晶体管电路的三个工作区域

晶体管电路的三个工作区域 晶体管的输入特性曲线如下图 晶体管的输出特性曲线如下图 上图只是示晶体管的各个在一定范围内，晶体管处于放大状态的特性曲线，并非直观的表示放大区域相对于另外两个工作区域而言占有很大的比例。参数的设置决定了晶体管所在的工作区域。 对于下图中最简单的共射电路(没有加入基极偏置电阻及反馈电阻)，其工作区域随参数的变化而更改，可以更好地反映出三个工作区域之间的联系与区别。 由于输入回路没有进行静态工作点的设置即没有对输入回路进行直流偏置设置，所以当输入电压Vi为0时，相当于基极开路，发射结电压小于其开启电压即发射结处于截止状态，集电结处于反偏状态;在图1.3.6上反映在Ib很小或者为0的区域，即晶体管处于截止区。 当输入电压使得发射结刚刚开启，且由于此时Vc电压大于输入电压Vi，使得此电路处于放大区域，基极电流被放大，反映在输出电路部分表现为集电极电阻压降和集电极输出电压;如果集电极电阻设置合适(还有其他设置条件)，使得Vc=Vce大于输入电压Vi(此电路中由于没有加入发射极电阻故两者相等)，即使得集电极处于反向偏置状态，则此共射电路处于放大区域，并且输入电压Vi在一定的范围内，此晶体管都会处于放大区域，其前提是参数的正确设置。如下图所示。(静态工作点的负载线曲线在后面贴出) 如果上图电路中的输入电压Vi继续增大，见图1.3.5 ，则Vbe随之增大，基极电流Ib亦增加，反映在输出电路上，Ic增加，集电极电阻的压降增大，导致Vc=Vce减小，如果Vc=Vce减小至小于输入电压Vi，使得集电结反向偏置，则此电路处于饱和区，Vce比较小，管子相当于导通;输出电压接近于电源电压，如下图所示。一旦晶体管进入饱和区，输出电压和集电极电流趋向于一个常数。 下图为含有负载线的输入输出特性曲线 从另外一个角度来解释上述三个工作区域(同样参见图3.3电路)，如下图 在图3.5 上图中，从输入电压Vi角度解释了共射电路的截止、放大、饱和区域三个工作区域之间的联系 当输入电压Vi小于基-射极PN结开启电压时，晶体管处于截止状态，基极电流为零，集电极输出电压等于电源电压; 当输入电压Vi大于基-射极PN结开启电压时，由于集电极电阻的参数设置，使Vc=Vce大于基极电压Vb，即基-集电极PN结处于反偏，所以晶体管处于放大区域即上图中的正向工作区; 当输入电压Vi继续增加，由上图可以看出，基极电流Ib迅速增加，同样Ic迅速增加，由于集电极电阻的分压作用，使得Vc=Vce迅速减小，当其减小至使得基极-集电极PN结正向偏置，晶体管处于饱和区，Vc=Vce比较小且趋向于一个常数。 实际上经常用到的共射极开关电路就是在图3.3的基础上在基极加一个限流电阻而来，如下图所示: 基极上加入限流电阻可以防止输入回路电流过大而损坏晶体管。上图电路中集电极电阻阻值为500Ω，图中可以看到，此条件下基极电压Vb约为760mV，基极电流Ib经过放大后，Ic约为12.7mA，经过集电极电阻分压后，输出电压Vc=Vce=5.64V，根据前面的描述，晶体管处于放大区域;如果其他参数不变，将集电极电阻改为5k，如下图所示，晶体管已 经由放大区进入饱和区，其电流放大倍数也不再遵从β=Ic/Ib，同时输出电压Vc=Vce减少至很小的值，在开关电路中可以认为对外为低电平。 与之对比，上图电路中元件参数设置不变，仅仅把输入电压变为600mV，如下图所示，输出电压就接近电源电压，在开关电路中可以认为对外为高电平。 当然可以进行参数修改，使上述电路的输入电压在基-射极PN结开启电压的附近变动时，输出电压就呈现出开关的状态。如下面两图所示。 个人理解，开关电路就是通过电路参数的适当设置，使得晶体管的放大区域相对于输入信号来说工作在很小的一个范围，而另外两个截止、饱和区域相对于输入信号来说工作在很大的一个范围;又由于晶体管不断在截止、放大、饱和区域进行转换，因此不同的管子，其转换的时间不一样，对速度要求较高的场合应该选择合适的管子以满足要求。