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晶体三极管的输入、输出特性曲线

2014-12-14 06:35| 编辑:电工学习网| 查看: 67090| 评论: 0

  三极管的特性曲线是指三极管各极上的电压和电流之间的关系曲线,是三极管内部性能的外部表现。从使用三极管的角度来说,了解它的特性曲线是重要的。由于三极管有两个PN结,因此它的特性曲线不像二极管那样简单。最常用的有输入特性和输出特性曲线两种,在实际应用中,通常利用晶体管特性图示仪直接观察,也可用图1的电路进行测试逐点描绘。
  (一) 输入特性曲线
  输入特性是指,当三极管的集电极与发射极之间电压UCE保持为某一固定值时,加在三极管基极与发射极之间的电压UBE与基极电流IB之间的关系。
  以3DG130C为例,按图1实验电路测试。当UCE分别固定在0和1伏两种情况下,调整RP1测得的IB和UBE的值,列于表1。它的输入特性曲线,如图2所示。为了说明输入特性,图中画出两种曲线,表示UCE不同的两种情况。但两条线不会同时存在。

  图1 晶体三极管输入、输出特性实验电路 图2 晶体三极管输入特性曲线

  表1 三极管输入特性数据

  1. 当UCE=0伏时,也就是将三极管的集电极与发射极短接,如图3所示,相当于正向接法的两个并联二极管。图2中曲线A的形状跟二极管的正向伏安特性曲线非常相似, IB和UBE也是非线性关系。
  2. 当UCE=1伏时,集电结反偏,产生集电极电流IC,在相同的UBE条件下,基极电流IB就要减小。(图2中a点降到b点),因此曲线B相对曲线A右移一段距离。可见, UCE对IB有一定影响。当UCE>1伏以后, IB与UCE几乎无关,其特性曲线和UCE=1伏那条曲线非常接近,通常按UCE=1伏的输出特性曲线分析。

  图3 UCE=0时的等效电路 图4 3AX52B的输入特性曲线
  图4是3AX52B锗三极管的输入特性,注意横坐标是-UBE,这是指PNP型锗管的基极电位低于发射极电位。可见,锗管和硅管它们的输入特性曲线都是非线性的,都有“死区”,锗管和硅管相比,锗管在较小的UBE值下,就可使发射结正偏导通。当三极管在正常放大状态时,以发射极作为公共端,则NPN型硅管UBE约为0.7伏, PNP锗管UBE约为-0.3伏。
  (二) 输出特性曲线
  输出特性是指,当三极管基极电流IB一定时,三极管的集电极电流IC与集电极电压UCE之间的关系。
  以3DG130C为例,仍用图1所示电路测试。当基极电流固定在某一值时调整RP2的阻值,可以测量若干组UCE与IC的值,将它们逐点描绘,就得到它们的关系曲线。表2所列IB=0.30毫安时一组UCE与IC的值,描绘的曲线如图5所示。如果分别在不同的IB时,测出相应的IC与UCE的值,就可描绘出三极管的输出特性曲线,如图6所示。

  表2 IB=0.30毫安时UCE与IC数据

  图5 IB=0.30毫安时输出特性曲线   图6 晶体三极管的输出特性曲线簇

  从输出特性曲线簇上可以看到,每条曲线都有上升弯曲和平行部分,各条曲线的上升部分很陡,几乎重合在一起,而平行部分按IB的值从小到大,由下向上排列,反映了三极管不同的工作状态。
  我们知道三极管具有电流放大作用,但这种放大作用并不是在任何情况下都能实现的,当三极管各极上电压和电流发生变化时,它的工作状态就不同。三极管有截止、饱和、放大三种工作状态,对应这三种工作状态,可把三极管的输出特性曲线簇分为三个区域。
  1. 截止区即IB=0这根曲线以下的阴影部分。三极管截止的条件是,集电结与发射结都处于反向偏置状态。从图中我们看到,当IB=0时, IC≠0,此时的IC叫穿电流ICEO,而且ICEO很小,它不受基极控制,与放大无关。因此截止状态的特征是IB≤0, IC≈0, UCE≈UGB2,相当于集电结-发射结之间断开,三极管失去放大作用。
  2. 饱和区即曲线左侧的阴影区,包括曲线的上升和弯曲部分。三极管饱和的条件是,集电结与发射结都处于正向偏置状态。饱和的特征是, UCE很低(即UCE≤UBE)IC不受IB控制,相当于集电结-发射结之间短路接通,三极管也失去放大作用。
  当UCE<UBE时,称为深度饱和。由于集电结正偏,其内电场很弱,对到达基区的电子吸引力不大,这时即使增大IB, IC也几乎不增大,此时各线靠拢,表示IC不受IB影响。而IC受UCE影响很大, UCE稍有增大,从基区到集电区的电子也增加,因此IC随UCE增大而增大,这就是曲线的上升部分。当UCE=UBE时,集电结处于零偏置,各曲线在这时开始弯曲,称为临界饱和。
  饱和时的集电极电流,由外电路参数UGB2和RC决定。饱和状态时的UCE叫饱和压降UCES,晶体管手册上一般列出在某个条件下的饱和压降UCES,如3DG130C在IC=300毫安时, UCES≤0.8伏。一般NPN型小功率硅管的UCES取0.3伏(对PNP锗管取-0.1伏),大功率硅管在大电流工作时, UCES将大于1伏。有关三极管饱和与截止状态的运用,我们在后面的数字电路中还要讨论。
  3. 放大区指饱和区和截止区所夹的中间部分,特性曲线是一组间距近似相等的平行直线簇。三极管放大的条件是,发射结正偏,集电结反偏。当UCE大于某一数值(约1伏)后,集电结电场已足够强,使发射区扩散到基区的电子绝大部分到达集电区。因此,在放大区,当IB一定时, IC基本不随UCE变化,即IC与UCE基本无关,这称为三极管的恒流特性。IC主要由IB控制, IB每增加一定数量,特性曲线就向上移一次, IC的变化比IB的变化大得多,即ΔIC=βΔIB,这正是三极管的放大作用。利用输出特性曲线,只要知道三极管的IB、 IC、 UCE三个数值中的两个,就能很方便确定另一个数值。若以实际工作时的UCE作垂线,就能算出基极电流变化值为ΔIB时,集电极电流的变化值ΔIC,从而计算出三极管电流放大系数β。曲线越平坦,间距越均匀,表明三极管的放大线性越好,显然,在相同的ΔIB下, ΔIC越大β值越高。
  图2-15是锗三极管3AX52B的共发射极接法时的输出特性。与硅管相比,它的饱和压降较小,且IB=0的一条曲线上移了。此外由于电源极性不同,横坐标为-UCE。 图7 3AX52B的输出特性曲线簇
  由于PN结流过的电流是有一定限制的,正反向电流过大将使PN结过热烧毁,所以为了安全使用三极管,在输出特性曲线簇上还有一些限制区域,如图2-14中,虚线右边为集电极最大允许功率限制区。三极管不能在这个区域工作。
  综上所述,利用输入、输出特性曲线,我们可以了解某只三极管容许的工作范围,计算电流放大系数及工作中有关电压电流值,正确确定该管工作状态。在实际中,还可按表3所列数据测量三极管各极之间电压来判别三极管工作状态。
  表3 NPN型三极管的电压典型数据

  注:对PNP型电压极性应相反。电压单位,伏。

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