
BJT的開關作用對應于觸點開關的"斷開"和"閉合"。如圖1(a)所示為一個共發射極晶體三極管開關電路。
圖1 BJT的開關工作狀態
圖4.2.1(a)中BJT為NPN型硅管。電阻Rb為基極電阻,電阻Rc為集電極電阻,晶體三極管T的基極b起控制的作用,通過它來控制開關開閉動作,集電極c及發射極e形成開關兩個端點,由b極來控制其開閉,c.e兩端的電壓即為開關電路的輸出電壓vO。當輸入電壓vI為高電平時,晶體管導通,相當于開關閉合,所以集電極電壓vc≈0,即輸出低電平,而集電極電流iC≈VCC/RC。當輸入電壓vI為低電平時,由圖可見,晶體管截止,相當于開關斷開,所以得集電極電流iC≈0,而集電極電壓vc≈VCC,即輸出為高電平。這就是晶體三極管的理想穩態開關特性。
晶體三極管的實際開關特性決定于管子的工作狀態。晶體三極管輸出特性三個工作區,即截止區、放大區、飽和區,如圖4.2.1(b)所示。
如果要使晶體三極管工作于開關的接通狀態,就應該使之工作于飽和區;要使晶體三極管工作于開關的斷開狀態,就應該使之工作于截止區,發射極電流iE=0,這時晶體三極管處于截止狀態,相當于開關斷開。集電結加有反向電壓,集電極電流iC=ICBO,而基極電流iB=-ICBO。說明三極管截止時,iB并不是為0,而等于-ICBO。
基極開路時,外加電源電壓VCC使集電結反向偏置,發射結正向偏置晶體三極管基極電流iB=0時,晶體管并未進入截止狀態,這時iE=iC =ICEO還是較大的。
晶體管進入截止狀態,晶體管基極與發射極之間加反向電壓,這時只存在集電極反向飽和電流ICBO,iB =-ICBO,iE=0,為臨界截止狀態。進一步加大基極電壓的絕對值,當大于VBO時,發射結處于反向偏置而截止,流過發射結的電流為反向飽和電流IEBO,這時晶體管進入截止狀態iB = -(ICBO+ IEBO),iC= ICBO。
發射結外加正向電壓不斷升高,集電極電流不斷增加。同時基極電流也增加,隨著基極電流iB 的增加基極電位vB升高,而隨著集電極電流iC的增加,集電極電位vC卻下降。當基極電流iB增大到一定值時,將出現vBE =vCE的情況。這時集電結為零偏,晶體管出現臨界飽和。如果進一步增大iB ,iB增大,使得集電結由零偏變為正向偏置,集電結位壘降低,集電區電子也將注入基區,從而使集電極電流iC隨基極電流iB的增大而增大的速度減小。這時在基區存儲大量多余電子-空穴對,當iB繼續增大時,iC基本維持不變,即iB失去對iC的控制作用,或者說這時晶體管的放大能力大大減弱了。這時稱晶體管工作于飽和狀態。一般地說,在飽和狀態時飽和壓降VBE(sat)近似等于0.7V,VCE(sat)近似等于0.3V。由圖4.2.1(a)可看出,集電極電流iC的增加受外電路的限制。由電路可得出iC的最大值為ICM= VCC/ RC。晶體管進入飽和狀態,基極電流增大,集電極電流變化很小,即iC=ICS=(VCC-VBE(sat))/RC晶體管處于臨界飽和時的基極電流為IBS=ICS/β=(VCC-VBE(sat))/βRC
結論:晶體三極管工作在飽和區時,其集電結及發射結均處于正向偏置的導通狀態。這時集電區和發射區的電子分別越過位壘向基區注入,基區存儲了大量多余電子-空穴對而呈飽和狀態。
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