三極管飽和問題總結(jié):
1.在實(shí)際工作中,常用ib*β=v/r作為判斷臨界飽和的條件。根據(jù)ib*β=v/r算出的ib值,只是使晶體管進(jìn)入了初始飽和狀態(tài),實(shí)際上應(yīng)該取該值的數(shù)倍以上,才能達(dá)到真正的飽和;倍數(shù)越大,飽和程度就越深。
2.集電極電阻 越大越容易飽和;
3.飽和區(qū)的現(xiàn)象就是:二個(gè)pn結(jié)均正偏,ic不受ib之控制
問題:基極電流達(dá)到多少時(shí)三極管飽和?
解答:這個(gè)值應(yīng)該是不固定的,它和集電極負(fù)載、β值有關(guān),估算是這樣的:假定負(fù)載電阻是1k,vcc是5v,飽和時(shí)電阻通過電流最大也就是5ma,用除以該管子的β值(假定β=100)5/100=0.05ma=50μa,那么基極電流大于50μa就可以飽和。
對(duì)于9013、9012而言,飽和時(shí)vce小于0.6v,vbe小于1.2v。下面是9013的特性表:
問題:如何判斷飽和?
判斷飽和時(shí)應(yīng)該求出基級(jí)最大飽和電流ibs,然后再根據(jù)實(shí)際的電路求出當(dāng)前的基級(jí)電流,如果當(dāng)前的基級(jí)電流大于基級(jí)最大飽和電流,則可判斷電路此時(shí)處于飽和狀態(tài)。
飽和的條件:1.集電極和電源之間有電阻存在 且越大就越容易管子飽和;2.基集電流比較大以使集電極的電阻把集電極的電源拉得很低,從而出現(xiàn)b較c電壓高的情況。
影響飽和的因素:1.集電極電阻 越大越容易飽和;2.管子的放大倍數(shù) 放大倍數(shù)越大越容易飽和;3.基集電流的大小;
飽和后的現(xiàn)象:1.基極的電壓大于集電極的電壓;2.集電極的電壓為0.3左右,基極為0.7左右(假設(shè)e極接地)
談?wù)擄柡筒荒懿惶嶝?fù)載電阻。假定晶體管集-射極電路的負(fù)載電阻(包括集電極與射極電路中的總電阻)為r,則集-射極電壓vce=vcc-ib*hfe*r,隨著ib的增大,vce減小,當(dāng)vce<0.6v時(shí),b-c結(jié)即進(jìn)入正偏,ice已經(jīng)很難繼續(xù)增大,就可以認(rèn)為已經(jīng)進(jìn)入飽和狀態(tài)了。當(dāng)然ib如果繼續(xù)增大,會(huì)使vce再減小一些,例如降至0.3v甚至更低,就是深度飽和了。以上是對(duì)npn型硅管而言。
另外一個(gè)應(yīng)該注意的問題就是:在ic增大的時(shí)候,hfe會(huì)減小,所以我們應(yīng)該讓三極管進(jìn)入深度飽和ib>>ic(max)/hfe,ic(max)是指在假定e、c極短路的情況下的ic極限,當(dāng)然這是以犧牲關(guān)斷速度為代價(jià)的。
注意:飽和時(shí)vb>vc,但vb>vc不一定飽和。一般判斷飽和的直接依據(jù)還是放大倍數(shù),有的管子vb>vc時(shí)還能保持相當(dāng)高的放大倍數(shù)。例如:有的管子將ic/ib<10定義為飽和,ic/ib<1應(yīng)該屬于深飽和了。
從晶體管特性曲線看飽和問題:我前面說過:談?wù)擄柡筒荒懿惶嶝?fù)載電阻?,F(xiàn)在再作詳細(xì)一點(diǎn)的解釋。
以某晶體管的輸出特性曲線為例。由于原來的vce僅畫到2.0v為止,為了說明方便,我向右延伸到了4.0v。
如果電源電壓為v,負(fù)載電阻為r,那么vce與ic受以下關(guān)系式的約束:ic = (v-vce)/r
在晶體管的輸出特性曲線圖上,上述關(guān)系式是一條斜線,斜率是 -1/r,x軸上的截距是電源電壓v,y軸上的截距是v/r(也就是前面ne5532第2帖說的“ic(max)是指在假定e、c極短路的情況下的ic極限”)。這條斜線稱為“靜態(tài)負(fù)載線”(以下簡(jiǎn)稱負(fù)載線)。各個(gè)基極電流ib值的曲線與負(fù)載線的交點(diǎn)就是該晶體管在不同基極電流下的工作點(diǎn)。見下圖:
圖中假定電源電壓為4v,綠色的斜線是負(fù)載電阻為80歐姆的負(fù)載線,v/r=50ma,圖中標(biāo)出了ib分別等于0.1、0.2、0.3、0.4、0.6、1.0ma的工作點(diǎn)a、b、c、d、e、f。據(jù)此在右側(cè)作出了ic與ib的關(guān)系曲線。根據(jù)這個(gè)曲線,就比較清楚地看出“飽和”的含義了。曲線的綠色段是線性放大區(qū),ic隨ib的增大幾乎成線性地快速上升,可以看出β值約為200。蘭色段開始變彎曲,斜率逐漸變小。紅色段就幾乎變成水平了,這就是“飽和”。實(shí)際上,飽和是一個(gè)漸變的過程,蘭色段也可以認(rèn)為是初始進(jìn)入飽和的區(qū)段。在實(shí)際工作中,常用ib*β=v/r作為判斷臨界飽和的條件。在圖中就是假想綠色段繼續(xù)向上延伸,與ic=50ma的水平線相交,交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的ib值就是臨界飽和的ib值。圖中可見該值約為0.25ma。
由圖可見,根據(jù)ib*β=v/r算出的ib值,只是使晶體管進(jìn)入了初始飽和狀態(tài),實(shí)際上應(yīng)該取該值的數(shù)倍以上,才能達(dá)到真正的飽和;倍數(shù)越大,飽和程度就越深。
圖中還畫出了負(fù)載電阻為200歐姆時(shí)的負(fù)載線??梢钥闯觯瑢?duì)應(yīng)于ib=0.1ma,負(fù)載電阻為80歐姆時(shí),晶體管是處于線性放大區(qū),而負(fù)載電阻200歐姆時(shí),已經(jīng)接近進(jìn)入飽和區(qū)了。負(fù)載電阻由大到小變化,負(fù)載線以vce=4.0為圓心呈扇狀向上展開。負(fù)載電阻越小,進(jìn)入飽和狀態(tài)所需要的ib值就越大,飽和狀態(tài)下的c-e壓降也越大。在負(fù)載電阻特別小的電路,例如高頻諧振放大器,集電極負(fù)載是電感線圈,直流電阻接近0,負(fù)載線幾乎成90度向上伸展(如圖中的紅色負(fù)載線)。這樣的電路中,晶體管直到燒毀了也進(jìn)入不了飽和狀態(tài)。以上所說的“負(fù)載線”,都是指直流靜態(tài)負(fù)載線;“飽和”都是指直流靜態(tài)飽和。
用三極管需要考慮的問題:
1)耐壓夠不夠
2)負(fù)載電流夠不夠大
3)速度夠不夠快(有時(shí)卻是要慢速)
4)b極控制電流夠不夠
5)有時(shí)可能考慮功率問題
6)有時(shí)要考慮漏電流問題(能否“完全”截止)。
7)一般都不怎么考慮增益(我的應(yīng)用還沒有對(duì)此參數(shù)要求很高)
實(shí)際使用時(shí),晶體管注意四個(gè)要素就行:-0.1~-0.3v振蕩電路, 0.65-0.7v放大電路,0.8v以上為開關(guān)電路,β值中放、高放為30-40,低放60-80,開關(guān)100-120以上就行,不必研究其它的,研究它的共價(jià)鍵、電子、空穴沒用
vce=vcc(電源電壓)-vc(集電極電壓)=vcc-ic(集電極電流)rc(集電極電阻)。
可以看出,這是一條斜率為-rc的直線,稱為“負(fù)載線”。當(dāng)ic=0時(shí),vce=vcc。當(dāng)vce=0時(shí)(實(shí)際上正常工作時(shí)vce不可能等于0,這是它的特性決定的),ic=vcc/rc。也就是說,ic不可能大于這個(gè)數(shù)值。對(duì)應(yīng)的基極電流ib=ic/β=vcc/βrc,這就是飽和基極電流的計(jì)算公式。
飽和分臨界飽和和過度飽和兩種狀態(tài)。當(dāng)ib=vcc/βrc時(shí),三極管基本處于臨界飽和狀態(tài)。
當(dāng)基極電流大于此值的兩倍,三極管就基本進(jìn)入深度飽和狀態(tài)。三極管深度飽和和臨界飽和的vce差很大。臨界飽和壓降大,但退出飽和容易;深度飽和壓降小但不容易退出飽和。所以,不同用途選擇的基極電流是不一樣的。
還有,飽和壓降和集電極電流有直接關(guān)系。集電極電阻越小,飽和集電極電流就越大,飽和壓降越大。反之也相反(集電極電阻越大,飽和集電極電流就越小,飽和壓降越小)。如果集電極電流5毫安時(shí)三極管飽和,9013、9012之類的飽和壓降一般不超過0.6伏。基極電流超過兩倍vcc/βrc時(shí),一般飽和壓降就小到0.3v左右了。
轉(zhuǎn):這是我當(dāng)年教電子技術(shù)時(shí)的一點(diǎn)心得,談到三極管,初學(xué)的人很難理解,為了講通講透徹,我給學(xué)生做了一個(gè)形象的比喻:三極管就是一個(gè)資本家(全課堂哄然),比如一個(gè)生產(chǎn)手機(jī)的資本家,生產(chǎn)一部手機(jī),原材料100元,售價(jià)400元,利潤(rùn)率400%,相對(duì)于三極管的放大倍數(shù)就是4,原來一天生產(chǎn)100部,利潤(rùn)好幾萬(wàn),資本家覺得這生意不錯(cuò),想擴(kuò)大利潤(rùn),提高產(chǎn)能,改成一天生產(chǎn)200部,也就是三極管的輸入電流增加了,這時(shí)資本家發(fā)現(xiàn)了,利潤(rùn)成倍上漲,好啊!隨即改成一天生產(chǎn)300部,后來改成一天生產(chǎn)400部、500部……直到1000部,但是資本家很快發(fā)現(xiàn),當(dāng)產(chǎn)能超過800部時(shí),利潤(rùn)就不再成比例上升了,而是緩慢上升,超過1000部,利潤(rùn)根本就不上升,維持原樣,這是因?yàn)楫a(chǎn)量太大,市場(chǎng)飽和,售價(jià)下降等等,這時(shí)三極管就進(jìn)入了飽和狀態(tài),輸入電流再怎么增加,輸出電流也不會(huì)增加。由于經(jīng)濟(jì)危機(jī),產(chǎn)品銷售不出去,資本家只好停產(chǎn),每天一部也不生產(chǎn),這時(shí)就相當(dāng)于三極管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài),但是工廠總要維持,于是,就每天賣點(diǎn)原材料、廢舊設(shè)備、廢材料,或者組織工人打掃衛(wèi)生,清理倉(cāng)庫(kù)和車間,賣點(diǎn)破爛,好歹每天能有點(diǎn)收益,這點(diǎn)收益就是三極管截止?fàn)顟B(tài)的漏電流。也就是說,輸入端沒有一點(diǎn)電流,輸出端還是有些微電流的。從這個(gè)過程,我們可以發(fā)現(xiàn),其實(shí)資本家只是放大了利潤(rùn),原材料變成了成品,這中間要消耗大量的人力、腦力和電力。三極管與此類同,三極管電流放大其實(shí)放大的是三極管輸入端的信號(hào),輸出的是放大之后的信號(hào),中間要消耗大量的電能,這些電能必須是直流電,例如電池或者整流后的交流電。跟資本家維持工廠運(yùn)轉(zhuǎn)一樣,人力、腦力和電力要基本維持穩(wěn)定,不能天天亂變。當(dāng)然對(duì)于功率放大三極管,道理基本一樣,不過放大的是信號(hào)的電流和電壓,當(dāng)然,投入的人力、腦力和電力仍舊是必不可少的。三個(gè)級(jí),基極是采購(gòu),集電極是加工車間,發(fā)射極是銷售。