如何判断三极管的三个工作状态

图说三极管的三个工作状态

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大家都知道三极管是电流控制型元件，三极管工作在放大状态下存在Ic=βIb的关系，怎么理解三极管的放大模型呢?这儿我们抛开三极管内部空穴和电子的运动，还是那句话只谈应用不谈原理，希望通过下面的“图解”让初学者对三极管有一个形象的认识。

　　三极管是一个以b(基极)电流Ib 来驱动流过CE 的电流Ic 的器件，它的工作原理很像一个可控制的阀门。

                     

                                                          图1

 

左边细管子里蓝色的小水流冲动杠杆使大水管的阀门开大，就可允许较大红色的水流通过这个阀门。当蓝色水流越大，也就使大管中红色的水流更大。如果放大倍数是100，那么当蓝色小水流为1 千克/小时，那么就允许大管子流过100千克/小时的水。三极管的原理也跟这个一样，放大倍数为100 时，当Ib(基极电流)为1mA 时，就允许100mA 的电流通过Ice。

 

　　有了这个形象的解释之后，我们再来看一个单片机里常用的电路。

                             

                                                                        图2

我们来分析一下这个电路，如果它的放大倍数是100，基极电压我们不计。基极电流就是10V&pide;10K=1mA，集电极电流就应该是100mA。根据欧姆定律，这样Rc上的电压就是0.1A×50Ω=5V。那么剩下的5V 就吃在了三极管的C、E 极上了。好!现在我们假如让Rb 为1K，那么基极电流就是10V&pide;1K=10mA，这样按照放大倍数100 算，Ic 就是不是就为1000mA 也就是1A 了呢?假如真的为1安，那么Rc 上的电压为1A×50Ω=50V。啊?50V!都超过电源电压了，三极管都成发电机了吗?其实不是这样的。见下图：

                                                         

 

我们还是用水管内流水来比喻电流，当这个控制电流为10mA 时使主水管上的阀开大到能流过1A 的电流，但是不是就能有1A 的电流流过呢?不是的，因为上面还有个电阻，它就相当于是个固定开度的阀门，它串在这个主水管的上面，当下面那个可控制的阀开度到大于上面那个固定电阻的开度时，水流就不会再增大而是等于通过上面那个固定阀开度的水流了，因此，下面的三极管再开大开度也没有用了。因此我们可以计算出那个固定电阻的最大电流10V&pide;50Ω=0.2A也就是200mA。就是说在电路中三极管基极电流增大集电极的电流也增大，当基极电流Ib 增大到2mA 时，集电极电流就增大到了200mA。当基极电流再增大时，集电极电流已不会再增大，就在200mA 不动了。此时上面那个电阻也就是起限流作用了。

　　上面讲的三极管是工作在放大状态，要想作为开关器件来应用呢?毫无疑问三极管必须进入饱和导通和截止状态。图4所示的电路中，我们从Q 的基极注入电流IB，那么将会有电流流入集电极，大小关系为：IC=βIB 。而至于BJT 发射结电压VBE，我们说这个并不重要，因为只要IB 存在且为正值时，这个结电压便一定存在并且基本恒定(约0.5～1.2V，一般的管子取0.7V 左右)，也就是我们所讲的发射结正偏。既然UBE 是固定的，那么，如果BJT 基极驱动信号为电压信号时，就必须在基极串联一个限流电阻，如图5。此时，基极电流为IB=(Ui-UBE)/RB。一般情况省略RB 是不允许的，因为这样的话IB 将会变得很大，造成前级电路或者是BJT 的损坏。

                                    

 

接下来进入我们最关心的问题：RB 如何选取。前面说到过IC=βIB，为了使晶体管进入饱和，我们必须增加IB，从而使IC 增大，RC 上的压降随之增大，直到RC 上几乎承受了所有的电源电压。此时，UCE 变得很小，约0.2～0.3V(对于大功率BJT，这个值可能达到2～3V)，也就是我们所说的饱和压降UCE(sat)。如果达到饱和时，我们忽略UCE(sat)，那么就有ICRL=βIBRL=Vcc。也就是只要保证IB≥IC/β或IB≥Vcc/(βRL)时，晶体管就能进入饱和状态。我们看这样一组数据：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就能满足要求了。但是，实际上，对于这种情况，如果取一个10kΩ以上的电阻都可能导致BJT 无法进入饱和状态。这是为什么呢?

　　因为我们的器件不是理想的，我们在来看下面一个图。

                            

 

这是我们常用的一款小信号BJT，型号为MMBT3904 的直流电压增益曲线。从图中可以看出，BJT 的共射极直流电压增益hFE(也就是通常意义下的β)不仅是温度的函数，而且与集电极电流有关。在一定的集电极电流范围内，hFE 基本为常数;当集电极电流大于一定值时，hFE 将急剧下降。产生这一现象的机理我们在这里就不讨论了。我们在使用BJT 作为开关时，大多数情况下用于驱动外部负载，如LED、继电器等，这些负载的电流一般较大，此时hFE 已经下降到远小于我们计算时使用的那个值。如前面的例子，如果这个BJT 为MMBT3904，集电极电流达到近50mA，此时的β(或hFE)已经下降到只要100 左右了，计算基极电阻时使用的β也应该取100 而不是200。

　　而实际应用中，IB 并不是越大越好，因为IB 对外电路来说是没有实质作用的，它仅仅是维持BJT 可靠导通的必要条件。IB 越大，驱动部分的损耗也就越大，从而降低了电路的效率。而且IB越大还会影响三极管的开关速率，这个我们后面再深究。

　　电子元件基础之三极管静态工作点

　　我们都知道，三极管的工作状态有三个，截止区，放大区，饱和区。那么三极管工作在什么工作状态是由什么决定的呢?是由基极电流(Ib)来决定的,和其他因素完全没有关系。

　　如果Ib = 0，则三极管工作在截止区。

　　如果0 < Ib ×β<饱和电流，则三极管工作在放大区。

　　如果 饱和电流

　　虽然说三极管的工作状态是由基极电流决定的，但是能够影响基极电流的因素就有几个，其中最重要的就是静态工作点。

　　在放大电路中，当有信号输入时，交流量与直流量共存。那什么是三极管的静态工作点呢?三极管静态工作点就是输入信号为零时，电路处于直流工作状态，这些电流、电压的数值可用BJT 特性曲线上一个确定的点表示，该点习惯上称为静态工作点Q。用我们的大俗话就是三极管处于静态工作状态的时候的基极电流。就是当没有交流信号输入到基极的时候，三极管的基极电流。

　　静态工作点是怎样影响三极管的呢? 静态工作点直接就会影响三极管的基极电流, 从而影响三极管工作在什么区域。 如果静态工作点靠近饱和区, 那么就很有可能部分的交流信号进入饱和区,没有进行放大, 造成饱和失真。 如果静态工作点靠近截止区, 那么也很有可能有部分的交流信号进入截止区, 造成截止失真。

　　那什么因素会影响静态工作点呢? 影响静态工作点的因素有很多, 最突出的两个就是偏置电阻和温度。 如果偏置电阻过大, 那么造成基极电流较小, 静态工作点比较靠近截止区. 如果偏置电阻过小,那么造成基极电流较大, 静态工作点比较靠近饱和区。 所以偏置电阻的选择很重要, 另外的一个重要因素是温度. 大家都知道, 温度的升高会造成半导体器件的导电性能增强, 对于三极管来讲, 就是放大倍数的增加。 所以也就产生了,很多种的抑制静态工作点漂移的电路了。

　　电子元件基础—MOS管

　　平时在实验室常用的器件还是三极管相对较多，对MOS管用得甚少，今年11月份雨滴科技有限公司寄来了六套STM32 DEMO_V1.2评估板，板子上面就有几颗MOS管，为了更好认识MOS管，在课本和网上查了许多资料，现在整理出来给大家分享。

　　由于水平有限在这儿我们只谈应用不谈原理。我们知道MOS管有P沟道和N沟道之分，给出一个MOS的电路符号，你是怎么判断它是N沟道，还是P沟道?下面我们就来看图1这颗MOS管电路符号。

                             

 

　请问：哪个脚是S(源极)、哪个脚是G(栅极)哪个脚是D(漏极)?D和S，是N沟道还是P沟道MOS?1脚和3脚之间存在一个二极管，这个二极管有什么作用?如果接入电路，一般哪个接输入哪个接输出?

　　MOS三个极怎么判断

                             

                                   

 

寄生二极管

　　在图1我们看到D极和S极之间存在着一个二极管，这个二极管叫寄生二极管。MOS的寄生二极管怎么来的呢?翻开大学里的模拟电路书里面并没有寄生二极管的介绍。在网上查了一番资料才知道，它是由生产工艺造成的，大功率MOS管漏极从硅片底部引出，就会有这个寄生二极管。小功率MOS管例如集成芯片中的MOS管是平面结构，漏极引出方向是从硅片的上面也就是与源极等同一方向，没有这个二极管。模拟电路书里讲得就是小功率MOS管的结构，所以没有这个二极管。但D极和衬底之间都存在寄生二极管，如果是单个晶体管，衬底当然接S极，因此自然在DS之间有二极管。如果在IC里面，N—MOS衬底接最低的电压，P—MOS衬底接最高电压，不一定和S极相连，所以DS之间不一定有寄生二极管。那么寄生二极管起什么作用呢?当电路中产生很大的瞬间反向电流时，可以通过这个二极管导出来，不至于击穿这个MOS管。(起到保护MOS管的作用)

　　寄生二极管方向判定

                           

 

MOS管的应用

　　开关作用

　　我们笔记本主板上用得最多的电子器件便是MOS管，可见MOS管在低功耗方面应用得非常广泛，MOS管都有哪些应用呢?先来看下面的原理图

                                        

相信你从图5可以看出MOS管在电路中的作用了吧，以上的MOS开关实现的是信号切换(高低电平的切换)，那么MOS在电路中要实现开关作用应该满足什么条件呢?还有前面提过MOS管接入电路哪个极接输入哪个极接输出(提示：寄生二极管是关键)?我们先看MOS管做开关时在电路的接法。

                                 

 

想一想为什么是这样接呢?反过来接行不行?那是不行的。就拿NMOS管来说S极做输入D极做输出，由于寄生二极管直接导通，因此S极电压可以无条件到D极，MOS管就失去了开关的作用，同理PMOS管反过来接同样失去了开关作用。接下来谈谈MOS管的开关条件，我们可以这么记，不论是P沟道还是N沟道，G极电压都是与S极电压做比较：

　　N沟道： UG>US时导通。 (简单认为)UG=US时截止。

　　P沟道： UG 

　　但UG比US大(或小)多少伏时MOS管才会饱和导通呢?这要看具体的MOS管，不同的MOS管要求的压差不同。比如笔记本上用于信号切换的MOS管：N7002，2N7002E，2N7002K，2N7002D，FDV301N等。UG比US大3V---5V即可。

　　隔离作用

　　如果我们想实现线路上电流的单向流通，比如只让电流由A->B，阻止由B->A，请问该怎么做?

                 

但这样的做法有一个缺点，二极管上会产生一个压降，损失一些电压信号。而使用MOS管做隔离，在正向导通时，在控制极加合适的电压，可以让MOS管饱和导通，这样通过电流时几乎不产生压降。下面我们来看一个防电源反接电路。

 

                         

 

这个电路当电源反接时NMOS管截止，保护了负载。电源正接时由于NMOS管导通压降比较小，几乎不损失电压，比在电源端加保险管再在负载并联一个二极管的方案好一些。

 

大家都知道三极管是电流控制型元件，三极管工作在放大状态下存在Ic=βIb的关系，怎么理解三极管的放大模型呢?这儿我们抛开三极管内部空穴和电子的运动，还是那句话只谈应用不谈原理，希望通过下面的“图解”让初学者对三极管有一个形象的认识。

　　三极管是一个以b(基极)电流Ib 来驱动流过CE 的电流Ic 的器件，它的工作原理很像一个可控制的阀门。

                     

                                                          图1

 

左边细管子里蓝色的小水流冲动杠杆使大水管的阀门开大，就可允许较大红色的水流通过这个阀门。当蓝色水流越大，也就使大管中红色的水流更大。如果放大倍数是100，那么当蓝色小水流为1 千克/小时，那么就允许大管子流过100千克/小时的水。三极管的原理也跟这个一样，放大倍数为100 时，当Ib(基极电流)为1mA 时，就允许100mA 的电流通过Ice。

 

　　有了这个形象的解释之后，我们再来看一个单片机里常用的电路。

                             

                                                                        图2

我们来分析一下这个电路，如果它的放大倍数是100，基极电压我们不计。基极电流就是10V&pide;10K=1mA，集电极电流就应该是100mA。根据欧姆定律，这样Rc上的电压就是0.1A×50Ω=5V。那么剩下的5V 就吃在了三极管的C、E 极上了。好!现在我们假如让Rb 为1K，那么基极电流就是10V&pide;1K=10mA，这样按照放大倍数100 算，Ic 就是不是就为1000mA 也就是1A 了呢?假如真的为1安，那么Rc 上的电压为1A×50Ω=50V。啊?50V!都超过电源电压了，三极管都成发电机了吗?其实不是这样的。见下图：

                                                         

                                                                              图3

 

我们还是用水管内流水来比喻电流，当这个控制电流为10mA 时使主水管上的阀开大到能流过1A 的电流，但是不是就能有1A 的电流流过呢?不是的，因为上面还有个电阻，它就相当于是个固定开度的阀门，它串在这个主水管的上面，当下面那个可控制的阀开度到大于上面那个固定电阻的开度时，水流就不会再增大而是等于通过上面那个固定阀开度的水流了，因此，下面的三极管再开大开度也没有用了。因此我们可以计算出那个固定电阻的最大电流10V&pide;50Ω=0.2A也就是200mA。就是说在电路中三极管基极电流增大集电极的电流也增大，当基极电流Ib 增大到2mA 时，集电极电流就增大到了200mA。当基极电流再增大时，集电极电流已不会再增大，就在200mA 不动了。此时上面那个电阻也就是起限流作用了。

　　上面讲的三极管是工作在放大状态，要想作为开关器件来应用呢?毫无疑问三极管必须进入饱和导通和截止状态。图4所示的电路中，我们从Q 的基极注入电流IB，那么将会有电流流入集电极，大小关系为：IC=βIB 。而至于BJT 发射结电压VBE，我们说这个并不重要，因为只要IB 存在且为正值时，这个结电压便一定存在并且基本恒定(约0.5～1.2V，一般的管子取0.7V 左右)，也就是我们所讲的发射结正偏。既然UBE 是固定的，那么，如果BJT 基极驱动信号为电压信号时，就必须在基极串联一个限流电阻，如图5。此时，基极电流为IB=(Ui-UBE)/RB。一般情况省略RB 是不允许的，因为这样的话IB 将会变得很大，造成前级电路或者是BJT 的损坏。

                                    

                                                                图4、图5

 

接下来进入我们最关心的问题：RB 如何选取。前面说到过IC=βIB，为了使晶体管进入饱和，我们必须增加IB，从而使IC 增大，RC 上的压降随之增大，直到RC 上几乎承受了所有的电源电压。此时，UCE 变得很小，约0.2～0.3V(对于大功率BJT，这个值可能达到2～3V)，也就是我们所说的饱和压降UCE(sat)。如果达到饱和时，我们忽略UCE(sat)，那么就有ICRL=βIBRL=Vcc。也就是只要保证IB≥IC/β或IB≥Vcc/(βRL)时，晶体管就能进入饱和状态。我们看这样一组数据：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就能满足要求了。但是，实际上，对于这种情况，如果取一个10kΩ以上的电阻都可能导致BJT 无法进入饱和状态。这是为什么呢?

　　因为我们的器件不是理想的，我们在来看下面一个图。

                            

 

这是我们常用的一款小信号BJT，型号为MMBT3904 的直流电压增益曲线。从图中可以看出，BJT 的共射极直流电压增益hFE(也就是通常意义下的β)不仅是温度的函数，而且与集电极电流有关。在一定的集电极电流范围内，hFE 基本为常数;当集电极电流大于一定值时，hFE 将急剧下降。产生这一现象的机理我们在这里就不讨论了。我们在使用BJT 作为开关时，大多数情况下用于驱动外部负载，如LED、继电器等，这些负载的电流一般较大，此时hFE 已经下降到远小于我们计算时使用的那个值。如前面的例子，如果这个BJT 为MMBT3904，集电极电流达到近50mA，此时的β(或hFE)已经下降到只要100 左右了，计算基极电阻时使用的β也应该取100 而不是200。

　　而实际应用中，IB 并不是越大越好，因为IB 对外电路来说是没有实质作用的，它仅仅是维持BJT 可靠导通的必要条件。IB 越大，驱动部分的损耗也就越大，从而降低了电路的效率。而且IB越大还会影响三极管的开关速率，这个我们后面再深究。

　　电子元件基础之三极管静态工作点

　　我们都知道，三极管的工作状态有三个，截止区，放大区，饱和区。那么三极管工作在什么工作状态是由什么决定的呢?是由基极电流(Ib)来决定的,和其他因素完全没有关系。

　　如果Ib = 0，则三极管工作在截止区。

　　如果0 < Ib ×β<饱和电流，则三极管工作在放大区。

　　如果 饱和电流

　　虽然说三极管的工作状态是由基极电流决定的，但是能够影响基极电流的因素就有几个，其中最重要的就是静态工作点。

　　在放大电路中，当有信号输入时，交流量与直流量共存。那什么是三极管的静态工作点呢?三极管静态工作点就是输入信号为零时，电路处于直流工作状态，这些电流、电压的数值可用BJT 特性曲线上一个确定的点表示，该点习惯上称为静态工作点Q。用我们的大俗话就是三极管处于静态工作状态的时候的基极电流。就是当没有交流信号输入到基极的时候，三极管的基极电流。

　　静态工作点是怎样影响三极管的呢? 静态工作点直接就会影响三极管的基极电流, 从而影响三极管工作在什么区域。 如果静态工作点靠近饱和区, 那么就很有可能部分的交流信号进入饱和区,没有进行放大, 造成饱和失真。 如果静态工作点靠近截止区, 那么也很有可能有部分的交流信号进入截止区, 造成截止失真。

　　那什么因素会影响静态工作点呢? 影响静态工作点的因素有很多, 最突出的两个就是偏置电阻和温度。 如果偏置电阻过大, 那么造成基极电流较小, 静态工作点比较靠近截止区. 如果偏置电阻过小,那么造成基极电流较大, 静态工作点比较靠近饱和区。 所以偏置电阻的选择很重要, 另外的一个重要因素是温度. 大家都知道, 温度的升高会造成半导体器件的导电性能增强, 对于三极管来讲, 就是放大倍数的增加。 所以也就产生了,很多种的抑制静态工作点漂移的电路了。

　　电子元件基础—MOS管

　　平时在实验室常用的器件还是三极管相对较多，对MOS管用得甚少，今年11月份雨滴科技有限公司寄来了六套STM32 DEMO_V1.2评估板，板子上面就有几颗MOS管，为了更好认识MOS管，在课本和网上查了许多资料，现在整理出来给大家分享。

　　由于水平有限在这儿我们只谈应用不谈原理。我们知道MOS管有P沟道和N沟道之分，给出一个MOS的电路符号，你是怎么判断它是N沟道，还是P沟道?下面我们就来看图1这颗MOS管电路符号。

                             

                                                                            图1

 

　请问：哪个脚是S(源极)、哪个脚是G(栅极)哪个脚是D(漏极)?D和S，是N沟道还是P沟道MOS?1脚和3脚之间存在一个二极管，这个二极管有什么作用?如果接入电路，一般哪个接输入哪个接输出?

　　MOS三个极怎么判断

                             

                                                                        图2

 

它们是N沟道还是P沟道

                                   

                                                                     图3

 

寄生二极管

　　在图1我们看到D极和S极之间存在着一个二极管，这个二极管叫寄生二极管。MOS的寄生二极管怎么来的呢?翻开大学里的模拟电路书里面并没有寄生二极管的介绍。在网上查了一番资料才知道，它是由生产工艺造成的，大功率MOS管漏极从硅片底部引出，就会有这个寄生二极管。小功率MOS管例如集成芯片中的MOS管是平面结构，漏极引出方向是从硅片的上面也就是与源极等同一方向，没有这个二极管。模拟电路书里讲得就是小功率MOS管的结构，所以没有这个二极管。但D极和衬底之间都存在寄生二极管，如果是单个晶体管，衬底当然接S极，因此自然在DS之间有二极管。如果在IC里面，N—MOS衬底接最低的电压，P—MOS衬底接最高电压，不一定和S极相连，所以DS之间不一定有寄生二极管。那么寄生二极管起什么作用呢?当电路中产生很大的瞬间反向电流时，可以通过这个二极管导出来，不至于击穿这个MOS管。(起到保护MOS管的作用)

　　寄生二极管方向判定

                           

                                                                           图4

 

MOS管的应用

　　开关作用

　　我们笔记本主板上用得最多的电子器件便是MOS管，可见MOS管在低功耗方面应用得非常广泛，MOS管都有哪些应用呢?先来看下面的原理图

                                        

 

                                                                      图5

相信你从图5可以看出MOS管在电路中的作用了吧，以上的MOS开关实现的是信号切换(高低电平的切换)，那么MOS在电路中要实现开关作用应该满足什么条件呢?还有前面提过MOS管接入电路哪个极接输入哪个极接输出(提示：寄生二极管是关键)?我们先看MOS管做开关时在电路的接法。

                                 

                                                                       图6

 

想一想为什么是这样接呢?反过来接行不行?那是不行的。就拿NMOS管来说S极做输入D极做输出，由于寄生二极管直接导通，因此S极电压可以无条件到D极，MOS管就失去了开关的作用，同理PMOS管反过来接同样失去了开关作用。接下来谈谈MOS管的开关条件，我们可以这么记，不论是P沟道还是N沟道，G极电压都是与S极电压做比较：

　　N沟道： UG>US时导通。 (简单认为)UG=US时截止。

　　P沟道： UG 

　　但UG比US大(或小)多少伏时MOS管才会饱和导通呢?这要看具体的MOS管，不同的MOS管要求的压差不同。比如笔记本上用于信号切换的MOS管：N7002，2N7002E，2N7002K，2N7002D，FDV301N等。UG比US大3V---5V即可。

　　隔离作用

　　如果我们想实现线路上电流的单向流通，比如只让电流由A->B，阻止由B->A，请问该怎么做?

                 

但这样的做法有一个缺点，二极管上会产生一个压降，损失一些电压信号。而使用MOS管做隔离，在正向导通时，在控制极加合适的电压，可以让MOS管饱和导通，这样通过电流时几乎不产生压降。下面我们来看一个防电源反接电路。

 

                         

 

这个电路当电源反接时NMOS管截止，保护了负载。电源正接时由于NMOS管导通压降比较小，几乎不损失电压，比在电源端加保险管再在负载并联一个二极管的方案好一些。