从晶体管电路方面来理解放大原理!对晶体管饱和、饱和压降的理解.doc
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1、从晶体管电路方面来理解放大原理!对晶体管饱和、饱和压降的理解众所周知,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)和四种运用接法(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;两个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:晶体管的放大能力,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
2、果要从晶体管内部的电子、空穴在PN结内电场的作用下,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,基极得到从外电源注入的电子流,部分会与基区中的空穴复合,此时产生的复合电流,构成了基极电流的主体。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。当从基极注入的电子流进入基区后,一部分与基
3、区内部的空穴进行了复合,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成部分。由于从基极注入的电子流,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,构成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,这就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。如果要从基极电流、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
4、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,基极电流的注入,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状态,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。众所周知,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型晶体管而言,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。此时流过负载电阻Rc的电流
5、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:Ic=Iceo+*ib当忽略晶体管的反向漏电流Iceo时,Ic*ib可见,随着基极电流的增加,集电极电流以基极电流的倍同步增加。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Vce=VcIc*Rc;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Ic与Rc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,已不是原来的反偏状态了)式中:Vce为晶
6、体管集电极发射极间的电压,Vb为晶体管基极的电压。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+*ib而已。这就是在工程中常说的“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-Ic*Rc)- Vb=常数时),我们就称此晶体管“进入深饱和状态”。此时,晶体管的基极电位为最高(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
7、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,如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。这就是因输入信号的幅值太高,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:随着基极电流的增加,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
8、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,晶体管就较容易进入饱和状态。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。需要指出的是: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。这里谈的饱和状态,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Ic
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