学习:三极管共射极放大电路输入,输出伏安特性曲线的来源和推理过程。放大区,饱和区以及截止区的深层含义
本文系统分析了共射极三极管的特性曲线与极限参数。共射极特性曲线分为输入特性曲线(Ib-Ube关系)和输出特性曲线(Ic-Uce关系)。输入特性曲线呈现二极管特性,随Uce增大右移;输出特性曲线包含放大区(Ic=βIb)、饱和区(Ic≈Uce/Rc)和截止区(Ib=0)。文章还详细讨论了极限参数(ICM、PCM、击穿电压等)及其温度影响,指出温度升高会使Ube下降、Iceo增大。最后简要介绍了光电三
二次学习整理,供学习,讨论,交流
共射极特性曲线
由于是三端口网络,所有有两个特性曲线。共射极是把E发射极接为公共地,所有两个特性曲线分别是ib与Ube,ic与Uce。又放大电路放大的是ib的信号,所以称前者为输入特性曲线,相应的后者为输出特性曲线
共射极输入特性曲线
研究的是Ib和Ube的关系:IB=f(UBE)∣ic=常数I_{B}=f(U_{BE})|_{ic=常数}IB=f(UBE)∣ic=常数
整体趋势: 要研究输入特性曲线就需要把Uce固定,不然变量过多,无法分析。以下假设Uce不变。
之前分析看到,Ube其实就是一个PN二极管,所以它的特性曲线和二极管一致;
右移: 另外,不同Uce对应的集电区吸纳发射区过来的电子的能力不同,Uce越大,则集电区对电子吸收能力越强,则与基区空穴复合的电子数量越少,也就是ib越小,所以随着Uce的增大,特性曲线是右移的。
Uce大于1V:当Uce大于某个值后,只要Ube保持不变,则发射区发射到基区的电子一定,≥1V的Uce已经能把绝大部分基区的电子拉到集电区,所以再随着Uce的增加ib减小的就不明显了。所以Uce≥1V的曲线基本重合。

共射极输出特性曲线
研究的是Ic和Uce的关系:IC=f(UCE)∣ib=常数I_{C}=f(U_{CE})|_{ib=常数}IC=f(UCE)∣ib=常数
同样的,要研究输出特性的关系,需要假设Ib保持不变。因为Ib的变化会导致Ic的改变。
整体趋势:
放大区:当发射结正偏,集电结反偏时,三极管处于放大状态,Ic和Ib存在固定的倍数关系,而此时Ib不变,也就是说在某一个阶段存在Ic不与Uce的变化而变化,反应在曲线上就是有一段平的。由于这有段电流有固定的倍数关系,称这段为放大区
饱和区:进一步分析,之所以放大区能保持Ic几十上百倍于Ib,在整个电路中是通过降低Uce来实现的,从上面共射极放大电路中可以看出Ic最大也只能到UCERC\frac{U_{CE}}{R_{C}}RCUCE,也就是说Ic并不能无限制的增加下去,也意味着放大区有个极限也就是饱和区。在饱和区时Uce很小,无法再通过牺牲Uce来维持Ic=βIb的关系,也就是下图中标示的饱和区。
1. 实际上在饱和区时集电结也是正偏的,此时发射结和集电结同时正偏,来自发射区的电子能自由扩散到基区再自由扩散到集电区,整个三极管看起来就是一个导通的电阻(很小)。此时Ic就与Ib没什么关系了,大小基本就是UCE−较小的电阻压降RC,基本就是UCERC\frac{U_{CE}-较小的电阻压降}{R_{C}},基本就是\frac{U_{CE}}{R_{C}}RCUCE−较小的电阻压降,基本就是RCUCE,这个”较小的压降“就是三极管的饱和电压UCESU_{CES}UCES,对于锗管是0.1V,硅管大于0.3V。这个区域,较小的Uce就能对应比较大的Ic变化,因为呈现阻性。
2. 可以看到饱和区就相当于开关管闭合状态了基本是直通
3. 饱和区还有一个特点,就是此时βIB>ICMax=VCC−UCESRCβI_B>I_{C_{Max}}=\frac{V_{CC}-U_{CES}}{R_{C}}βIB>ICMax=RCVCC−UCES,这个可以作为是否处于饱和区的判断依据
4. UCESU_{CES}UCES是Uce能达到的最小值
5. 所以要使用三极管作为开关管的话,给基极的方波高点平要比较高,要能保证集电结正偏。
截止区:当Ib=0时,发射结,集电结都反偏,这时仍有一部分从C到E的电流,就是之前讲到的穿透电流Iceo,一般希望这个值要小一些,这样三极管的关断特性才会更好。
Ib的影响:随着Ib的增加,发射结势垒被抑制的越狠,发射区能通过发射结到达基区的电子就越多,Ic自然也就越高。对应到特性曲线上就是不同的Ib对应的输出伏安特性曲线不一样,是一簇。
另一种理解方式:放大区时保持β关系,越大的Ib自然对应越大的Ic

极限参数
集电极最大允许电流ICMI_{CM}ICM:三极管工作时,当它的集电极电流超过一定数值时,他的电流放大系数β将下降。为此规定三级电流放大系数β变化不超过允许值时的集电极最大电流称为Icm。所以在使用中当集电极电流Ic超过Icm时不至于损坏三级管,但会使β值减小,影响电路的工作性能;
集电极最大允许功率损耗PCMP_{CM}PCM:三极管在工作是,集电极电流集电在集电结上会产生热量而使三极管发热。若耗散功率过大,三极管将烧坏。在使用中如果三极管在大于Pcm下长时间工作,将会损坏三极管。需要注意的是大功率的三极管给出的最大允许耗散功率都是在加有一定规格散热器情况下的参数。使用中一定要注意这一点。
另外PCMP_{CM}PCM和环境温度有关,温度越高则PCMP_{CM}PCM越小。硅管的上限温度约150℃,锗管约70℃。
反向击穿电压V(BR)V_{(BR)}V(BR):BJT的两个PN结承受较大的反压时也会发生击穿,造成器件损坏。比如工作在开关状态时会有反向的脉冲,过高的话就有可能超过反向击穿电压造成击穿。
V(BR)EBOV_{(BR)EBO}V(BR)EBO :集电极开路时,发射结的反向击穿电压
V(BR)CBOV_{(BR)CBO}V(BR)CBO:发射极开路时,集电结的反向击穿电压,它取决于集电结的雪崩击穿电压,这个电压值一般比较高
V(BR)CEOV_{(BR)CEO}V(BR)CEO:基极开路,发射区和集电区之间的反向击穿电压,大小与穿透电流ICEOI_{CEO}ICEO有关,由于集电结击穿后会导致基区电压上升进而导致发射结正偏,引起三极管的放大作用,进而导致Ice快速增大,加速击穿。所以这种击穿更加容易,V(BR)CEO<<V(BR)CBOV_{(BR)CEO}<<V_{(BR)CBO}V(BR)CEO<<V(BR)CBO
V(BR)CERV_{(BR)CER}V(BR)CER:实际使用中一般基极不会开路,会接电阻Rb,有Rb存在下的发射区和集电区之间的击穿电压为V(BR)CERV_{(BR)CER}V(BR)CER,由于Rb存在削弱了基极电流,所以V(BR)CER>V(BR)CEOV_{(BR)CER}>V_{(BR)CEO}V(BR)CER>V(BR)CEO,当Rb–>0时的V(BR)CERV_{(BR)CER}V(BR)CER记为V(BR)CESV_{(BR)CES}V(BR)CES,则此时V(BR)CES≈V(BR)CBOV_{(BR)CES}\approx V_{(BR)CBO}V(BR)CES≈V(BR)CBO
关系:V(BR)CBO>V(BR)CES>V(BR)CER>V(BR)CEOV_{(BR)CBO}>V_{(BR)CES}>V_{(BR)CER}>V_{(BR)CEO}V(BR)CBO>V(BR)CES>V(BR)CER>V(BR)CEO
则在极限参数限制下的安全工作区如图所示。实际使用时要关注这些参数。
温度对晶体管的影响
输入特性
和二极管特性一样,温度升高曲线左移。意义就是温度升高多子的扩散运动加剧,相同Ib电流对应的Ube较小,大概是温度每升高一度,Ube下降2-2.5mV
总所周知,温度对少子的影响比较大,温度每升高10度,集电结的反向漏电流Icbo翻一倍
输出特性
Iceo穿透电流增大
Ic增大
光电三极管
基极集成感光材料,收到光照后会产生电流,由于三极管本身具有放大作用,所以相较于光电二极管更加灵敏,在光线比较暗的场合也能使用。
光耦可以利用它来制作
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