三極管飽和及深度飽和狀態(tài)的理解和判斷!
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(lái)一天生產(chǎn)100部，利潤(rùn)好幾萬(wàn)，資本家覺(jué)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(lái)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(guò)800部時(shí)，利潤(rùn)就不再成比例上升了，而是緩慢上升，超過(guò)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(shuō)，輸入端沒(méi)有一點(diǎn)電流，輸出端還是有些微電流的。從這個(gè)過(guò)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(guò)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。
三極管飽和問(wèn)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(wèn)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(guò)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(wèn)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(wèn)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(wèn)題：我前面說(shuō)過(guò)：談?wù)擄柡筒荒懿惶嶝?fù)載電阻。現(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(lái)的Vce僅畫到2.0V為止，為了說(shuō)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(shuō)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(jiàn)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(guò)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(jiàn)該值約為0.25mA。
由圖可見(jiàn)，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。可以看出，對(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(shuō)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(wèn)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(wèn)題
6)有時(shí)要考慮漏電流問(wèn)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(méi)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(méi)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(shuō)，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(guò)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(guò)0.6伏。基極電流超過(guò)兩倍Vcc/βRc時(shí)，一般飽和壓降就小到0.3V左右了。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2018-01-05
