／Ic，UcEs很大，等于電源電壓，Ics極小，C、E間電阻RcE很大，所以，三極管截止后C、E間視為開路，截止狀態的NPN型三極管等效電路如圖1b。
1.3三極管放大狀態下的特點
要使三極管處于放大狀態，基極電流必須為：0UBE=0.7V(緒管)UBE=-0.3V,三極管在放大狀態時，集電極與發射極間的電壓UCE>1以上，UBE>0,UBC<0,也就是說，發射結正偏，集電結反偏。
三極管在放大狀態時，IB與Ic成唯一對應關系。當IB增大時，Ic也增大，并且IB增大一倍，Ic也增大一倍。所以，Ic主要受IB控制而變化，且Ic的變化比IB的變化大得多，即集電極電流Ic=β×IB。
2確定電路中三極管的工作狀態
（1）利用三極管三種工作狀態的特點和等效電路來分析實際電路中三極管的工作狀態。
例題：圖2所示放大電路中，已知EC=12V,β=50,R1=1kΩ,Rb=220kΩ,Rc=2KΩ，其中R．為輸入耦合電容在該位置的等效阻抗。問：①當輸入信號最大值為＋730mV，最小值為－730mV時，能否經該電路順利放大?②當β=150時，該電路能否起到正常放大作用?
分析：當向三極管的基極輸入正極性信號時，其基極電流會增大，容易進入飽和狀態：當向三極管的基極輸入負極性信號時，其基極電流會減小，容易進入截止狀態。因此，解決輸入信號送入放大電路能否順利放大，主要是檢查最大值(一般為正極性)的輸入信號、最小值(一般為負極性)的輸入信號是否引起放大電路中三極管進入了飽和狀態、截止狀態，如果兩種輸入信號都沒有使三極管進入飽和、截止狀態，那么該范圍的輸入信號送入放大電路后能被順利放大。如果兩種輸入信號使三極管進入飽和或截止狀態，則不能順利放大，會引起信號飽和失真或截止失真。
解1：
①當最大值信號(Ui＝＋730mV)輸入時，假設會引起放大電路的三極管進入飽和狀態，則等效電路如圖2所示。
根據以上計算可知：IB②當最小值輸入信號(Ui=－730mV)輸入時。假設會引起放大電路的三極管進入截止狀態，則等效電路如圖3所示。
根據KVL定律（繞行方向、參考電流方向如圖3），-EC+IRC+IRi+UIi=0，所以，I=(EC-Ui)/（RC+Ri）=［12-（-0.73）/］(1000+220000)-58μA,Uce=IRC+EC-58μA×220000+12V=-0.76V
可知：Ube<0，根據三極管截止狀態的條件UBE≤0，假設成立，即當最小值輸入信號(Ui=－730mV)輸入時，放大電路的三極管處于截止狀態。綜上所述，當最大值為730mV，最小值為－730mV的輸入信號輸入時，該放大電路不能順利放大。
根據以上計算可知：IB>IBs，根據三極管飽和狀態的條件IB≥IBs，可知，電路中的三極管處于飽和狀態，即該電路不能起到正常放大作用。
（2）根據三極管發射結和集電結偏置情況，可以判別其工作狀態：
對于NPN三極管，當Ube≤0時，三極管發射結處于反偏工作，則Ib≈0，三極管工作在截止區；
當晶體三極管發射結處于正偏而集電結處于反偏工作時，三極管工作在放大區，Ic隨Ib近似作線性變化；
當發射結和集電結均處于正偏狀態時，三極管工作在飽和區，Ic基本上不隨Ib而變化，失去了放大功能。
截止區和飽和區是三極管工作在開關狀態的區域。
那么各種狀態UbeUbcUce有沒有個固定的電壓值呢？
不同的材料，PN結的勢壘電壓不一樣，鍺管約0.3V，硅管約0.7V，不同的制造工藝，不同的型號也有少量差別，但是基本是這個量級。要知道準確值，必須查看輸入特性曲線（類似于二極管正向特性曲線）。
三極管是電流放大器件，有三個極，分別叫做集電極C，基極B，發射極E。分成NPN和PNP兩種。我們僅以NPN三極管的共發射極放大電路為例來說明一下三極管放大電路的基本原理。
下面的分析僅對于NPN型硅三極管。如上圖所示，我們把從基極B流至發射極E的電流叫做基極電流Ib；把從集電極C流至發射極E的電流叫做集電極電流Ic。這兩個電流的方向都是流出發射極的，所以發射極E上就用了一個箭頭來表示電流的方向。三極管的放大作用就是：集電極電流受基極電流的控制（假設電源能夠提供給集電極足夠大的電流的話），并且基極電流很小的變化，會引起集電極電流很大的變化，且變化滿足一定的比例關系：集電極電流的變化量是基極電流變化量的β倍，即電流變化被放大了β倍，所以我們把β叫做三極管的放大倍數（β一般遠大于1，例如幾十，幾百）。如果我們將一個變化的小信號加到基極跟發射極之間，這就會引起基極電流Ib的變化，Ib的變化被放大后，導致了Ic很大的變化。如果集電極電流Ic是流過一個電阻R的，那么根據電壓計算公式U=R*I可以算得，這電阻上電壓就會發生很大的變化。我們將這個電阻上的電壓取出來，就得到了放大后的電壓信號了。
三極管在實際的放大電路中使用時，還需要加合適的偏置電路。這有幾個原因。首先是由于三極管BE結的非線性（相當于一個二極管），基極電流必須在輸入電壓大到一定程度后才能產生（對于硅管，常取0.7V）。當基極與發射極之間的電壓小于0.7V時，基極電流就可以認為是0。但實際中要放大的信號往往遠比0.7V要小，如果不加偏置的話，這么小的信號就不足以引起基極電流的改變（因為小于0.7V時，基極電流都是0）。如果我們事先在三極管的基極上加上一個合適的電流（叫做偏置電流，上圖中那個電阻Rb就是用來提供這個電流的，所以它被叫做基極偏置電阻），那么當一個小信號跟這個偏置電流疊加在一起時，小信號就會導致基極電流的變化，而基極電流的變化，就會被放大并在集電極上輸出。另一個原因就是輸出信號范圍的要求，如果沒有加偏置，那么只有對那些增加的信號放大，而對減小的信號無效（因為沒有偏置時集電極電流為0，不能再減小了）。而加上偏置，事先讓集電極有一定的電流，當輸入的基極電流變小時，集電極電流就可以減小；當輸入的基極電流增大時，集電極電流就增大。這樣減小的信號和增大的信號都可以被放大了。
三極管的飽和情況。像圖4，因為受到電阻Rc的限制（Rc是固定值，那么最大電流為U/Rc，其中U為電源電壓），集電極電流是不能無限增加下去的。當基極電流的增大，不能使集電極電流繼續增大時，三極管就進入了飽和狀態。一般判斷三極管是否飽和的準則是：Ib*β〉Ic。進入飽和狀態之后，三極管的集電極跟發射極之間的電壓將很小，可以理解為一個開關閉合了。這樣我們就可以拿三極管來當作開關使用：當基極電流為0時，三極管集電極電流為0（這叫做三極管截止），相當于開關斷開；當基極電流很大，以至于三極管飽和時，相當于開關閉合。如果三極管主要工作在截止和飽和狀態，那么這樣的三極管我們一般把它叫做開關管。
如果我們在圖4中，將電阻Rc換成一個燈泡，那么當基極電流為0時，集電極電流為0，燈泡滅。如果基極電流比較大時（大于流過燈泡的電流除以三極管的放大倍數β），三極管就飽和，相當于開關閉合，燈泡就亮了。由于控制電流只需要比燈泡電流的β分之一大一點就行了，所以就可以用一個小電流來控制一個大電流的通斷。如果基極電流從0慢慢增加，那么燈泡的亮度也會隨著增加（在三極管未飽和之前）。
對于PNP型三極管，分析方法類似，不同的地方就是電流方向跟NPN的剛好相反，因此發射極上面那個箭頭方向也反了過來——變成朝里的了。三極管有放大、飽和、截止三種工作狀態，放大電路中的三極管是否處于放大狀態或處于何種工作狀態，對于學生是一個難點。筆者在長期的教學實踐中發現，只要深刻理解三極管三種工作狀態的特點，分析電路中三極管處于何種工作狀態就會容易得多。
摘要：對三極管放大作用的理解，切記一點：能量不會無緣無故的產生，所以，三極管一定不會產生能量。三極管是一個電流控制元件：它可以通過小電流控制大電流。根據其電流的大小可以判定不同的工作狀態。
關鍵詞：三極管；電流控制；工作狀態
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