图说晶体三极管的工作原理及三个状态

三极管是电流控制型元件，三极管工作在放大状态下存在Ic=βIb的关系，怎么理解三极管的放大模型呢?希望通过下面的“图解”让初学者对三极管有一个形象的认识。

三极管是一个以b(基极)电流Ib 来驱动流过CE 的电流Ic 的器件，它的工作原理很像一个可控制的阀门。

图1

左边细管子里蓝色的小水流冲动杠杆使大水管的阀门开大，就可允许较大红色的水流通过这个阀门。当蓝色水流越大，也就使大管中红色的水流更大。如果放大倍数是100，那么当蓝色小水流为1 千克/小时，那么就允许大管子流过100千克/小时的水。三极管的原理也跟这个一样，放大倍数为100 时，当Ib(基极电流)为1mA 时，就允许100mA 的电流通过Ice。

有了这个形象的解释之后，我们再来看一个单片机里常用的电路。

图2

分析一下这个电路，如果它的放大倍数是100，基极电压不计。基极电流就是10V&pide;10K=1mA，集电极电流就应该是100mA。根据欧姆定律，这样Rc上的电压就是0.1A×50Ω=5V。那么剩下的5V 就吃在了三极管的C、E 极上了。好!现在我们假如让Rb 为1K，那么基极电流就是10V&pide;1K=10mA，这样按照放大倍数100 算，Ic 就是不是就为1000mA 也就是1A 了呢?假如真的为1安，那么Rc 上的电压为1A×50Ω=50V。啊?50V!都超过电源电压了，三极管都成发电机了吗?其实不是这样的。见下图：

图3

用水管内流水来比喻电流，当这个控制电流为10mA 时使主水管上的阀开大到能流过1A 的电流，但是不是就能有1A 的电流流过呢?不是的，因为上面还有个电阻，它就相当于是个固定开度的阀门，它串在这个主水管的上面，当下面那个可控制的阀开度到大于上面那个固定电阻的开度时，水流就不会再增大而是等于通过上面那个固定阀开度的水流了，因此，下面的三极管再开大开度也没有用了。因此我们可以计算出那个固定电阻的最大电流10V&pide;50Ω=0.2A也就是200mA。就是说在电路中三极管基极电流增大集电极的电流也增大，当基极电流Ib 增大到2mA 时，集电极电流就增大到了200mA。当基极电流再增大时，集电极电流已不会再增大，就在200mA 不动了。此时上面那个电阻也就是起限流作用了。

上面讲的三极管是工作在放大状态，要想作为开关器件来应用呢?毫无疑问三极管必须进入饱和导通和截止状态。图4所示的电路中，我们从Q 的基极注入电流IB，那么将会有电流流入集电极，大小关系为：IC=βIB 。而至于BJT 发射结电压VBE，我们说这个并不重要，因为只要IB 存在且为正值时，这个结电压便一定存在并且基本恒定(约0.5～1.2V，一般的管子取0.7V 左右)，也就是我们所讲的发射结正偏。既然UBE 是固定的，那么，如果BJT 基极驱动信号为电压信号时，就必须在基极串联一个限流电阻，如图4。此时，基极电流为IB=(Ui-UBE)/RB。一般情况省略RB 是不允许的，因为这样的话IB 将会变得很大，造成前级电路或者是BJT 的损坏。

图4

接下来进入我们最关心的问题：RB 如何选取。前面说到过IC=βIB，为了使晶体管进入饱和，我们必须增加IB，从而使IC 增大，RC 上的压降随之增大，直到RC 上几乎承受了所有的电源电压。此时，UCE 变得很小，约0.2～0.3V(对于大功率BJT，这个值可能达到2～3V)，也就是我们所说的饱和压降UCE(sat)。如果达到饱和时，我们忽略UCE(sat)，那么就有ICRL=βIBRL=Vcc。也就是只要保证IB≥IC/β或IB≥Vcc/(βRL)时，晶体管就能进入饱和状态。我们看这样一组数据：Vcc=5V，β=200，RL=100Ω。那么要求IB≥5/(200×100)A=0.25mA。如果Ui=5V，那么取RB≤(Ui-UBE)/IB≈(5-0.7)/0.25kΩ=17.2kΩ就能满足要求了。但是，实际上，对于这种情况，如果取一个10kΩ以上的电阻都可能导致BJT 无法进入饱和状态。这是为什么呢?

因为我们的器件不是理想的，我们在来看下面一个图。

这是我们常用的一款小信号BJT，型号为MMBT3904 的直流电压增益曲线。从图中可以看出，BJT 的共射极直流电压增益hFE(也就是通常意义下的β)不仅是温度的函数，而且与集电极电流有关。在一定的集电极电流范围内，hFE 基本为常数;当集电极电流大于一定值时，hFE 将急剧下降。产生这一现象的机理我们在这里就不讨论了。我们在使用BJT 作为开关时，大多数情况下用于驱动外部负载，如LED、继电器等，这些负载的电流一般较大，此时hFE 已经下降到远小于我们计算时使用的那个值。如前面的例子，如果这个BJT 为MMBT3904，集电极电流达到近50mA，此时的β(或hFE)已经下降到只要100 左右了，计算基极电阻时使用的β也应该取100 而不是200。

而实际应用中，IB 并不是越大越好，因为IB 对外电路来说是没有实质作用的，它仅仅是维持BJT 可靠导通的必要条件。IB 越大，驱动部分的损耗也就越大，从而降低了电路的效率。而且IB越大还会影响三极管的开关速率，这个我们后面再深究。

电子元件基础之三极管静态工作点

我们都知道，三极管的工作状态有三个，截止区，放大区，饱和区。那么三极管工作在什么工作状态是由什么决定的呢?是由基极电流(Ib)来决定的,和其他因素完全没有关系。

如果Ib = 0，则三极管工作在截止区。

如果0 < Ib ×β<饱和电流，则三极管工作在放大区。

如果 饱和电流

虽然说三极管的工作状态是由基极电流决定的，但是能够影响基极电流的因素就有几个，其中最重要的就是静态工作点。

在放大电路中，当有信号输入时，交流量与直流量共存。那什么是三极管的静态工作点呢?三极管静态工作点就是输入信号为零时，电路处于直流工作状态，这些电流、电压的数值可用BJT 特性曲线上一个确定的点表示，该点习惯上称为静态工作点Q。用我们的大俗话就是三极管处于静态工作状态的时候的基极电流。就是当没有交流信号输入到基极的时候，三极管的基极电流。

静态工作点是怎样影响三极管的呢? 静态工作点直接就会影响三极管的基极电流, 从而影响三极管工作在什么区域。 如果静态工作点靠近饱和区, 那么就很有可能部分的交流信号进入饱和区,没有进行放大, 造成饱和失真。 如果静态工作点靠近截止区, 那么也很有可能有部分的交流信号进入截止区, 造成截止失真。

那什么因素会影响静态工作点呢? 影响静态工作点的因素有很多, 最突出的两个就是偏置电阻和温度。 如果偏置电阻过大, 那么造成基极电流较小, 静态工作点比较靠近截止区. 如果偏置电阻过小,那么造成基极电流较大, 静态工作点比较靠近饱和区。 所以偏置电阻的选择很重要, 另外的一个重要因素是温度. 大家都知道, 温度的升高会造成半导体器件的导电性能增强, 对于三极管来讲, 就是放大倍数的增加。 所以也就产生了,很多种的抑制静态工作点漂移的电路了。