如何使 NPN 晶体管饱和?

电器工程 晶体管 bjt 饱和
2022-01-12 01:36:37

我知道在“饱和模式”下,BJT 用作一个简单的开关。我在驱动 LED 之前使用过它,但我不确定我是否清楚地了解我是如何让晶体管进入那种状态的。

BJT 是否会因将 Vbe 提高到某个阈值以上而变得饱和?我对此表示怀疑,因为据我所知,BJT 是电流控制的,而不是电压控制的。

BJT 是否会因允许 Ib 超过某个阈值而变得饱和?如果是这样,这个阈值是否取决于连接到收集器的“负载”?晶体管是否饱和仅仅是因为 Ib 足够高以至于晶体管的贝塔不再是 Ic 的限制因素?

4个回答

基本上,当基极-发射极和基极-集电极结都正向偏置时,晶体管就会进入饱和状态。因此,如果集电极电压低于基极电压,而发射极电压低于基极电压,则晶体管处于饱和状态。

考虑这个公共发射极放大器电路。如果集电极电流足够高,则电阻两端的电压降将足够大,以将集电极电压降低到基极电压以下。但请注意,集电极电压不能太低,因为基极-集电极结会像一个正向偏置二极管!因此,基极-集电极结上会有一个电压降,但它不会是通常的 0.7V,它更像是 0.4V。

共发射极放大器

你如何使它脱离饱和状态?您可以减少对晶体管的基极驱动量(降低电压或降低电流),这将降低集电极电流,这意味着集电极电阻上的电压降也会降低。这应该会增加集电极的电压并采取行动使晶体管脱离饱和状态。在“极端”情况下,这就是您关闭晶体管时所做的事情。基础驱动器被完全移除。为零,也是如此。因此,也为零,集电极电阻就像一个上拉电阻,使集电极电压上升到VbeIbVbeIbIcVCC

对您的陈述的后续评论

BJT 是否会因将 Vbe 提高到某个阈值以上而变得饱和?我对此表示怀疑,因为据我所知,BJT 是电流控制的,而不是电压控制的。

有许多不同的方式来描述晶体管的操作。一是描述不同端子中电流之间的关系:

Ic=βIb

Ic=αIe

Ie=Ib+Ic

等等。这样看,你可以说集电极电流是由基极电流控制

另一种看待它的方法是描述基极-发射极电压和集电极电流之间的关系,即

Ic=IseVbeVT

这样看,集电极电流由基极电压控制。

这绝对是令人困惑的。这让我困惑了很长时间。事实是,您无法真正将基极-发射极电压与基极电流分开,因为它们是相互关联的。所以这两种观点都是正确的。在尝试了解特定电路或晶体管配置时,我发现通常最好选择最容易分析的模型。

编辑:

BJT 是否会因允许 Ib 超过某个阈值而变得饱和?如果是这样,这个阈值是否取决于连接到收集器的“负载”?晶体管是否饱和仅仅是因为 Ib 足够高以至于晶体管的贝塔不再是 Ic 的限制因素?

粗体部分基本上是完全正确的。阈值不是特定晶体管固有的。它不仅取决于晶体管本身,还取决于配置:等。IbVCCRCRE

向基极驱动足够的电流,使基极-集电极结变为正向偏置。多少电流将取决于晶体管的类型。“饱和”与基区中有多少电荷载流子可以进入集电极区有关。一些将来自基极端子,但更多的将从发射极区进入基极区。超过一定量的基极电流,可以通过 BC 结的可用电荷载流子就不会增加。

当 Ic 不遵循以下线性关系时,BJT 晶体管将饱和:

Ic=HFEIb.

因此,我们所要做的就是限制 Ic 达到这个值。

自从Ib由接基极的电阻值和另一端的驱动电压决定,很容易强行Ib到任何值。什么时候Ib确定计算理论Ic并设置Rc减少它(比如减少 5-8)以进入饱和区并防止它遵循线性关系。

例如: Rb连接到5V和Rc(只是为了让它有趣)到 12V。假设 HFE = 50。如果我们设置Rb=5K然后

Ib=(50.5)/5K =1mA

这意味着Ic将会1mA50=50mA. 现在如果我们设置Rc大约 2K 这将限制Ic低于 6mA,这个值几乎比线性范围小 10 倍,晶体管将饱和。

如果使用晶体管作为开关,建议在基极和地之间添加额外的电阻器(10K)(用于快速开关和防止泄漏,前提是 BJT 是 NPN 类型)

饱和是输入的增加不会产生输出的增加。在 BJT 中,这是因为输出已达到其最大电流传导。

我设计的用于确保共发射极模式下的开关 BJT 在导通时进入饱和状态的方法是……

在 BJT 的数据表中查找其 Ic(max) 和 hFE(min)。

将所需的基极电流 Ib 计算为 5 x Ic(max)/hFE(min)

5 x 是个人的“捏造因素”,允许额外的基极电流以确保 BJT 完全进入饱和状态。

这假定了一个简单的情况:一个小 BJT 在共发射极模式下切换小(比如 <2 A)负载一个低频(比如 <50 kHz)和一个有能力的基极电流源。否则,还有其他模拟条件需要考虑,例如使 BJT 饱和是否会提供良好的开关性能或 MOSFET/等。应改为使用。(不过,这超出了这个答案的范围。)