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主动模式操作 (BJT)

当晶体管处于完全关断状态(如打开的开关)时,称为 截止 .相反,当它在发射极和集电极之间完全导电时(通过集电极的电流与集电极电源和负载允许的一样多),则称为 饱和 .这是两种操作模式 迄今为止探索使用晶体管作为开关。

然而,双极晶体管不必局限于这两种极端的操作模式。正如我们在上一节中了解到的,基极电流为通过集电极的有限电流“打开了一个门”。如果受控电流的此限制大于零但小于电源和负载电路允许的最大值,晶体管将在截止和饱和之间的某个模式下“节流”集电极电流。这种操作方式称为 活动 模式。

截止、饱和和主动模式

晶体管的汽车类比 操作如下:

截止模式 - 是指汽车的机械部件没有产生动力使其运动的状态。在截止模式下,制动器接合(零基极电流),防止运动(集电极电流)。

主动模式 - 是汽车以驾驶员指定的恒定、受控速度(恒定、受控集电极电流)巡航。

S 成熟度 - 汽车驶上陡峭的山坡,使其无法像驾驶员希望的那样快。换句话说,一辆“饱和”汽车是加速踏板被踩下的汽车(基极电流需要比电源/负载电路所能提供的更多的集电极电流)。让我们为 SPICE 仿真设置一个电路,以演示当晶体管处于活动工作模式时会发生什么。 (下图)

<前> 双极晶体管模拟 i1 0 1 直流 20u q1 2 1 0 mod1 电流表 3 2 dc 0 v1 3 0 直流 .model mod1 npn .dc v1 0 2 0.05 .plot dc i(电流表) 。结尾

“主动模式”SPICE 仿真电路和网表。

“Q”是示意图中晶体管的标准字母名称,就像“R”代表电阻器而“C”代表电容器一样。在这个电路中,我们有一个由电池 (V1) 供电的 NPN 晶体管,并由通过电流源的电流控制 (I1).

电流源是一种输出特定电流量的设备,在其端子上产生或多或少的电压,以确保通过它的准确电流量。众所周知,电流源在自然界中很难找到(不像电压源,相比之下,电压源试图保持恒定电压,在完成该任务时输出尽可能多或尽可能少的电流),但可以用少量电子元件进行模拟.正如我们即将看到的,晶体管本身倾向于模仿电流源的恒流行为,以调节 电流为固定值。

在 SPICE 仿真中,我们将电流源 (I1) 设置为 20 µA 的恒定值,然后在 0 到 2 伏的范围内改变电压源 (V1) 并监控流过它的电流量。上图中输出为0伏的“虚拟”电池(Vammeter)仅用于为SPICE提供用于电流测量的电路元件。

扫描集电极电压为 0 至 2 V,基极电流恒定为 20 µA,在饱和区产生恒定的 2 mA 集电极电流。

20 µA 的恒定基极电流将集电极电流限制设置为 2 mA,正好是其 100 倍。请注意,在 0 到 2 伏的电池电压范围内,集电极电流的曲线有多平坦(上图)。这个毫无特色的情节的唯一例外是在开始时,电池从 0 伏增加到 0.25 伏。在那里,集电极电流从 0 安培迅速增加到 2 mA 的极限。

让我们看看如果我们在更宽的范围内改变电池电压会发生什么,这次是从 0 到 50 伏。我们将保持基极电流稳定在 20 µA。 (下图)

双极晶体管模拟 i1 0 1 直流 20u q1 2 1 0 mod1 电流表 3 2 dc 0 v1 3 0 直流 .model mod1 npn .dc v1 0 50 2 .plot dc i(电流表) 。结尾 

扫描集电极电压为 0 到 50 V,基极电流恒定为 20 µA,可产生恒定的 2 mA 集电极电流。

结果一样!尽管电池 (v1) 电压在 0 到 50 伏之间变化,但上图中的集电极电流保持稳定在 2 mA。从我们的模拟中可以看出,集电极到发射极电压对集电极电流的影响很小,除非在非常低的水平(刚好高于 0 伏)。晶体管充当电流调节器,仅允许 2 mA 电流通过集电极,仅此而已。

现在让我们看看如果我们将控制 (I1) 电流从 20 µA 增加到 75 µA,再次将电池 (V1) 电压从 0 伏扫描到 50 伏,并在下图绘制集电极电流,会发生什么情况。

双极晶体管模拟 i1 0 1 直流 75u q1 2 1 0 mod1 电流表 3 2 dc 0 v1 3 0 直流 .model mod1 npn .dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u .plot dc i(电流表) 。结尾 

扫描集电极电压为 0 到 50 V (.dc v1 0 50 2),基极电流恒定为 75 µA,产生恒定的 7.5 mA 集电极电流。其他曲线由 DC 分析语句 (.dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u) 中的电流扫描 (i1 15u 75u 15u) 生成。

毫不奇怪,SPICE 为我们提供了一个类似的图:一条平坦的线,这次在 7.5 mA 保持稳定 - 正好是基极电流的 100 倍 - 在从略高于 0 伏到 50 伏的电池电压范围内。看来基极电流是集电极电流的决定因素,V1电池电压只要高于某个最小值就无关紧要。

这种电压/电流关系与我们在电阻上看到的完全不同。对于电阻器,电流随着其两端电压的增加而线性增加。在这里,对于晶体管,无论发射极和集电极两端的电压增加多高,从发射极到集电极的电流都被限制在一个固定的最大值。

如下图所示,将不同基极电流的多个集电极电流/电压图叠加在同一张图上通常很有用。像这样的一组曲线——针对每个不同的基极电流水平绘制的一条曲线——对于特定的晶体管称为晶体管的特性曲线 :

不同基极电流下集电极电流与集电极-发射极电压的关系。

对于给定的基极电流量,图中的每条曲线都反映了晶体管的集电极电流,在集电极到发射极电压范围内绘制。由于晶体管往往充当电流调节器,将集电极电流限制为由基极电流设定的比例,因此将这个比例表示为标准晶体管性能指标是有用的。具体来说,集电极电流与基极电流之比称为 Beta 比率(用希腊字母 β 表示):

有时 β 比率被指定为“h ,” 在数学半导体分析的一个分支中使用的标签,称为“混合参数 ”,它致力于通过详细的方程式来实现对晶体管性能的精确预测。混合参数变量很多,但每个变量都标有通用字母“h”和特定下标。变量“hfe”只是表示集电极电流与基极电流之比的另一种(标准化)方式,可与“β”互换。β 比值是无单位的。

任何晶体管的β由其设计决定:它在制造后不能改变。 由于影响 β 的物理变量,很少有两个相同设计的晶体管完全匹配。如果电路设计依赖于多个晶体管之间相等的 β 比率,则可能需要额外付费购买“匹配组”的晶体管。然而,设计具有这种依赖性的电路通常被认为是不好的设计做法。

晶体管的 β 并非在所有工作条件下都保持稳定 .对于实际的晶体管,β 比值在其工作电流限制范围内的变化可能超过 3 倍。例如,根据集电极电流的大小、晶体管的温度和放大信号的频率等因素,一个 β 为 50 的晶体管可能会在 Ic/Ib 比率低至 30 和高至 100 的情况下进行测试。出于教学目的,假设任何给定晶体管的常数 β 就足够了;意识到现实生活没那么简单!

有时,使用一组更简单、更易于理解的组件对复杂的电子组件进行“建模”有助于理解。下图中的模型在很多电子学入门教材中都有使用。

基本二极管-电阻晶体管模型。

该模型将晶体管视为二极管和变阻器(可变电阻器)的组合。通过基极-发射极二极管的电流控制集电极-发射极变阻器的电阻(如连接两个组件的虚线所示),从而控制集电极电流。图中所示为 NPN 晶体管,但 PNP 晶体管仅略有不同(只有基极 - 发射极二极管会反转)。

该模型成功地说明了晶体管放大的基本概念:基极电流信号如何控制集电极电流。然而,该模型误解了对于给定的基极电流量的集电极-发射极电阻的设定量的概念。如果这是真的,晶体管就不会调节 集电极电流完全如特性曲线所示。随着集电极-发射极电压的增加,集电极电流曲线不会在短暂上升后变平,而是与集电极-发射极电压成正比,在曲线图上呈直线稳定上升。

更高级的教科书中常见的更好的晶体管模型如下图所示。

晶体管的电流源模型。

它将晶体管作为二极管和电流源的组合,电流源的输出设置为基极电流的倍数(β 比)。该模型在描述晶体管的真实输入/输出特性时要准确得多:基极电流建立一定量的集电极电流 ,而不是一定数量的集电极-发射极电阻 正如第一个模型所暗示的那样。此外,该模型在对晶体管电路进行网络分析时很受欢迎,电流源是一个很好理解的理论组件。不幸的是,使用电流源来模拟晶体管的电流控制行为可能会产生误导:晶体管绝不会充当 的电能。电流源没有模拟它的能量来源是外部电源,类似于放大器。

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