电路之基——洞察三极管的工作机理.doc

电路之基洞察三极管的工作机理 就如同拿着一个魔方，外观简单整洁，而自己拿在手里却像将一个迷宫带入自己的脑海一样，胡乱拨弄，不知所措。对于我们大多数本科生来讲，三极管就不幸的扮演了这个角色。 是啊，这个简单的问题，又怎能成为我们这些雄心勃勃的天之骄子奋斗路上的一颗绊脚石呢？但我们不得不静下心来，仔细思忖那些关于三极管的讲解或者是自己对于三极管这个电路中最普遍最基础的元件的初始的、简单的、淳朴的、真实的了解。不错的，三极管，它怎样工作？你怎么想？ 像测控技术与仪器一类专业的学生，他们一定在学校学习了相应的模电课程。但是，在表面上获得了足够的或者是全额的电路学分后，相应的能力是否也收获了呢？这是一个值得怀疑的问题。今天我们以一个小学生一样的淳朴的学习心态再来讨论三极管的工作机理时，我相信你会有收获，并且以后可以做到洞察三极管工作机理般的娴熟。而在这之前，你在阅读电路时是不是充斥着一种逃避的态度，虽然你也下意识的知道缺少了三极管已经不可能产生一个成熟的电路了。 对于做pcb的人来说，三极管的封装形式一定是一个萦绕心头的重要命题，然而我们今天讨论的更多的是关于三极管工作原理的问题，因此，一旦涉及到封装方面的难题时，详尽的查阅资料是不可避免的了。 Cc_44 ) 为了我们理解的形象化，我们拿出一个具体的三极管型号来作为研究对象来详加讨论。2N5550是一个经典的NPN型硅晶体三极管，我们选取的是安森美半导体公司的产品。ON 2N5550是也。 三极管的工作机理本质上就是通过be之间的电流来控制ce之间的电流。所以b极叫基极也叫控制极。本科生们关于三极管的一个粗糙的印象是三极管有放大作用，至于放大什么东西，可能有相当一部分人也含糊不清。我们这里说的放大，当然是指be间的电流来控制gemfield倍于它的流经ce之间的电流，这个gemfield，通常是100左右。形象的说，Ic就是将Ib放大100倍所得的电流。 三极管的工作有三种状态，即截止状态、线性放大状态、饱和状态。其实我本人是非常不喜欢这三个名字的。只是另起炉灶的话，会浪费更多的精力，也就罢了。不过深刻了解了这三种工作状态，以后便可以真正做到胸有成竹，从而看透电路中万变不离其宗的三级管用法。 那就先说截止状态吧。在描述三极管工作条件时，经常会蹦出正偏或者反偏这类词语，比如集电结反偏。这些词语也是令我很讨厌的一类词语，仿佛就是一个个骗子，将初始时我们对于森林的好奇最终引向了弥漫着雾气的杂草丛生的沼泽地带。所以我先费些笔墨来解释一下这个词语。所谓正偏，即两极间加的电压与PN结的导通方向一致，如本例中的2n5550 安森美NPN硅管，对于b、e构成的发射结来说，b极电位高于e极电位，就叫发射结正偏，相反则叫反偏！而对于b、c构成的集电结来说，b极电位高于c极电位，就叫集电结正偏，相反就叫反偏。 那么这个2n5550三极管什么时候处于截止状态呢？我们说当我们打开三极管的钥匙be间的电压，有一个开启的电压，大约在0.5到0.6v之间。注意是b比e高0.5到0.6v，也就是说当b的电位比e的电位高不出这个电压时，比如是0.4v或者0.1v或者-0.1v，我们就说三极管陷入了截止状态。这个时候，从c流向e的电流很小只有1微安以下，因为我们还不具备开启三极管的钥匙。在multisim 10的电路仿真中，当ce间的电压为5v，Vbe钥匙电压为0.4v时，流经ce电流（Ic）为800多纳安。ce之间5v这个还算可以的电压才仅仅产生了Ic纳安级渺小的电流。只能说ce间的电阻太大了。所以说，这个时候的ce间电阻很大，我们把它近似于开路。 所以对截止状态做个总结时，我们就说当be这把开启钥匙没有达到开启电压时（0.5到0.6）时，ce开路。这时的三极管你可以说它是装饰物，也可以说它是石头，甚至你把它从电路中拿走也没关系。这就是第一个我们要阐述的三极管的官员状态我在休息，什么也不做。 不过不幸的是，下面还有一大段话要啰嗦。这些谆谆教诲对于三极管的任意一种工作状态都是适用的： 截止状态也不是说因为不用工作，所以就没有什么参数限制了。这是不对的，就像官员上班时间也在休息，甚至都有人在打麻将，ok，这是没关系的，反正也不会丢掉乌纱帽。但你不能放火烧房子，这个就不行了。同样，三极管在be的电位差不足前面提到的那个钥匙电压时不工作，但是be之间的电位差也不能太低了。比如，是一个很大的负值，这就是说e的电位反而比b的电位高很多。我们都知道三极管的be之间像一个pn结，那么毫无疑问也有一个反向耐压值。所以这块儿也有一个这样的值，就是说发射极的电位不能比基极高出那么多的一个值，是多少呢？对于2N5550来说，是6v，也就是说当Vbe-6v时，三极管的发射结可能会被反向击穿。 同样道理，截止时三极管不工作，be之间还没放入钥匙。这个时候不论是Vbe还是Veb都规定了一个范围。但是三极管还有bc和ce要考虑。三极管是个电子器件而不是神，你不能在bc之间加上10万伏的电压还寄希望于三极管完好无损。那么这种电压最高能达到多少呢？对于b和c来说，bc也像一个或者等价于一个pn结，那么Vbc导通的话就类似于二极管的压降，而反向的话，这个值对于2N5550来说，是140V。而对于c和e来说，不论是Vce还是Vec，这个值不能超过160V。 好了，经过上面两段话，我们就这样残忍的极不情愿的通过一些电压方面的条件就把三极管从神的想象中拉回到现实中的普通的电子元器件。现在开始讨论一下三极管的线性放大状态。 三极管的线性放大能力确实是令人兴奋的事。这也是我们关于三极管的最淳朴的认识。它能神奇的用基极的电流Ib来控制集电极的电流Ic，三极管的放大能力就是Ic/Ie，常用hfe来标识。这个值一般是100左右。也就是说假设Ib为20微安时，集电极电流Ic就可能是2毫安。到这里我们一定有一种奇怪的揣测了，那就是这个电流肯定会有限制吧。因为不太可能让Ib为1A,而Ic为100A。那样的话三极管就成电力线了。 那么三极管什么时候工作在线性放大区？而这个线性范围又是多少呢？首要的，就是前面已经叙述过许多遍的Vbe一定要达到钥匙电压。那么就算Vbe达到了钥匙电压，就一定能够放大了吗？显然不是，假设集电极c并没有加电压，那如何会产生受控的放大的集电极电流Ic呢？就像你通过一个大坝在控制流经大坝的水，可是上游根本就没有水，怎么办呢？所以集电极的电位也要有一个限制，多少呢？那就是保证c的电位要高于b的电位，也就是集电结要反偏。假设e是地，b是0.7v，那么c就必须得大于0.7v，当然也不能大过前面所述的140v+0.7v=140.7v。 这里总结一下三极管的放大条件，就是发射结正偏，集电结反偏，iC=iB。 那么这个放大电流的限制情况呢？既然基极电流不可能达到1A。其实这个电流的限制主要考虑结功率的影响和其它条件的影响，所以没有一个具体的参数。但就量级上来说，Ib不能大过几十毫安，而要想工作在这里的线性放大区，就得小于50微安了。那么基极电流最小能小到多少？这个问题恐怕就是半导体物理学或者分子运动这类范畴了。三极管有个集发射极-基极反向电流Iebo，集电极开路时，在发射极与基极之间加上规定的反向电压时发射极的电流，它实际上是发射结的反向饱和电流。这个电流一般都是1微安以下。所以电流小到这个程度，于我们的电路而言已经没有意义了。其实Ib还有个封顶限制，就是不能因为Ib过大，导致三极管进入饱和区。那么这个概念就得到饱和一段中讨论了。 三极管的饱和区是频繁被提起的词语，可怜很多本科生还没搞明白三极管的饱和态到底是什么样子？其实饱和一词确实很形象。它告诉你，三极管的放大能力已经显著受影响了。就像在溶液的浓度这个概念一样，我们在溶液里添加一定量的溶质，那么溶液的浓度就会产生一定量的提高，我们把它也看成是一种控制作用那么什么时候控制作用受影响呢？对了，就是到饱和时，一旦溶液进入饱和状态，再添加溶质就不会控制溶液的浓度了。我们上一段中讨论到，三极管处于线性放大区时，集电极电流Ic会是基极电流Ib的100倍左右。可是当三极管进入饱和态时，提升Ib的大小已经不能显著改变Ic的大小了。事实上，我们就把这种Ic不随Ib显著增大的现象称为饱和区，因为这里并没有一个明显的分界线，而是一个渐进的过度状态。所以怎样区分三极管进入饱和态也没有明显的判定尺度。一般依据经验，当Ic=10*Ib时，就说三极管进入了饱和区。 我们通过multisim10的仿真来形象的阐述这个饱和过程吧。 我们做一个实验，如上图所示。改变集电极电阻R1，从100欧逐渐到1.5k欧，得到五组数据。三极管be之间的电压始终维持在727.753mv。随着R1的电阻的逐渐增大，分在ce之间的压降逐渐降低，从3.723v降低到372.767mv。但是在降到727mv之前，流经ce之间的Ic始终维持在4毫安左右。表明在线性放大区域，电流Ic最多的不是受ce间的电压控制，而是由基极电流维系；而当集电极电阻再往上增加时，e的电位已经比727.753mv还低，这时三极管已经慢慢过度到饱和区域了，因此Ic开始脱离Ib的控制了。我们看到，在ce间的电压降到372.767mv时，Ic已经降为3.5mA了。这时的典型特征就是，基极电流再也无力控制集电极电流Ic了。 我们再用上图做个实验，这次改变的是基极电阻R2，其它都不变。随着r2的减小，基极电流逐渐增大。那么集电极电流也随之增加。但是，集电极的电流的增加必然会在R1上产生压降，当这个电流大到使电阻的压降为4.3v时，2N5550的c的电位就将开始低于700mv了。这时侯集电结正偏，已经影响到了三极管进行线性放大的微观物理基础了。三极管里饱和态渐行渐近，最终Ic的增加并不与基极电流成比例了，而是慢慢的不增加了，虽