我已经搜索过这个问题,但我到处都看到辩论而不是明确的答案。尽管我们称其为电压控制设备还是电流控制设备并不重要。我相信它可以根据情况称为电压控制或电流控制。我仍然相信它需要一点澄清。从核心操作原理来看,它真正属于哪一部分?
BJT 是电压控制设备还是电流控制设备?
答案取决于你的观点。
物理学家可能会说,BJT 中的基本作用是跨基极-发射极结的电场减小了耗尽区的宽度。正是这个以伏特为单位的电场控制着电荷载流子的运动。因此 BJT 是电压控制的。
电子工程师可能会说,对特定电路设计最有用的模型是电流放大器模型。
所谓的“共发射极电流增益”是一个不是常数的范围。好的设计不依赖于它。
简短回答:Ebers-Moll 模型给出了集电极电流和基极-发射极电压之间的关系。因此,您可以将基极-发射极电压视为由集电极电流控制,或者集电极电流由基极-发射极电压控制。
许多人错误地声称基极电流和集电极电流之间存在有用的关系,从而错误地声称晶体管是“电流控制的电流源”。晶体管不是电流控制的电流源。
长答案:
关于 BJT 是电流控制还是电压控制的混淆来自两个方面。第一个是我们在描述电路时使用的方程不是根据其他几个变量来定义一个变量。相反,它们描述了几个变量之间的约束。采用欧姆定律:\$V = IR\$。这不是电压的定义。\$I=V/R\$ 也不是电流的定义或 \$R=V/I\$ 电阻的定义。相反,它说在任何电路(涉及欧姆设备)中,这种相等性将始终成立。无论我们如何改变电流,电压始终与电流成正比。无论我们如何改变电压,电流将始终与电压成正比。(真实的故事:我曾经收到一位绅士的简历,他将他知道并可以使用“所有三种形式”的欧姆定律列为他的资格之一。)
描述晶体管如何在电路中工作的最重要的限制是 Ebers-Moll 模型中使用的 Schockley 二极管方程。在活动模式下,这会导致以下约束: $$ I_E = I_{ES} (e^{V_{BE}/V_T} - 1) $$
其中 \$I_{ES}\$ 是描述晶体管的常数,\$V_T\$ 是热电压(室温下约为 26mV)。所以这是描述发射极电流 \$I_E\$ 和基极和发射极之间的电压 \$V_{BE}\$ 之间的关系(约束)。是的,电流在左侧,电压在右侧,但这只是因为 \$-1\$ 使得反过来写有点困难。事实上,当 \$e^{V_{BE}/V_T}\gg 1\$ 有时写成 \$V_{BE}=\frac{1}{V_T} \log(I_E/I_{ES })\$。
尽管如此,Ebers-Moll 模型背后的物理学通常被认为是@RedGrittyBrick 描述它的方式:基极和发射极之间的电压控制少数载流子进入基极的电流(考虑到发射极和基极的相对掺杂)。
混淆的第二个来源来自人们对晶体管的另一种说法,这是完全错误的。这是一个声明,晶体管具有明确定义的“共发射极电流增益”,或 \$h_{FE}\$。我会写这个非常大,所以人们不会错过它:
晶体管没有(定义明确的)共发射极电流增益。
双极结型晶体管肯定存在缺陷,总是有一个漏电流通过基极,但是一对相同类型的晶体管之间的漏电流并没有很好的定义,也没有任何简单的线性关系它根据特定晶体管中的发射极电流来描述基极电流。通过基极的电流是由许多因素引起的,例如基极和发射极的相对掺杂水平以及基极的宽度,这些因素在制造过程中难以控制。让我们看一下Fairchild PN2222的数据表. 您将看到 \$h_{FE}\$ 作为范围给出。当集电极电流为 150mA 时,它介于 100 和 300 之间(相差 3 倍!)。但是当\$I_C\$ 为0.1mA 时\$h_{FE}\$ 不小于35。另一个因素 3 不同!所以 \$h_{FE}\$ 不像电阻的测量电阻。\$h_{FE}\$不是常数,也不是对晶体管增益的有用描述。
在设计放大器时,您使用 \$h_{FE}\$ 的唯一目的是确定晶体管的漏电流是否适合您。如果 \$h_{FE}\$ 对于您的用例来说太低,您将不得不选择不同的(可能更昂贵)晶体管,或者用达林顿对替换单个晶体管。
现在我将再次写这个非常大的东西,这样人们就不会错过它:
一个好的设计从不依赖于 \$\beta\$ (\$h_{FE}\$) 具有特定值。
试试下面的威尔逊电流镜,看看你如何构建一个电流控制的电流源。专门包含Q3以减少对 \$\beta\$ 的依赖。我鼓励您将所有 2N3094 更改为 2N3055(或更改为与 2N3094 具有不同 \$\beta\$ 的任何其他晶体管),以查看输出电流始终约为输入电流的 2 倍。
请以反问的形式享受答案:
通过电阻器的电流是否会在其上产生电压,或者通过电阻器的电压是否会导致电流?
是电机使您的汽车车轮旋转,还是车轮抵抗电机的旋转?换到较低的档位会增加车轮上的发动机扭矩还是减少来自发动机车轮的阻力?
大学教育会让你的预期薪水更高,还是成功人士更有可能上大学?
海盗人口的减少是导致全球变暖还是全球变暖杀死了海盗?
关键是,对 BJT 如何“控制”的解释是一种错误的尝试,即在实际上只有相关性时分配电压和电流之间的因果关系(除了与海盗和全球变暖不同,相关性非常强且可观察) . 当它适合我们的需要时,我们可以将这种相关性视为因果关系,但它只是帮助我们在特定情况下进行推理的模型。两种解释(BJT 是电压控制/电流控制的)都是有效的模型,每种都适用于不同的环境。
描述 BJT 的最重要的公式之一是 \$I_C = I_B × h_{FE}\$ ,这显然使其成为电流受控设备。
另一方面,Ebers-Moll说: \$I_E = I_{ES} \left (e^{\frac{qV_{BE}}{kT}} - 1 \right)\$,其中 I ES , q, k和 T 是常数,V BE是基极和发射极之间的“输入电压”,这将把它变成一个电压控制装置。
通常对于大信号分析,它被认为是电流控制设备,对于小信号分析,它被认为是电压控制设备。