圖說三極管的三個(gè)工作狀態(tài)

　　大家都知道三極管是電流控制型元件，三極管工作在放大狀態(tài)下存在Ic=βIb的關(guān)系，怎么理解三極管的放大模型呢?這兒我們拋開三極管內(nèi)部空穴和電子的運(yùn)動(dòng)，還是那句話只談應(yīng)用不談原理，希望通過下面的“圖解”讓初學(xué)者對(duì)三極管有一個(gè)形象的認(rèn)識(shí)。

　　三極管是一個(gè)以b(基極)電流Ib 來驅(qū)動(dòng)流過CE 的電流Ic 的器件，它的工作原理很像一個(gè)可控制的閥門。

　　圖1

　　左邊細(xì)管子里藍(lán)色的小水流沖動(dòng)杠桿使大水管的閥門開大，就可允許較大紅色的水流通過這個(gè)閥門。當(dāng)藍(lán)色水流越大，也就使大管中紅色的水流更大。如果放大倍數(shù)是100，那么當(dāng)藍(lán)色小水流為1 千克/小時(shí)，那么就允許大管子流過100千克/小時(shí)的水。三極管的原理也跟這個(gè)一樣，放大倍數(shù)為100 時(shí)，當(dāng)Ib(基極電流)為1mA 時(shí)，就允許100mA 的電流通過Ice。

　　有了這個(gè)形象的解釋之后，我們?cè)賮砜匆粋€(gè)單片機(jī)里常用的電路。

　　圖2

　　我們來分析一下這個(gè)電路，如果它的放大倍數(shù)是100，基極電壓我們不計(jì)?；鶚O電流就是10V&pide;10K=1mA，集電極電流就應(yīng)該是100mA。根據(jù)歐姆定律，這樣Rc上的電壓就是0.1A×50Ω=5V。那么剩下的5V 就吃在了三極管的C、E 極上了。好!現(xiàn)在我們假如讓Rb 為1K，那么基極電流就是10V&pide;1K=10mA，這樣按照放大倍數(shù)100 算，Ic 就是不是就為1000mA 也就是1A 了呢?假如真的為1安，那么Rc 上的電壓為1A×50Ω=50V。啊?50V!都超過電源電壓了，三極管都成發(fā)電機(jī)了嗎?其實(shí)不是這樣的。見下圖：

　　圖3

　　我們還是用水管內(nèi)流水來比喻電流，當(dāng)這個(gè)控制電流為10mA 時(shí)使主水管上的閥開大到能流過1A 的電流，但是不是就能有1A 的電流流過呢?不是的，因?yàn)樯厦孢€有個(gè)電阻，它就相當(dāng)于是個(gè)固定開度的閥門，它串在這個(gè)主水管的上面，當(dāng)下面那個(gè)可控制的閥開度到大于上面那個(gè)固定電阻的開度時(shí)，水流就不會(huì)再增大而是等于通過上面那個(gè)固定閥開度的水流了，因此，下面的三極管再開大開度也沒有用了。因此我們可以計(jì)算出那個(gè)固定電阻的最大電流10V&pide;50Ω=0.2A也就是200mA。就是說在電路中三極管基極電流增大集電極的電流也增大，當(dāng)基極電流Ib 增大到2mA 時(shí)，集電極電流就增大到了200mA。當(dāng)基極電流再增大時(shí)，集電極電流已不會(huì)再增大，就在200mA 不動(dòng)了。此時(shí)上面那個(gè)電阻也就是起限流作用了。

　　上面講的三極管是工作在放大狀態(tài)，要想作為開關(guān)器件來應(yīng)用呢?毫無疑問三極管必須進(jìn)入飽和導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)。圖4所示的電路中，我們從Q 的基極注入電流IB，那么將會(huì)有電流流入集電極，大小關(guān)系為：IC=βIB 。而至于BJT 發(fā)射結(jié)電壓VBE，我們說這個(gè)并不重要，因?yàn)橹灰狪B 存在且為正值時(shí)，這個(gè)結(jié)電壓便一定存在并且基本恒定(約0.5～1.2V，一般的管子取0.7V 左右)，也就是我們所講的發(fā)射結(jié)正偏。既然UBE 是固定的，那么，如果BJT 基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)為電壓信號(hào)時(shí)，就必須在基極串聯(lián)一個(gè)限流電阻，如圖5。此時(shí)，基極電流為IB=(Ui-UBE)/RB。一般情況省略RB 是不允許的，因?yàn)檫@樣的話IB 將會(huì)變得很大，造成前級(jí)電路或者是BJT 的損壞。

　　圖4、圖5

　　接下來進(jìn)入我們最關(guān)心的問題：RB 如何選取。前面說到過IC=βIB，為了使晶體管進(jìn)入飽和，我們必須增加IB，從而使IC 增大，RC 上的壓降隨之增大，直到RC 上幾乎承受了所有的電源電壓。此時(shí)，UCE 變得很小，約0.2～0.3V(對(duì)于大功率BJT，這個(gè)值可能達(dá)到2～3V)，也就是我們所說的飽和壓降UCE(sat)。如果達(dá)到飽和時(shí)，我們忽略UCE(sat)，那么就有ICRL=βIBRL=Vcc。也就是只要保證IB≥IC/β或IB≥Vcc/(βRL)時(shí)，晶體管就能進(jìn)入飽和狀態(tài)。我們看這樣一組數(shù)據(jù)：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就能滿足要求了。但是，實(shí)際上，對(duì)于這種情況，如果取一個(gè)10kΩ以上的電阻都可能導(dǎo)致BJT 無法進(jìn)入飽和狀態(tài)。這是為什么呢?

　　因?yàn)槲覀兊钠骷皇抢硐氲?，我們?cè)趤砜聪旅嬉粋€(gè)圖。

　　這是我們常用的一款小信號(hào)BJT，型號(hào)為MMBT3904 的直流電壓增益曲線。從圖中可以看出，BJT 的共射極直流電壓增益hFE(也就是通常意義下的β)不僅是溫度的函數(shù)，而且與集電極電流有關(guān)。在一定的集電極電流范圍內(nèi)，hFE 基本為常數(shù);當(dāng)集電極電流大于一定值時(shí)，hFE 將急劇下降。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的機(jī)理我們?cè)谶@里就不討論了。我們?cè)谑褂肂JT 作為開關(guān)時(shí)，大多數(shù)情況下用于驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載，如LED、繼電器等，這些負(fù)載的電流一般較大，此時(shí)hFE 已經(jīng)下降到遠(yuǎn)小于我們計(jì)算時(shí)使用的那個(gè)值。如前面的例子，如果這個(gè)BJT 為MMBT3904，集電極電流達(dá)到近50mA，此時(shí)的β(或hFE)已經(jīng)下降到只要100 左右了，計(jì)算基極電阻時(shí)使用的β也應(yīng)該取100 而不是200。

　　而實(shí)際應(yīng)用中，IB 并不是越大越好，因?yàn)镮B 對(duì)外電路來說是沒有實(shí)質(zhì)作用的，它僅僅是維持BJT 可靠導(dǎo)通的必要條件。IB 越大，驅(qū)動(dòng)部分的損耗也就越大，從而降低了電路的效率。而且IB越大還會(huì)影響三極管的開關(guān)速率，這個(gè)我們后面再深究。

　　電子元件基礎(chǔ)之三極管靜態(tài)工作點(diǎn)

　　我們都知道，三極管的工作狀態(tài)有三個(gè)，截止區(qū)，放大區(qū)，飽和區(qū)。那么三極管工作在什么工作狀態(tài)是由什么決定的呢?是由基極電流(Ib)來決定的,和其他因素完全沒有關(guān)系。

　　如果Ib = 0，則三極管工作在截止區(qū)。

　　如果0 < Ib ×β<飽和電流，則三極管工作在放大區(qū)。

　　如果 飽和電流

　　雖然說三極管的工作狀態(tài)是由基極電流決定的，但是能夠影響基極電流的因素就有幾個(gè)，其中最重要的就是靜態(tài)工作點(diǎn)。

　　在放大電路中，當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，交流量與直流量共存。那什么是三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)呢?三極管靜態(tài)工作點(diǎn)就是輸入信號(hào)為零時(shí)，電路處于直流工作狀態(tài)，這些電流、電壓的數(shù)值可用BJT 特性曲線上一個(gè)確定的點(diǎn)表示，該點(diǎn)習(xí)慣上稱為靜態(tài)工作點(diǎn)Q。用我們的大俗話就是三極管處于靜態(tài)工作狀態(tài)的時(shí)候的基極電流。就是當(dāng)沒有交流信號(hào)輸入到基極的時(shí)候，三極管的基極電流。

　　靜態(tài)工作點(diǎn)是怎樣影響三極管的呢? 靜態(tài)工作點(diǎn)直接就會(huì)影響三極管的基極電流, 從而影響三極管工作在什么區(qū)域。 如果靜態(tài)工作點(diǎn)靠近飽和區(qū), 那么就很有可能部分的交流信號(hào)進(jìn)入飽和區(qū),沒有進(jìn)行放大, 造成飽和失真。 如果靜態(tài)工作點(diǎn)靠近截止區(qū), 那么也很有可能有部分的交流信號(hào)進(jìn)入截止區(qū), 造成截止失真。

　　那什么因素會(huì)影響靜態(tài)工作點(diǎn)呢? 影響靜態(tài)工作點(diǎn)的因素有很多, 最突出的兩個(gè)就是偏置電阻和溫度。 如果偏置電阻過大, 那么造成基極電流較小, 靜態(tài)工作點(diǎn)比較靠近截止區(qū). 如果偏置電阻過小,那么造成基極電流較大, 靜態(tài)工作點(diǎn)比較靠近飽和區(qū)。 所以偏置電阻的選擇很重要, 另外的一個(gè)重要因素是溫度. 大家都知道, 溫度的升高會(huì)造成半導(dǎo)體器件的導(dǎo)電性能增強(qiáng), 對(duì)于三極管來講, 就是放大倍數(shù)的增加。 所以也就產(chǎn)生了,很多種的抑制靜態(tài)工作點(diǎn)漂移的電路了。

　　電子元件基礎(chǔ)—MOS管

　　平時(shí)在實(shí)驗(yàn)室常用的器件還是三極管相對(duì)較多，對(duì)MOS管用得甚少，今年11月份雨滴科技有限公司寄來了六套STM32 DEMO_V1.2評(píng)估板，板子上面就有幾顆MOS管，為了更好認(rèn)識(shí)MOS管，在課本和網(wǎng)上查了許多資料，現(xiàn)在整理出來給大家分享。

　　由于水平有限在這兒我們只談應(yīng)用不談原理。我們知道MOS管有P溝道和N溝道之分，給出一個(gè)MOS的電路符號(hào)，你是怎么判斷它是N溝道，還是P溝道?下面我們就來看圖1這顆MOS管電路符號(hào)。

　　圖1

　　請(qǐng)問：哪個(gè)腳是S(源極)、哪個(gè)腳是G(柵極)哪個(gè)腳是D(漏極)?D和S，是N溝道還是P溝道MOS?1腳和3腳之間存在一個(gè)二極管，這個(gè)二極管有什么作用?如果接入電路，一般哪個(gè)接輸入哪個(gè)接輸出?

　　MOS三個(gè)極怎么判斷

　　圖2

　　它們是N溝道還是P溝道

　　圖3

　　寄生二極管

　　在圖1我們看到D極和S極之間存在著一個(gè)二極管，這個(gè)二極管叫寄生二極管。MOS的寄生二極管怎么來的呢?翻開大學(xué)里的模擬電路書里面并沒有寄生二極管的介紹。在網(wǎng)上查了一番資料才知道，它是由生產(chǎn)工藝造成的，大功率MOS管漏極從硅片底部引出，就會(huì)有這個(gè)寄生二極管。小功率MOS管例如集成芯片中的MOS管是平面結(jié)構(gòu)，漏極引出方向是從硅片的上面也就是與源極等同一方向，沒有這個(gè)二極管。模擬電路書里講得就是小功率MOS管的結(jié)構(gòu)，所以沒有這個(gè)二極管。但D極和襯底之間都存在寄生二極管，如果是單個(gè)晶體管，襯底當(dāng)然接S極，因此自然在DS之間有二極管。如果在IC里面，N—MOS襯底接最低的電壓，P—MOS襯底接最高電壓，不一定和S極相連，所以DS之間不一定有寄生二極管。那么寄生二極管起什么作用呢?當(dāng)電路中產(chǎn)生很大的瞬間反向電流時(shí)，可以通過這個(gè)二極管導(dǎo)出來，不至于擊穿這個(gè)MOS管。(起到保護(hù)MOS管的作用)

　　寄生二極管方向判定

　　圖4

　　MOS管的應(yīng)用

　　開關(guān)作用

　　我們筆記本主板上用得最多的電子器件便是MOS管，可見MOS管在低功耗方面應(yīng)用得非常廣泛，MOS管都有哪些應(yīng)用呢?先來看下面的原理圖

　　圖5

　　相信你從圖5可以看出MOS管在電路中的作用了吧，以上的MOS開關(guān)實(shí)現(xiàn)的是信號(hào)切換(高低電平的切換)，那么MOS在電路中要實(shí)現(xiàn)開關(guān)作用應(yīng)該滿足什么條件呢?還有前面提過MOS管接入電路哪個(gè)極接輸入哪個(gè)極接輸出(提示：寄生二極管是關(guān)鍵)?我們先看MOS管做開關(guān)時(shí)在電路的接法。

　　圖6

　　想一想為什么是這樣接呢?反過來接行不行?那是不行的。就拿NMOS管來說S極做輸入D極做輸出，由于寄生二極管直接導(dǎo)通，因此S極電壓可以無條件到D極，MOS管就失去了開關(guān)的作用，同理PMOS管反過來接同樣失去了開關(guān)作用。接下來談?wù)凪OS管的開關(guān)條件，我們可以這么記，不論是P溝道還是N溝道，G極電壓都是與S極電壓做比較：

　　N溝道： UG>US時(shí)導(dǎo)通。 (簡單認(rèn)為)UG=US時(shí)截止。

　　P溝道： UG 

　　但UG比US大(或小)多少伏時(shí)MOS管才會(huì)飽和導(dǎo)通呢?這要看具體的MOS管，不同的MOS管要求的壓差不同。比如筆記本上用于信號(hào)切換的MOS管：N7002，2N7002E，2N7002K，2N7002D，F(xiàn)DV301N等。UG比US大3V---5V即可。

　　隔離作用

　　如果我們想實(shí)現(xiàn)線路上電流的單向流通，比如只讓電流由A->B，阻止由B->A，請(qǐng)問該怎么做?

　　但這樣的做法有一個(gè)缺點(diǎn)，二極管上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓降，損失一些電壓信號(hào)。而使用MOS管做隔離，在正向?qū)〞r(shí)，在控制極加合適的電壓，可以讓MOS管飽和導(dǎo)通，這樣通過電流時(shí)幾乎不產(chǎn)生壓降。下面我們來看一個(gè)防電源反接電路。

　　這個(gè)電路當(dāng)電源反接時(shí)NMOS管截止，保護(hù)了負(fù)載。電源正接時(shí)由于NMOS管導(dǎo)通壓降比較小，幾乎不損失電壓，比在電源端加保險(xiǎn)管再在負(fù)載并聯(lián)一個(gè)二極管的方案好一些。