谈谈三极管的开关功能

1、谈谈三极管的开关功能    三极管的工作机理本质上就是通过be之间的电流来控制ce之间的电流。所以b极叫基极也叫控制极。本科生们关于三极管的一个粗糙的印象是三极管有放大作用，至于放大什么东西，可能有相当一部分人也含糊不清。我们这里说的放大，当然是指be间的电流来控制gemfield倍于它的流经ce之间的电流，这个gemfield，通常是100左右。形象的说，Ic就是将Ib放大100倍所得的电流。    三极管的工作有三种状态，即截止状态、线性放大状态、饱和状态。其实我本人是非常不喜欢这三个名字的。只是另起炉灶的话，会浪费更多

2、的精力，也就罢了。不过深刻了解了这三种工作状态，以后便可以真正做到胸有成竹，从而看透电路中万变不离其宗的三级管用法。    那就先说截止状态吧。在描述三极管工作条件时，经常会蹦出正偏或者反偏这类词语，比如集电结反偏。这些词语也是令我很讨厌的一类词语，仿佛就是一个个骗子，将初始时我们对于森林的好奇最终引向了弥漫着雾气的杂草丛生的沼泽地带。所以我先费些笔墨来解释一下这个词语。所谓正偏，即两极间加的电压与PN结的导通方向一致，如本例中的2n5550 安森美NPN硅管，对于b、e构成的发射结来说，b极电位高于e极电位，就叫发射结正偏，相反则叫反偏！而对于b、c构成的集电结

3、来说，b极电位高于c极电位，就叫集电结正偏，相反就叫反偏。    那么这个2n5550三极管什么时候处于截止状态呢？我们说当我们打开三极管的钥匙be间的电压，有一个开启的电压，大约在0.5到0.6v之间。注意是b比e高0.5到0.6v，也就是说当b的电位比e的电位高不出这个电压时，比如是0.4v或者0.1v或者-0.1v，我们就说三极管陷入了截止状态。这个时候，从c流向e的电流很小只有1微安以下，因为我们还不具备开启三极管的钥匙。在multisim 10的电路仿真中，当ce间的电压为5v，Vbe钥匙电压为0.4v时，流经ce电流（Ic）为800多纳安。ce之间5v

4、这个还算可以的电压才仅仅产生了Ic纳安级渺小的电流。只能说ce间的电阻太大了。所以说，这个时候的ce间电阻很大，我们把它近似于开路。    所以对截止状态做个总结时，我们就说当be这把开启钥匙没有达到开启电压时（0.5到0.6）时，ce开路。这时的三极管你可以说它是装饰物，也可以说它是石头，甚至你把它从电路中拿走也没关系。这就是第一个我们要阐述的三极管的官员状态我在休息，什么也不做。    不过不幸的是，下面还有一大段话要啰嗦。这些谆谆教诲对于三极管的任意一种工作状态都是适用的：    截止状态也不是说因

5、为不用工作，所以就没有什么参数限制了。这是不对的，就像官员上班时间也在休息，甚至都有人在打麻将，ok，这是没关系的，反正也不会丢掉乌纱帽。但你不能放火烧房子，这个就不行了。同样，三极管在be的电位差不足前面提到的那个钥匙电压时不工作，但是be之间的电位差也不能太低了。比如，是一个很大的负值，这就是说e的电位反而比b的电位高很多。我们都知道三极管的be之间像一个pn结，那么毫无疑问也有一个反向耐压值。所以这块儿也有一个这样的值，就是说发射极的电位不能比基极高出那么多的一个值，是多少呢？对于2N5550来说，是6v，也就是说当Vbe<-6v时，三极管的发射结可能会被反向击穿。同样道理，截止时

6、三极管不工作，be之间还没放入钥匙。这个时候不论是Vbe还是Veb都规定了一个范围。但是三极管还有bc和ce要考虑。三极管是个电子器件而不是神，你不能在bc之间加上10万伏的电压还寄希望于三极管完好无损。那么这种电压最高能达到多少呢？对于b和c来说，bc也像一个或者等价于一个pn结，那么Vbc导通的话就类似于二极管的压降，而反向的话，这个值对于2N5550来说，是140V。而对于c和e来说，不论是Vce还是Vec，这个值不能超过160V。    好了，经过上面两段话，我们就这样残忍的极不情愿的通过一些电压方面的条件就把三极管从神的想象中拉回到现实中的普通的电子元器

7、件。现在开始讨论一下三极管的线性放大状态。    三极管的线性放大能力确实是令人兴奋的事。这也是我们关于三极管的最淳朴的认识。它能神奇的用基极的电流Ib来控制集电极的电流Ic，三极管的放大能力就是Ic/Ie，常用hfe来标识。这个值一般是100左右。也就是说假设Ib为20微安时，集电极电流Ic就可能是2毫安。到这里我们一定有一种奇怪的揣测了，那就是这个电流肯定会有限制吧。因为不太可能让Ib为1A,而Ic为100A。那样的话三极管就成电力线了。    那么三极管什么时候工作在线性放大区？而这个线性范围又是多少呢？首要的，就是前面已经叙述

8、过许多遍的Vbe一定要达到钥匙电压。那么就算Vbe达到了钥匙电压，就一定能够放大了吗？显然不是，假设集电极c并没有加电压，那如何会产生受控的放大的集电极电流Ic呢？就像你通过一个大坝在控制流经大坝的水，可是上游根本就没有水，怎么办呢？所以集电极的电位也要有一个限制，多少呢？那就是保证c的电位要高于b的电位，也就是集电结要反偏。假设e是地，b是0.7v，那么c就必须得大于0.7v，当然也不能大过前面所述的140v+0.7v=140.7v。这里总结一下三极管的放大条件，就是发射结正偏，集电结反偏，iC=iB。那么这个放大电流的限制情况呢？既然基极电流不可能达到1A。其实这个电流的限制主要考虑结功率

9、的影响和其它条件的影响，所以没有一个具体的参数。但就量级上来说，Ib不能大过几十毫安，而要想工作在这里的线性放大区，就得小于50微安了。那么基极电流最小能小到多少？这个问题恐怕就是半导体物理学或者分子运动这类范畴了。三极管有个集发射极-基极反向电流Iebo，集电极开路时，在发射极与基极之间加上规定的反向电压时发射极的电流，它实际上是发射结的反向饱和电流。这个电流一般都是1微安以下。所以电流小到这个程度，于我们的电路而言已经没有意义了。其实Ib还有个封顶限制，就是不能因为Ib过大，导致三极管进入饱和区。那么这个概念就得到饱和一段中讨论了。   三极管的饱和区是频繁被提起的词语

10、，可怜很多本科生还没搞明白三极管的饱和态到底是什么样子？其实饱和一词确实很形象。它告诉你，三极管的放大能力已经显著受影响了。就像在溶液的浓度这个概念一样，我们在溶液里添加一定量的溶质，那么溶液的浓度就会产生一定量的提高，我们把它也看成是一种控制作用那么什么时候控制作用受影响呢？对了，就是到饱和时，一旦溶液进入饱和状态，再添加溶质就不会控制溶液的浓度了。我们上一段中讨论到，三极管处于线性放大区时，集电极电流Ic会是基极电流Ib的100倍左右。可是当三极管进入饱和态时，提升Ib的大小已经不能显著改变Ic的大小了。事实上，我们就把这种Ic不随Ib显著增大的现象称为饱和区，因为这里并没有一个明显的分界

11、线，而是一个渐进的过度状态。所以怎样区分三极管进入饱和态也没有明显的判定尺度。一般依据经验，当Ic<=10*Ib时，就说三极管进入了饱和区。    我们通过multisim10的仿真来形象的阐述这个饱和过程吧。     我们做一个实验，如上图所示。改变集电极电阻R1，从100欧逐渐到1.5k欧，得到五组数据。三极管be之间的电压始终维持在727.753mv。随着R1的电阻的逐渐增大，分在ce之间的压降逐渐降低，从3.723v降低到372.767mv。但是在降到727mv之前，流经ce之间的Ic始终维持在4毫安左右。表明

12、在线性放大区域，电流Ic最多的不是受ce间的电压控制，而是由基极电流维系；而当集电极电阻再往上增加时，e的电位已经比727.753mv还低，这时三极管已经慢慢过度到饱和区域了，因此Ic开始脱离Ib的控制了。我们看到，在ce间的电压降到372.767mv时，Ic已经降为3.5mA了。这时的典型特征就是，基极电流再也无力控制集电极电流Ic了。    我们再用上图做个实验，这次改变的是基极电阻R2，其它都不变。随着r2的减小，基极电流逐渐增大。那么集电极电流也随之增加。但是，集电极的电流的增加必然会在R1上产生压降，当这个电流大到使电阻的压降为4.3v时，2N5550的

13、c的电位就将开始低于700mv了。这时侯集电结正偏，已经影响到了三极管进行线性放大的微观物理基础了。三极管里饱和态渐行渐近，最终Ic的增加并不与基极电流成比例了，而是慢慢的不增加了，虽然Ib还在狂飙突进般的上涨。但是，集电极的电流无论如何都不能达到5v/R1，因为三极管的ce始终要产生一定的压降，即使在饱和的再不能饱和的情况下。对于2N5550来说，这个电压是200mv左右。    现在我们讨论完了三极管的三种工作状态：截止、放大、饱和。然而，三极管是如此为人们喜爱，那是因为它还有道不尽的用途。我们将在以后陆续讨论三极管的三种重要用途，来重新评估一下三极管的价值。

14、它们就是射极跟随器、共射放大器、镜像电流源。我们在上一篇文章中讨论了三极管的三大工作区，并且提出了三极管的两大功能放大功能和开关功能。放大功能已经在上一篇文章加以讨论，当时gemfield承诺要拿出三极管的三大经典电路来加以讨论以对三极管有一个更加形象化的具体理解。但是，因为三极管的开关特性是一个不可忽视的重要的环节，因此，这章先予以这方面的介绍。    三极管的开关功能就是说它可以像一个开关一样工作。开关？就是那个一摁或者一扳就通电或者断电的简单的按钮？没错，可是三极管为何要替代按钮开关？注意，这是一个信息时代，pcb板上的三极管是显而易见的，它可以通过电信号方

15、便快捷的控制一条线路的通断；你不会想着用人力去控制一个信号的能否通过吧。那些在intel x86架构的通用处理器里面躺着数目多达几亿的开关要用人力去控制吗？难道中国所有的人腾开放下手中的工作就是控制几个cpu？更何况在那么高的集成度上面人连三极管也看不清。    可是三极管怎么样就像个开关了？这个三条腿的怪物怎么就能够自由的控制信号的通断俨如一个真正的开关？这个时候别忘了三极管的三个工作区，除去中间的放大区外，就是截止区和饱和区了。你看，假若一条叫做ronger的线路经过三极管的集电极、发射极，那么通过在基极施加信号，当工作在截止区时，ronger不就断开了；而工

16、作在饱和区时不久是导通的了吗？    但是问题也就随之而产生了，这就是：当在截止区时，集电极和发射极之间并不是一点电流都没有，虽然很小，但也有个反向漏电流Iceo，这就意味着三极管ce并没有完全的断开，也就是ronger快要断了但还差那么一点；而在饱和区时，集电极发射极之间的压降三极管饱和压降很小，但也有那么一点电压，约为几百个毫伏，这也就意味着ronger没有完全通，我们知道纯导线可不产生压降的哦。总之，经过以上两个方面的质疑，要说三极管真是个开关，确实是过奖了。但幸好以上的这些副作用在实际电路中大多时候并不产生影响。    一个理

17、想的开关，它闭合导通时阻抗为零，而断开时为无穷大。这就在告诫三极管，要像我开关一样的话，你就必须要尽可能的减小反向漏电流Iceo，尽可能的降低饱和压降Uces。这里还要说的一点就是，要有尽可能快的转换速度。这个速度是指什么？就是指三极管从开到关或者从关到开或者不停的关开关开之间的过度的快慢。为什么要强调这个速度呢？因为三极管毕竟不像我们墙上的电灯开关一样，你闲的没事在那而噼啪噼啪的按个不停。但是三极管就不一样了，像PWM调制电路，或者利用开关管进行逆变的电路，在这里，三极管每秒要开关上几千次甚至更高，假设一个三极管从开到关的状态就需要花费一秒的时间，它如何能做到每秒钟断开几千次？幸亏刚才只是随

18、便说了一个数据，那么真正的三极管这个时间是多少呢？肯定不是零，经验来讲，约为几万分之一秒。这里有个概念，先记住Icm这个量，它表示集电极在开关过程中的最大电流：当有输入信号Vin时，Ic上升到10%Icm所花费的时间叫做延迟时间，从10%到90%Icm的时间叫上升时间，两者之和叫开启时间；当关的信号Vin输入时，Ic下降到90%Icm的时间叫储存时间，从90%下降到10%的时间叫下降时间，两者之和叫关断时间。其中，尤以储存时间最能捣乱三极管的开关频率能力。    那么三极管为什么会产生这么多的种种具有烦人名称的延迟时间呢?因为PN结势垒电容充放电、电荷的存储和消失

19、、载流子的复合等，是影响三极管开关速度的内因，这个在三极管出厂的一刻就确定了。另一方面，三极管使用的周围电路环境也是影响三极管开关速度的外部原因。    最后再来对这个开关的功耗问题耳提面命一番。之所以是跟着上一段，就是因为三极管的开关功耗还跟开关速度有关系。首先来看一下三极管的开关功耗是怎么产生的，毕竟这关系着能源安全（大的方面）和电路板的安全（小的方面）。先说开的时候，也就是三极管饱和的时候，虽然它正常的在输送电流，和常态的导线无异，但是三极管的饱和压降很小（约为几百个毫伏），因此P=U*I，这个功率也不是很大，我们把三极管这个时段的功率称为通态损耗；对应的，

20、就是断态损耗，不用解释也能明白，就是三极管截止时的功率，这个时候Uce虽有一定的压降，相当于供电的直流电源的压降，但是反向漏电流Iceo很小（约为纳安数量级），相应的功率也就很小了；虽然以上两者的功耗比较小，但不幸的是，在开和关之间还有个过渡过程，想想也晓得，在这个过渡过程中，电压和电流相向而行，你大我小到你小我大，之间有个微妙的截断，让两者之积很大。于是功耗就相应的大了，称之为开关损耗（也称渡越损耗）。如果电路开关的频率越高，就会让三极管越多的在过渡这一高功耗时间段中痛不欲生，可见，缩短这个过渡过程的时间也是一个紧要命题。    经过以上三段的啰嗦，我们知道了我

21、们现在的一个使命是尽可能的缩短三极管的开关时间。但是前文也说了，三极管的这个特性在下生产线的时候就确定了，怎么办？前文还说了这么一句话：“另一方面，三极管使用的周围电路环境也是影响三极管开关速度的外部原因。”，看来我们需要创造一些电路来改良这个特性了。    这些电路包括基极驱动电路、抗饱和电路以谋求更高的三极管开关速度。另外，为了保护三极管工作中的安全，还要介绍一下它的安全保护电路。这些电路的介绍，留在明晚吧。        在上图所示的电路中，下面这个电路在基极电阻R4上并联了一个电容C2，

22、其它两者一样。这个电容的大小约为1000-3000pF。这样来阐释：当一个正的驱动电压过来时，C2两端的电压不能突变，这是什么意思？我们知道这个对于电容来说就意味着短路，这时信号源可以为2N5550提供直接的、立即的、快速的正向基极电流，使三极管立即导通。之后C2被充电至激励电压的峰值而进入稳态。当晶体管的驱动电压再往回跃变为零时，C2两端存储的电压立即加到三极管的发射结上，可以形成很大的反向基极抽取电流，是三极管迅速关闭并进入稳态。    这就是加速电路的一个典型。    这是两个电路运行的结果，从上面可以看出上升沿的时间

23、：第一个是67us，第二个是55us，似乎加速了些。                 在这个电路中，并联于功率开关晶体管2N5550基极电阻R2两端的高速开关二极管1N4148的作用是当三极管截止时，吸收反向基极电流，通过对基极与发射极间的电容放电，达到减少存储时间的目的。这似乎也是一个方法。再看看下面的电路：          

24、0;        这个电路中，高速开关二极管（1N4148）与电阻R1的作用是当晶体管截止时，为反向基极电流提供一个低阻抗的通路。这个为“开关”关的动作提供了尽可能快的支持，因为它迅速让电荷从三极管的pn势垒电容里释放掉。    关于这方面，只要发挥自己的想象，还有很多。我们在上一文中费了些笔墨来讨论如何做才能降低三极管在开关时的功耗。我们达成的结果是一致的：那就是尽可能的降低开关信号在上升沿和下降沿所耗费的时间。通俗的讲，就是不论是开还是关，都要干脆些。而我们在前面讲述的基极驱动型

25、电路就是一种好的解决思路，不再赘述。本文中将要通过另一种思路来提供解决此问题的一揽子方案，这就是抗饱和电路的由来。这种电路只不过是在原有的开关电路中使用一些伎俩，从而使原本是深度饱和（呼呼大睡）状态的开关管只进入轻度饱和（刚睡着），这样当三极管关的时候，它能轻松或者快速的脱离饱和状态（就像刚睡着的人容易叫醒一样）。    有一种抗饱和电路叫做baker电路，贝克尔电路，是一种典型的二极管钳位抗饱和电路。     其实贝克尔这种电路有一系列的形式，就像变形金刚一样。它这样变那样变但万变不离其宗，那我们就先认识一下上面这个基本的

26、形式。它究竟是怎样做到抗饱和的呢？当VT1导通时，它的基极电压比输入电压低两个硅二极管的正向压降，约为1.2V。但由于VD3的存在，VT1集电极电压比输入电压只低0.6V，因此VT1集电极电压总比基极电压高出0.6V，阻止了VT1进入深度饱和区。    二极管VD4的作用是当VT1截止时，吸收反向基极电流，通过VT1基极与发射极间的电容放电，从而达到减小存储时间的目的。大家知道一旦三极管当开关工作时，它的工作频率都会达到几十KHz，所以抗饱和二极管必须得是快速恢复型二极管。VD1、VD2和VD4可选用低压型器件，但VD3的反向击穿电压一般应不低于VT1集电极电源电

27、压的2倍。    但是有一些问题，就是它采用的二极管实在是太多了，居然有4个。而且在开状态时，ce间的电压有0.6V之巨，看来功耗不会小了。虽然这样的伎俩会使晶体管关闭时的延迟时间几乎减小到0，但一般开关电路中还是很少使用。     而目前广泛使用的方案是采用辅助晶体管组成有源抗饱和网络。这些都是集成电路的形式。也就是说给你一个管子，但是它里面已整合了这些辅助的有源器件，大家都知道集成电路就喜欢使用三极管来代替其它器件，因为集成电路中三极管才是最好“造”的。用分立器件等效画出来就如下图所示。这是飞思卡尔公司利用PNP型晶体管

28、作为那个小伎俩（抗饱和元件），整合在开关电路上形成的。有时也称高频高增益双极型晶体管。    其中，Q1是主晶体管，VD1是续流保护二极管（起保护作用，在下文中有详细讨论）。Q2是PNP型，作为有源抗饱和电路。当Q1进入临界饱和之后，其发射结和集电结都处于正向偏置，那么这个时候你要注意了，Q2已经导通了，想想Q2导通的条件，不难理解。一旦Q2导通，势必会将流向基极的电流分走一部分。饱和程度越深，集电极电位越低，那么Q2对流向基极的电流分流作用就越大，基极电流Ib不就越小了吗？这就减轻了Q1的饱和程度。一旦Q1脱离了饱和区，那么它的集电极电位不久升高了吗？那么和基极

29、之间的电位差小到一定程度时，Q2关闭，Ib又立即增大，从而使Q1又很快重新进入饱和状态。这么看来，Q2确实改善了Q1的开关特性，同时还提高了电路工作的稳定性。    实际上此类抗饱和电路都是采用TO-220封装形成的集成块，而非上图中所示的由分立器件组成的电路，这个情况要有个认识。比如还有一种抗饱和形式的电路的封装，比如下面这种情况的抗饱和三极管，它是由双极型三极管和肖特基二极管组成。肖特基二极管(SBD，Schottky Barrier Diode,简称肖特基二极管，希望以后提到sbd，大家要首先想到“快速”这个概念，也就是它可以工作在很快的频率下)是借助于金属

30、铝和n型硅的接触势垒产生整流作用。它具有两个特点。一是正向压降较小，约为0.10.3 V；二是本身没有电荷存储作用，开关速度快。把肖特基二极管并接在三极管的b和c两个电极上，当三极管bc结接入正向偏置时，SBD导通，把bc正向电压钳在0.3 V左右，同时SBD将三极管基极的过驱动电流分流至集电极，有效地避免了三极管进入深饱和状态而工作在临界饱和状态，从而大大提高了工作速度。   值得注意的是，上面也仅仅是一些个例，思路摆在这里了，道理也明白了，需要做的就是在以后的电路实践中不断探索、增加经验。这一部分我们将要讨论三极管工作所需的安全环境。很明显，三极管仅仅是一个电

31、子器件，不是无所不能的神。那么它究竟需要什么样的安全要求呢？    我们先给出一个有关双极性晶体管的概念，这就是二次击穿。就是当集电极电压超过Vceo而引起的击穿。各位不要一听到击穿就心里一沉，以为三极管完了。其实只要用外电路限制击穿后的电流，管子就不会损坏，待集电极电压减小到小于Vceo后，管子也就恢复到正常工作，因此这种击穿是可逆的，不是破坏性的。我们把它成为一次击穿。    有人说是不是再这样来一次就是二次击穿呢？当然不是，如果上述击穿后，电流不加限制，就会出现集电极电压迅速减小，集电极电流迅速增大的现象，通常将这种现象称为二次

32、击穿。二次击穿则是不可逆的，出现二次击穿时，三极管才真正完了。我给出了一幅示意图，来形象的表述这个过程。                           产生二次击穿的原因是什么？我也不知道，半导体物理学的专家们也不知道，那是发生在比我们块头小几十个数量级的视野上，电路工程师们没必要去追究了。但我们从此就知道了一点，那就是增添某个东西来限制一次击穿后集电极电流目中无人似的增大。通常的做法是在晶体管c-e之间加稳压管，以防止其一次击穿，并限制其集电极电流，再避免二次击穿。    至此前面所述的这些内容是用来灌输三极管二次击穿这个概念的。    那么我们再通过四条栅栏来圈出三极管的安全工作区域。第一、集电极电流Ic有个最大限制Icm。第二、集电极发射极之间的电压不能超过额定最大电压Vceo。第三、三极管消耗的功率不能超过集电结最大耗散功率Pcm。因为功耗大的话会造成晶体管温度的显著上升