【導讀】三極管有放大、飽和、截止三種工作狀態(tài),放大電路中的三極管是否處于放大狀態(tài)或處于何種工作狀態(tài),是個難點。其實只要深刻理解三極管三種工作狀態(tài)的特點,分析電路中三極管處于何種工作狀態(tài)就會容易得多,下面結合例題來進行分析。
一.三種工作狀態(tài)的特點
1.三極管飽和狀態(tài)下的特點
要使三極管處于飽和狀態(tài),必須基極電流足夠大,即IB≥IBS。三極管在飽和時,集電極與發(fā)射極間的飽和電壓(UCES)很小,根據(jù)三極管輸出電壓與輸出電流關系式UCE=EC-ICRC,所以IBS=ICS/β=EC-UCES/β≈EC/βRC。三極管飽和時,基極電流很大,對硅管來說,發(fā)射結的飽和壓降UBES=0.7V(鍺管UBES=-0.3V),而UCES=0.3V,可見,UBE>0,UBC>0,也就是說,發(fā)射結和集電結均為正偏。三極管飽和后,C、E 間的飽和電阻RCE=UCES/ICS,UCES 很小,ICS 最大,故飽和電阻RCES很小。所以說三極管飽和后G、E 間視為短路,飽和狀態(tài)的NPN 型三極管等效電路如圖1a 所示。
2.三極管截止狀態(tài)下的特點要使三極管處于截止狀態(tài),必須基極電流IB=0,此時集電極IC=ICEO≈0(ICEO 為穿透電流,極小),根據(jù)三極管輸出電壓與輸出電流關系式UCE=EC-ICRC,集電極與發(fā)射極間的電壓UCE≈EC。
三極管截止時,基極電流IB=0,而集電極與發(fā)射極間的電壓UCE≈ECO 可見,UBE≤0,UBC<0,也就是說,發(fā)射結和集電結均為反偏。三極管截止后,C、E 間的截止電阻RCE=UCE/IC,UCES 很大,等于電源電壓,ICS 極小,C、E 間電阻RCE 很大,所以,三極管截止后C、E 間視為開路,截止狀態(tài)的NPN 型三極管等效電路如圖1b。
3.三極管放大狀態(tài)下的特點
要使三極管處于放大狀態(tài),基極電流必須為:00,對硅管來說,發(fā)射結的壓降UBE=0.7V(鍺管UBE=-0.3V),三極管在放大狀態(tài)時,集電極與發(fā)射極間的電壓UCE>1V 以上,UBE>0,UBC<0,也就是說,發(fā)射結正偏,集電結反偏。三極管在放大狀態(tài)時,IB 與IC 成唯一對應關系。當IB 增大時,IC 也增大,并且1B 增大一倍,IC 也增大一倍。所以,IC 主要受IB 控制而變化,且IC 的變化比IB 的變化大得多,即集電極電IC=β×IB。
二.確定電路中三極管的工作狀態(tài)
下面利用三極管三種工作狀態(tài)的特點和等效電路來分析實際電路中三極管的工作狀態(tài)。
例題:圖2 所示放大電路中,已知EC=12V,β=50,Ri=1kΩ,Rb=220kΩ,Rc=2kΩ,其中Ri 為輸入耦合電容在該位置的等效阻抗。問:1.當輸入信號最大值為+730mV,最小值為-730mV 時,能否經(jīng)該電路順利放大?2.當β=150 時,該電路能否起到正常放大作用?
分析:當向三極管的基極輸入正極性信號時,其基極電流會增大,容易進入飽和狀態(tài);當向三極管的基極輸入負極性信號時,其基極電流會減小,容易進入截止狀態(tài)。因此,解決輸入信號送入放大電路能否順利放大,主要是檢查最大值(一般為正極性)的輸入信號、最小值(一般為負極性)的輸入信號是否引起放大電路中三極管進入了飽和狀態(tài)、截止狀態(tài),如果兩種輸入信號都沒有使三極管進入飽和、截止狀態(tài),那么該范圍的輸入信號送入放大電路后能被順利放大。如果兩種輸入信號使三極管進入飽和或截止狀態(tài),則不能順利放大,會引起信號飽和失真或截止失真。
解1:
(1)當最大值信號(Ui=+730mV)輸入時,假設會引起放大電路的三極管進入飽和狀態(tài),
IB=I1+I2,利用戴維南定律,IB=(Ui-Ubss)/Ri+(Ec-Ubss)/Rb。
在飽和狀態(tài)下的三極管Ubss=0.7V,所以,三極管基極電流IB=(0.73-0.7)/1000+(120.7)/220000=30μ4+51.4μA=81.4μA,而三極管基極臨界飽和電流IBS=ICS/β=(EC-UCES)/β×RC,根據(jù)飽和狀態(tài)下的三極管UCES=0.3V,所以,IBS=(12-0.3)/(50×2000)=117μA。
根據(jù)以上計算可知:IB大值輸入信號(Ui=+730mV)輸入時,放大電路的三極管仍處于放大狀態(tài)。(2)當最小值輸入信號(Ui=-730mV)輸入時,假設會引起放大電路的三極管進入截止狀態(tài),則等效電路如圖4 所示。
-Ec+IRc+IRi+Ui=0,所以,I=(Ec-Ui)/(Rc+Ri)=[12-(-0.73)]/(1000+220000)=58μA,
Uba=-IRb+Ec=-58μA×220000+12V=-0.76V。
可知:Ube<0,根據(jù)三極管截止狀態(tài)的條件UBE≤0,假設成立,即當最小值輸入信號(Ui=-730mV)輸入時,放大電路的三極管處于截止狀態(tài)。綜上所述,當最大值為730mV,最小值為-730mV 的輸入信號輸入時,該放大電路不能順利放大。
解2:當β=150 時,三極管基極臨界飽和電流IBS=ICS/β=(EC-UCES)/βRC=(12-
0.3)/(150×2000)=39μA,而三極管的基極電流IB=(EC-UBEQ)/Rb=(12-0.7)/220000=51μA。
根據(jù)以上計算可知:IB>IBS,根據(jù)三極管飽和狀態(tài)的條件IB≥IBS,可知,電路中的三極管處
于飽和狀態(tài),即該電路不能起到正常放大作用。