晶体三极晶体管饱和状态判断下Vce值很小,那能不能利用这个特点在特定情况下替代晶体二极管?

原标题:干货 | 三极管饱和及深度飽和状态的理解和判断

1.在实际工作中常用Ib*β=V/R作为判断临界饱和的条件。根据Ib*β=V/R算出的Ib值只是使晶体管进入了初始饱和状态,实际上应該取该值的数倍以上才能达到真正的饱和;倍数越大,饱和程度就越深

2.集电极电阻 越大越容易饱和;

3.饱和区的现象就是:二个PN结均正偏,IC不受IB之控制

问题:基极电流达到多少时三极管饱和

解答:这个值应该是不固定的,它和集电极负载、β值有关,估算是这样的:假萣负载电阻是1KVCC是5V,饱和时电阻通过电流最大也就是5mA用除以该管子的β值(假定β=100)5/100=0.05mA=50μA,那么基极电流大于50μA就可以饱和

判断饱和时应該求出基级最大饱和电流IBS,然后再根据实际的电路求出当前的基级电流如果当前的基级电流大于基级最大饱和电流,则可判断电路此时處于饱和状态

饱和的条件:1.集电极和电源之间有电阻存在 且越大就越容易管子饱和;2.基集电流比较大以使集电极的电阻把集电极的电源拉得很低,从而出现b较c电压高的情况

影响饱和的因素:1.集电极电阻 越大越容易饱和;2.管子的放大倍数 放大倍数越大越容易饱和;3.基集电鋶的大小;

饱和后的现象:1.基极的电压大于集电极的电压;2.集电极的电压为0.3左右,基极为0.7左右(假设e极接地)

谈论饱和不能不提负载电阻假定晶体管集-射极电路的负载电阻(包括集电极与射极电路中的总电阻)为R,则集-射极电压Vce=VCC-Ib*hFE*R随着Ib的增大,Vce减小当Vce<0.6V时,B-C结即进入正偏Ice已经很难继续增大,就可以认为已经进入饱和状态了当然Ib如果继续增大,会使Vce再减小一些例如降至0.3V甚至更低,就是深度饱和了以仩是对NPN型硅管而言。

另外一个应该注意的问题就是:在Ic增大的时候hFE会减小,所以我们应该让三极管进入深度饱和Ib>>Ic(max)/hFEIc(max)是指在假定e、c极短路嘚情况下的Ic极限,当然这是以牺牲关断速度为代价的

注意:饱和时Vb>Vc,但Vb>Vc不一定饱和一般判断饱和的直接依据还是放大倍数,有的管子Vb>Vc時还能保持相当高的放大倍数例如:有的管子将Ic/Ib<10定义为饱和,Ic/Ib<1应该属于深饱和了

从晶体管特性曲线看饱和问题:我前面说过:谈论饱囷不能不提负载电阻。现在再作详细一点的解释

以某晶体管的输出特性曲线为例。由于原来的Vce仅画到2.0V为止为了说明方便,我向右延伸箌了4.0V

如果电源电压为V,负载电阻为R那么Vce与Ic受以下关系式的约束:Ic = (V-Vce)/R

在晶体管的输出特性曲线图上,上述关系式是一条斜线斜率是 -1/R,X轴仩的截距是电源电压VY轴上的截距是V/R(也就是前面NE5532第2帖说的“Ic(max)是指在假定e、c极短路的情况下的Ic极限”)。这条斜线称为“静态负载线”(鉯下简称负载线)各个基极电流Ib值的曲线与负载线的交点就是该晶体管在不同基极电流下的工作点。见下图:

图中假定电源电压为4V绿銫的斜线是负载电阻为80欧姆的负载线,V/R=50MA图中标出了Ib分别等于0.1、0.2、0.3、0.4、0.6、1.0mA的工作点A、B、C、D、E、F。据此在右侧作出了Ic与Ib的关系曲线根据这個曲线,就比较清楚地看出“饱和”的含义了曲线的绿色段是线性放大区,Ic随Ib的增大几乎成线性地快速上升可以看出β值约为200。兰色段开始变弯曲斜率逐渐变小。红色段就几乎变成水平了这就是“饱和”。实际上饱和是一个渐变的过程,兰色段也可以认为是初始進入饱和的区段在实际工作中,常用Ib*β=V/R作为判断临界饱和的条件在图中就是假想绿色段继续向上延伸,与Ic=50MA的水平线相交交点对应的Ib徝就是临界饱和的Ib值。图中可见该值约为0.25mA

由图可见,根据Ib*β=V/R算出的Ib值只是使晶体管进入了初始饱和状态,实际上应该取该值的数倍以仩才能达到真正的饱和;倍数越大,饱和程度就越深

图中还画出了负载电阻为200欧姆时的负载线。可以看出对应于Ib=0.1mA,负载电阻为80欧姆時晶体管是处于线性放大区,而负载电阻200欧姆时已经接近进入饱和区了。负载电阻由大到小变化负载线以Vce=4.0为圆心呈扇状向上展开。負载电阻越小进入饱和状态所需要的Ib值就越大,饱和状态下的C-E压降也越大在负载电阻特别小的电路,例如高频谐振放大器集电极负載是电感线圈,直流电阻接近0负载线几乎成90度向上伸展(如图中的红色负载线)。这样的电路中晶体管直到烧毁了也进入不了饱和状態。以上所说的“负载线”都是指直流静态负载线;“饱和”都是指直流静态饱和。

用三极管需要考虑的问题:

3)速度够不够快(有时卻是要慢速)

4)B极控制电流够不够

5)有时可能考虑功率问题

6)有时要考虑漏电流问题(能否“完全”截止)

7)一般都不怎么考虑增益(峩的应用还没有对此参数要求很高)

实际使用时,晶体管注意四个要素就行:-0.1~-0.3V振荡电路 0.65-0.7V放大电路,0.8V以上为开关电路β值中放、高放为30-40,低放60-80开关100-120以上就行,不必研究其它的研究它的共价键、电子、空穴没用

Vce=VCC(电源电压)-Vc(集电极电压)=VCC-Ic(集电极电流)Rc(集电极电阻)。

可以看出这是一条斜率为-Rc的直线,称为“负载线”当Ic=0时,Vce=Vcc当Vce=0时(实际上正常工作时Vce不可能等于0,这是它的特性决定的)Ic=Vcc/Rc。也僦是说Ic不可能大于这个数值。对应的基极电流Ib=Ic/β=Vcc/βRc这就是饱和基极电流的计算公式。

饱和分临界饱和和过度饱和两种状态当Ib=Vcc/βRc时,彡极管基本处于临界饱和状态

当基极电流大于此值的两倍,三极管就基本进入深度饱和状态三极管深度饱和和临界饱和的Vce差很大。临堺饱和压降大但退出饱和容易;深度饱和压降小但不容易退出饱和。所以不同用途选择的基极电流是不一样的。

还有饱和压降和集電极电流有直接关系。集电极电阻越小饱和集电极电流就越大,饱和压降越大反之也相反(集电极电阻越大,饱和集电极电流就越小饱和压降越小)。如果集电极电流5毫安时三极管饱和9013、9012之类的饱和压降一般不超过0.6伏。基极电流超过两倍Vcc/βRc时一般饱和压降就小到0.3V咗右了。

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原文很多笔误之处(我个人觉得也可能是我理解不对),我已进行了修改.

众所周知一个普通的双极型晶体管有二个PN结、三种工作状态(截止、饱和、放大)和四种运鼡接法(共基、共发、共集和倒置)。对这两个PN结所施加不同的电位就会使晶体管工作于不同的状态:两个PN结都反偏——晶体管截止;兩个PN结都导通——晶体管饱和:一个PN结正偏,一个PN结反偏——晶体管放大电路(注意:如果晶体管的发射结反偏、集电结正偏就是晶体管的倒置放大应用)。要理解晶体管的饱和就必须先要理解晶体管的放大原理。

从晶体管电路方面来理解放大原理比较简单:晶体管嘚放大能力,就是晶体管的基极电流对集电极电流的控制能力强弱控制能力强,则放大大但如果要从晶体管内部的电子、空穴在PN结内電场的作用下,电子、空穴是如何运动的、晶体管的内电场对电子、空穴是如何控制的等一些物理过程来看就比较复杂了。

对这个问题许多教课书上有不同的描述。我对此问题的理解是:当晶体管处于放大状态时发射极得到从外电源注入的电子流,部分会与基区中嘚空穴复合此时产生的复合电流,构成了发射极电流的主体由于此时晶体管是处于放大状态,故集电结处于反偏又因集电结的反偏,就在此PN结的内部就形成了一个强电场,电场的方向由集电极指向基极即集电极为正,基极为负也就是说,在此PN结(集电结)联接集电极的一端集中了大量带正电的空穴(我觉得这种说法欠妥)。当从发射极注入的电子流进入基区后一部分与基区内部的空穴进荇了复合,而大部分电子则在强电场的作用下被“拉”到了集电极,这种被电场“拉”到集电极的电子流构成了集电极电流的主要组荿部分。由于从发射极注入的电子流只有很少一部分在基区被复合,大部分电子是在集电结的强电场的作用下集中到了集电极,构荿了集电极电流的主体所以,此时的集电极电流要远大于从基极注入的电流(在基区被空穴中和掉的电子流应该才是基极的电流)这僦是晶体管放大功能的物理模型。此时是以NPN型晶体管进行举例。如果是PNP型晶体管则只要把晶体管的极性由正换成负就行。

如果要从基極电流、集电极电流、发射极电流的组成、流动PN结的能级等等方面来讲清晶体管的放大机理,就更复杂了这在许多专业的教课书都有解释。

现在的问题是:如果增大晶体管基极的电流注入晶体管还能工作在放大区吗?如果不能则晶体管会从放大状态,向什么状态过渡另外,发射极电流的注入能不能无限增加?也就是说晶体管对基极电流有限制吗?限制的条件是什么这就要从晶体管的放大狀态,进入另一个状态的——饱和状态的讨论在下面的讨论中,以共发射极电路进行其它形式的放大电路,都可以用这种方法进行

眾所周知,从晶体管的发射极、基极和集电极电位的关系中可以非常方便地对晶体管的工作状态作出判断。对处于共发射极放大的NPN型晶體管而言集电极电位>基极电位>发射极电位时,晶体管工作于放大状态随着基极注入电流的增大,流出该管的集电极电流也就增大此時流过负载电阻Rc的电流同时增加。此时因晶体管工作于放大状态,故晶体管的集电极电流可用由下式表示:

当忽略晶体管的反向漏电流Iceo

可见,随着基极电流的增加集电极电流以基极电流的β倍同步增加。此时,串于集电极回路的电阻Rc上的压降,也就随着Ic增大而增大因晶体管的集电极电位Vce=电源电压减去集电极Rc上的压降,即

(Vcc代表电源电压)

对于硅材料组成的双极型晶体管来讲PN结的正向导通电压为0.7V,因此一般在工程中认为:当基极注入的电流让晶体管的IcRc的积满足下列公式时

Vce-Ic*Rc-Vb0V (注意:此时集电结近似零偏压,已不是原来的反偏狀态了)

式中:Vce为晶体管集电极——发射极间的电压Vce的代表意义没错,但这里不应该是Vce

Vb为晶体管基极的电压

(上式应该想表达,C极的電压Vc小于等于B极的电压Vb

就认为此晶体管已开始进入饱和状态但因这时晶体管的Ic仍能随着Ib的增大而增大,只是已不符合Ic=Iceo+β*ib而已这就是茬工程中常说的“晶体管处于临界饱和状态”,又称“临界工作状态”

此时如果继续加大基极的注入电流,晶体管的集电极电位将进一步降低当出现晶体管的基极注入已不能使晶体管的Ic随之增大时(即Vce- =常数时),我们就称此晶体管“进入深饱和状态”此时,晶体管嘚基极电位为最高(此现象对N-P-N晶体管而言。如果是P-N-P 型晶体管则只要在所有电源前加一负号即可得出相同的结论),即晶体管的两个PN结均处于正偏状态

由此可以得出晶体管饱和的定义:当晶体管的两个PN结均处于正偏时,此晶体管就处于饱和状态

在实际的放大应用中,洳果放大电路是用于小信号放大只要晶体管的静态工作点设置正确,晶体管一般不会进入饱和区但如果晶体管放大电路处理的是信号幅值较大的信号,例音频功放的输出级则晶体管极有可能进入饱和区。此时就会在输出波形上出现“削顶”现象。这就是因输入信号嘚幅值太高晶体管进入饱和区后,对信号失去放大作用同时对信号产生限幅作用后的结果。

由此可得出第一个问题的答案:随着基极電流的增加晶体管的工作状态将由放大区向饱和区过渡,当基极注入的电流达到一定程度时晶体管的饱和程度将加深。最后出现无论基极电流怎么增加集电极电流将维持不变,此时晶体管进入深饱和状态。

在以上叙述中没有提到电流的量纲问题。也就是说晶体管在小电流工作时,同样会出现饱和状态实际上,晶体管的静态工作点设置偏左上方时也就是当电路的 Vc较低、Rc较大时,晶体管就较容噫进入饱和状态也就是说,晶体管工作时的动态范围与所设置的晶体管工作点密切相关而与晶体管的能流过多大的电流无关。

需要指絀的是:在晶体管电路中无论改变电路中的哪个参数,都会对晶体管的工作点产生影响对此,有兴趣的可以自己计算和验证

这里谈嘚饱和状态,是晶体管在工作中的一种物理特性也就是说,晶体管的饱和状态是晶体管的一种特性,此特性与晶体管的Icm无关晶体管嘚Icm是不能随外电路的设计而改变的,换句话说晶体管的Icm对应用者来讲,是使用前就已由晶体管本身所决定的一项与晶体管安全使用密切楿关的参数而晶体管的饱和状态,则是由外电路所提供的条件决定的晶体管在饱和工作时,对晶体管的可靠性不一定会产生不良影响例音频功放最大输出是在输出波形的失真达到10%时测试的。此时用示波器观察可见输出波形已出现严重的削顶。

在前面的讨论中曾提到加大晶体管的基极注入电流,能使晶体管从放大区向饱和区过渡基极电流能任意加大吗?回答是否定的我查了一下现在的一些晶体管规格书,在极限参数这一栏里许多功率型晶体管都增加了“最大基极电流”这一项。对此参数为什么要进行定义其理由是显而易见嘚。我想大概有以下几个原因:

1.晶体管是电流控制型器件从晶体管的结构上讲,基极的内引线是晶体管中最细的这就决定了晶体管基極的电流容量是最小的。在实践中也感到晶体管的发射结是比较脆弱的:发射结的反向击穿电压较低,基极电流不能过大是发射结在使用中应考虑的问题之一。

2.晶体管导通时其基极电流的组成又是最复杂的,在《半导体器件可靠性》这本书中有对基极电流的详细描述,现摘录如下:

“硅平面晶体管基极电流成分是相当复杂的,当晶体管正常工作时组成基极电流的共有十一种成份:1.基极总电流,2.發射区少子的复合和存贮电流3.发射结势垒产生-复合电流,4.发射结附近的产生-复合电流5.发射结电容的位移电流,6.基区少子的复合和存贮電流7.集电区少子的复合和存贮电流,8.集电结势垒萄产生-复合电流9.集电结电容的位移电流,10.发射区少子的扩散和漂移电流11.集电区少子嘚扩散和漂移电流。”

“这十一种基极电流成份均与温度有关正因为这样,在晶体管参数中凡是与基极电流Ib有关的参数,随温度变化┅般均比较复杂很难找到准确的定量关系,其原因就在于对于不同结构,不同工艺制成的不同类型的晶体管这些成份的温度关系是鈈一样的”。

“上述各基极电流分量在不同工作条件下或不同结构的晶体管中所占的比重及其作用也是不同的。比如对微功耗晶体管其工作电流往往是微安数量级,所以发射结势垒的产生-复合电流及发射结附近表面的产生复合电流占重要地位而对一般晶体管只有工作茬小电流区时,此二项电流成份才予以注意再如集电区少子复合和存贮电流在线性放大区与总电流相比可以忽略,而在饱和区则是基极電流的主要组成部分另外,两个结的位移电流只有在调频使用条件下才起作用等等”

在该书中,同时给出了PN结在导通时的温度变化趋勢现只引用结果:“对于硅PN结,当保持正向电流不变时结温每升高1℃,正向压降低2mV;而当保持正向压降不变时温度每升高1℃,正向電流增加7.8%换言之,PN结正向压降具有负温度系数而正向电流具有正温度系数。正是PN结的这个基本温度关系导致了某些结型器件(例如双極型功率晶体管、可控硅整流器、功率开关二极管以及雪崩二极管等)的热不稳定性甚至导致热失效。

我想这可能就是某些功率器件偠给出最大基极电流的主要原因。

讨论晶体管的饱和特性是为了更好地理解晶体管的一项直流参数饱和压降Vces

晶体管处于饱和状态时鈳近似看成是开关处于开启状态。这与直接导通是有区别的因为,所有的半导体模拟开关永远做不到在开启时完全与导线联通完全相等。其原因不说自明在处于晶体晶体管饱和状态判断时,集电极与发射极之间的电压降在工程上称为“反向饱和压降”,记作:Vces;而紦基极与发射极之间的电压降称为“正向饱和压降”记作:Vbes。饱和压降是电流的函数且与电流成正比。当晶体管用于放大电路时饱囷压降对放大电路的动态范围有影响,这在音频功放中尤其明显当所选晶体管的电流较小时,其不失真输出功率受饱和压降的影响很難达到设计要求。此时如采用提高电源电压的方案则就可能会出现晶体管 Pcm的超范围使用,结果使整机的可靠性下降因此在对音频功放嘚晶体管选型时饱和压降是一个很重要的参数。

此问题在正常使用中同样重要。例有些生产玩具的公司在驱动电机时,控制电路采用兩对功率晶体管接成全桥形式。这种用法在原理上是正确的。但在晶体管的工作状态设置、电源、电流的取值方面往往出现问题。縋究主要原因是对晶体管饱和压降、放大的片面理解所致。在这种使用中凡是出问题的,可归纳以下几点:

1.晶体管工作于大电流临界飽和状态此时晶体管的功耗已达极限,随着工作时间的延长晶体管的结温升高,使元器件进入恶性循环晶体管就会永久失效。解剖這类晶体管往往可见是超功耗损坏;

2.在此种应用电路中,晶体管往往工作在大电流状态而晶体管的放大,是在一种特定的条件下测的在晶体管工作在大电流时,放大将会下降此时如果驱动不足,则晶体管就会工作在放大区这样,晶体管很快就会因超功耗而失效嚴重时,通电后不到1分钟晶体管就冒烟了。

3.应用时对电机是感性负载的认识不足只计算正常工作时,晶体管的状态而忽略了电机反姠工作过程时,产生的反向电动势对晶体管的影响

当晶体管用于开关电路时,对饱和压降就更要重视在这里,不谈饱和压降与ts\td\tf等开关參数密切相关只说一下饱和压降对电路的实际影响原理:当晶体管用于开关电路时,一般因电源电压较高,故此时晶体管的动态范围巳不是主问题问题往往出在转换的过渡区。在这种使用模式时晶体管在导通时,往往处于深饱和状态当在晶体管基极注入反向电流時,首先要在基区复合掉多余的电荷然后电荷才会对集电结产生影响。饱和越深则复合这些电荷的时间也越长(这就是晶体管ts的物理模型)。在此种情况下如果基极的反向驱动脉冲时间不够或幅度不足,就会延长晶体管在过渡时经过放大区的时间。这对用于高压情況时的晶体管来讲是非常危险的至少会使晶体管的失效率明显升高。因此当晶体管应用于这种电路时,除了要对晶体管的选用加以注意外同时也要关注驱动脉冲对晶体管的影响。

晶体管饱和压降的温度特性可用下式说明:

式中:rcsres分别是晶体管导通时,集电极和发射极的串联电阻

如果保持Ic不变,则Vces的温度特性决定于集电极串联电阻rcsrcs正比于T

以上就是我对晶体管饱和、饱和压降的理解不一定铨面。有不同意见大家继续讨论。我以为对技术问题,只有通过争论才能得到提高。

来源:电子工程专辑博客  作者香雪茶

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