圖解晶體三極管的工作狀態

三極管是一個以b(基極)電流Ib 來驅動流過CE 的電流Ic 的器件，它的工作原理很像一個可控制的閥門。

圖1

左邊細管子里藍色的小水流沖動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閥門。當藍色水流越大，也就使大管中紅色的水流更大。如果放大倍數是100，那么當藍色小水流為1 千克/小時，那么就允許大管子流過100千克/小時的水。三極管的原理也跟這個一樣，放大倍數為100 時，當Ib(基極電流)為1mA 時，就允許100mA 的電流通過Ice。

有了這個形象的解釋之后，我們再來看一個單片機里常用的電路。

圖2

我們來分析一下這個電路，如果它的放大倍數是100，基極電壓我們不計。基極電流就是10V&pide;10K＝1mA，集電極電流就應該是100mA。根據歐姆定律，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，三極管都成發電機了嗎？其實不是這樣的。見下圖：

圖3

我們還是用水管內流水來比喻電流，當這個控制電流為10mA 時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，因為上面還有個電阻，它就相當于是個固定開度的閥門，它串在這個主水管的上面，當下面那個可控制的閥開度到大于上面那個固定電阻的開度時，水流就不會再增大而是等于通過上面那個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。因此我們可以計算出那個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，當基極電流Ib 增大到2mA 時，集電極電流就增大到了200mA。當基極電流再增大時，集電極電流已不會再增大，就在200mA 不動了。此時上面那個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，要想作為開關器件來應用呢？毫無疑問三極管必須進入飽和導通和截止狀態。圖4所示的電路中，我們從Q 的基極注入電流IB，那么將會有電流流入集電極，大小關系為：IC=βIB 。而至于BJT 發射結電壓VBE，我們說這個并不重要，因為只要IB 存在且為正值時，這個結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射結正偏。既然UBE 是固定的，那么，如果BJT 基極驅動信號為電壓信號時，就必須在基極串聯一個限流電阻，如圖5。此時，基極電流為IB=（Ui-UBE）/RB。一般情況省略RB 是不允許的，因為這樣的話IB 將會變得很大，造成前級電路或者是BJT 的損壞。

圖4、圖5

接下來進入我們最關心的問題：RB 如何選取。前面說到過IC=βIB，為了使晶體管進入飽和，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，UCE 變得很小，約0.2～0.3V（對于大功率BJT，這個值可能達到2～3V），也就是我們所說的飽和壓降UCE（sat）。如果達到飽和時，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，晶體管就能進入飽和狀態。我們看這樣一組數據：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，實際上，對于這種情況，如果取一個10kΩ以上的電阻都可能導致BJT 無法進入飽和狀態。這是為什么呢？

因為我們的器件不是理想的，我們在來看下面一個圖。

這是我們常用的一款小信號BJT，型號為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，而且與集電極電流有關。在一定的集電極電流范圍內，hFE 基本為常數；當集電極電流大于一定值時，hFE 將急劇下降。產生這一現象的機理我們在這里就不討論了。我們在使用BJT 作為開關時，大多數情況下用于驅動外部負載，如LED、繼電器等，這些負載的電流一般較大，此時hFE 已經下降到遠小于我們計算時使用的那個值。如前面的例子，如果這個BJT 為MMBT3904，集電極電流達到近50mA，此時的β（或hFE）已經下降到只要100 左右了，計算基極電阻時使用的β也應該取100 而不是200。

而實際應用中，IB 并不是越大越好，因為IB 對外電路來說是沒有實質作用的，它僅僅是維持BJT 可靠導通的必要條件。IB 越大，驅動部分的損耗也就越大，從而降低了電路的效率。而且IB越大還會影響三極管的開關速率，這個我們后面再深究。

電子元件基礎之三極管靜態工作點

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

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