三極管是三端、電流控制器件。較低的輸入阻抗(發(fā)射結(jié)可等效為一只電阻，需有實實在在的電流流通，三極管才能導(dǎo)通，因而要求信號源有電流輸出能力)，挑信號源;較高的輸出阻抗(挑負(fù)載，要求負(fù)載阻抗>>電路本身輸出阻抗，輸出電壓降才能落實到負(fù)載上)。在Ic受控于Ib的受控區(qū)內(nèi)，工作于可變電阻區(qū)，為線性放大器(模擬電路);在Ic不受Ib控制的開關(guān)區(qū)，為開關(guān)電路(數(shù)字電路)。

上文中Ic指三極管集電極電流;Ib指三極管基極電流。

1、三極管基本工作原理

三極管是個簡稱，全稱為晶體三體管，早期以鍺材料制作的為多，因其熱穩(wěn)定性差漏電流(電磁噪聲)大而被淘汰，現(xiàn)在應(yīng)用的都是硅材料晶體三體管。隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，由三極管分立元件構(gòu)成的放大器、邏輯電路已近于絕跡，但做為執(zhí)行電路的末級驅(qū)動器件，如直流繼電器線圈和風(fēng)扇的驅(qū)動、IGBT的末級驅(qū)動(此處三極管僅僅作為開關(guān)來應(yīng)用，如控制風(fēng)扇的運轉(zhuǎn)、繼電器的動作等)等，大部分電路仍然繼續(xù)采用三極管器件。所以由三極管構(gòu)成的線性放大器，已經(jīng)無須多加關(guān)注，僅需關(guān)注其開關(guān)應(yīng)用即可以了。其原因為，當(dāng)一片四運放集成電路的價格與單只小功率三極管的價格相接近時，恐怕已經(jīng)沒有人再愿意用數(shù)只甚至更加龐大數(shù)量的三極管來搭接線性放大器了，從性價比、電路性能、體積等任何一點考慮，三極管都貌似是永遠(yuǎn)失掉了它的優(yōu)勢。

2、電路示例1——原理分析

雖然如此，為了更好地理解由三極管為核心構(gòu)成的放大或開關(guān)電路，我?guī)ьI(lǐng)大家設(shè)計一款最基本的三極管偏置電路，由對此簡易電路的分析，找到分析三極管電路原理的關(guān)鍵所在。

已知：供電電源電壓Vcc=10V;三極管β=100;

要求：靜態(tài)Ic=1mA;靜態(tài)Vc(三極管集電極電壓)=5V?？芍@是一款簡易單電源供電的小信號放大器。為了不失真輸出信號電壓(有較好的動態(tài)范圍)，通常將靜態(tài)Vc設(shè)置為Vcc 的1/2，那么動態(tài)輸出則是以5V為零點的上、下浮動的變化電壓(如圖1所示)。

電路設(shè)計：由電源電壓=10V和Vc=5V、Ic=1mA三個條件，得出Rc值。10V-5V/1mA=5k;由β=100，第一步得出Ib=10μA;第二步若忽略發(fā)射結(jié)0.5V左右電壓降，則10V/10μA=100 k。即RC決定了Ic，Rb決定了Ib。由兩只電阻完成了靜態(tài)工作點的建立。

1)靜態(tài)工作點

揀要點，三個明要素：Ib=10μA;Ic=1mA;Vc=5V。

一個暗要素：我們將Q1的c、e極之間，看作一個電阻，暫命名其為Rce。此時在靜態(tài)偏置狀態(tài)下，Vc即為Rce和Rc的分壓值，當(dāng)然可看出Rce = 5k，此為第四個要素。

在輸入信號作用下，其實是Rce的變化導(dǎo)致了輸出電壓Vc的變化。

需要注意：靜態(tài)工作點即零信號時的工作偏置狀態(tài)。此處的零信號并不一定是零電壓值。參見圖1的曲線圖，IN端即Q1的Vb約為0.5V;Vc=5V。

2)當(dāng)IN輸入信號使Ib在靜態(tài)基礎(chǔ)上有所上升時，必然導(dǎo)致Ic的同步上升。我們可以給出一個確定值以便進(jìn)行定量分析。此時Ib↑=15μA;Ic↑=1.5mA(Rce↓);Vc↓=2.5V(這都是據(jù)歐姆定律加減乘除算出來的，Rc兩端電壓降7.5V，Rce兩端當(dāng)然為2.5V)。

Ic↑的使Rc兩端的電壓降增大，Vc下降，從暗要素考慮，此時是Rce的變小，導(dǎo)致了Vc分壓點的電壓降低，那么可見Rce為一只可變電阻，而實際上，在放大區(qū)內(nèi)，三極管工作于可變電阻區(qū)，其c、e極之間，確實呈現(xiàn)一只可變電阻的特性!當(dāng)Vc=2.5V時，可知Rce由靜態(tài)時的5k變?yōu)楝F(xiàn)在的2k.。因而我在圖2干脆畫出這只電阻來，并標(biāo)示出各點電壓和電流值。

需要說明一下，三極管的控制特性為電流控制器件，此處在輸入回路關(guān)注的是輸入電流的變化而Vb值。這是因為：三極管的發(fā)射(PN結(jié))結(jié)導(dǎo)通電壓是一個相對穩(wěn)態(tài)的值(稱門坎電壓如0.6V左右)，而在此相對變化極小的Vb電壓范圍以內(nèi)，其流通電流值Ib卻有較大范圍以內(nèi)的變化。因而此時只關(guān)注Ib對Ic的影響。而從根本上來說，三極管是個電流控制器件或者為電流放大器，而電壓放大，是個間接的結(jié)果——接入負(fù)載電阻Rc的目的，即是將Ic變化轉(zhuǎn)化為Vc的變化。

可見，IN信號電壓上升使Ib在靜態(tài)基礎(chǔ)上往正方向變化時，Vc呈現(xiàn)反方向變化，從IN和OUT的關(guān)系看，為反相關(guān)系，由此可確定該放大器為反相放大器。

3)當(dāng)IN輸入信號使Ib在靜態(tài)基礎(chǔ)上有所下降時，必然導(dǎo)致Ic的同比例下降。我們也可以給出一個確定值以便進(jìn)行定量分析。此時Ib↓=5μA;Ic↓=0.5mA(Rce↑);Vc↑=7.5V。

Ic↓的使Rc兩端的電壓降減小，Vc上升。從暗要素考慮，此時是Rce的變大，導(dǎo)致了Vc分壓點的電壓上升。當(dāng)Vc=7.5V時，可知Rce由靜態(tài)時的5k變?yōu)楝F(xiàn)在的15k。

綜合以上2)、3)來看，輸入信號電流的變化范圍±5μA;放大100倍后，Ic變化范圍±0.5mA;其實是Rce由此產(chǎn)生了2k~15k的變化量，導(dǎo)致了輸出Vc變化范圍±2.5V。

若假定IN±0.1V的變化量，導(dǎo)致了Vc±2.5V的變化量，則可認(rèn)為該級放大器是25倍的電壓放大器，100倍的電流放大器。

或再掐頭去尾，在輸入信號作用下，Ib的變化導(dǎo)致Rce產(chǎn)生了約1.7k~45k的變化，從而Vc產(chǎn)生了1~9V(即±4V)的輸出變化。

在此區(qū)域內(nèi)，Ib的線性變化控制著Rce(Ic)的線性變化，使輸入、輸出電壓呈現(xiàn)反相的比例關(guān)系，三極管工作于可變電阻區(qū)，可稱之為線性放大器，即通常所說的模擬電路。

若使三極管出離受控區(qū)或線性放大區(qū)，進(jìn)入至開關(guān)區(qū)后，有以下兩種情況。

4)進(jìn)入飽合區(qū)的工作狀態(tài)

IN輸入信號電壓的上升，使Ib↑≥20μA;Ic↑=2mA;Vc↓=0V。此時因為Rc=5k，電源電壓=10V，Ib在20μA以上繼續(xù)增大至哪怕至毫安級，Rc流過的最大電流也只能是2mA，其兩端最大電壓降也只能10V，此時的Ic =2mA被稱為飽和電流。三極管工作于飽和狀態(tài)。

此時的Rce<5)進(jìn)入截止區(qū)的工作狀態(tài)

IN輸入信號電壓的下降(Vb為0.3V以下至0V)，使Ib↓=0μA;Ic=0mA;Vc↑=10V。此時因Ic=0mA，Rc兩端電壓降為0V，Q1等效于SW1斷開。三極管工作于截止?fàn)顟B(tài)。

此時的Rce>>Rc已經(jīng)不再具有可變電阻的特性，更適宜于用SW1的斷開來等效了。Q1已經(jīng)出離了放大區(qū)，進(jìn)入了開、關(guān)區(qū)之二的截止區(qū)。若忽略集電極微弱漏電流的影響，則Vc也看作10V。

需要說明：

1)該電路定義為小信號電壓放大器，做為一個中間放大器，是和前級電路的輸出信號幅度、后級負(fù)載電路的輸入阻抗密切結(jié)合的。須有適宜的輸入信號電壓幅度和適宜的負(fù)載阻抗，才能滿足其電壓放大條件。

作為放大器應(yīng)用時，首先輸入信號是在合理的線性范圍內(nèi)才行。輸入信號電壓幅度應(yīng)在百毫伏級以內(nèi)，輸入信號電流應(yīng)在±10μA左右。若輸入信號導(dǎo)致Ib=0，或?qū)е翴b≥20μA時，此為非法信號!做為放大器應(yīng)用時，應(yīng)避免非法信號的出現(xiàn)，換句話說，非法信號的進(jìn)入，說明前級電路已為故障狀態(tài)。

2)做為開關(guān)電路應(yīng)用時，應(yīng)避免小幅度漸變信號在輸入端的出現(xiàn)，此亦為非法信號!開關(guān)電路若進(jìn)入放大區(qū)，麻煩就來了，如驅(qū)動繼電器時，會出現(xiàn)繼電器振動不能吸合，工作電流過大而燒毀等狀況。理想開關(guān)電路的輸入信號，即高、低電平。如Ib應(yīng)為60μA以上，以使三極管進(jìn)入深度飽和，或Ib應(yīng)為0μA或負(fù)的截止電流，使三極管進(jìn)入可靠截止?fàn)顟B(tài)，以保障電路的開、關(guān)特性。

3)上文5)種狀態(tài)，僅是信號電流角度來描述對三極管工作狀態(tài)的影響。以飽和狀態(tài)為例，三極管的飽和，其實還和多種因素相關(guān)。

a、和信號幅度相關(guān)，已述;

b、電路本身相關(guān)，如Rc取小時，若進(jìn)入飽和狀態(tài)，就需要更大的輸入電流信號;取大時，會令飽和狀態(tài)提前;

c、后級電路的影響，負(fù)載阻抗過低，會提前進(jìn)入飽和區(qū);負(fù)載短路，則直接進(jìn)入“假飽和區(qū)”。

因而檢修故障時，當(dāng)該級放大器異常，僅僅著眼于該級電路是不夠的，先確定信號和負(fù)載電路無問題，才對該電路下手，是正確的方法。

2、在線電壓法確定電路的工作狀態(tài)

三極管的工作在放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)等三個區(qū)域內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。放大器在工作中力爭避開飽和區(qū)和截止區(qū);工作于飽和區(qū)和截止區(qū)的開關(guān)電路，在由截止到飽和或由飽和到截止的過程中，不可避免地在進(jìn)入一個短時的放大區(qū)(當(dāng)然進(jìn)入該區(qū)域的時間是越短越好)，這都由相關(guān)的技術(shù)手段來保證。此不贅述。開關(guān)電路進(jìn)入了放大區(qū)或放大器進(jìn)入了開關(guān)區(qū)，都是電路出離了應(yīng)該有的“常態(tài)” 而進(jìn)入了“故障態(tài)”。這可由靜態(tài)對發(fā)射結(jié)電壓值和集電極、發(fā)射極之間的電壓值這兩項檢測，來確定之。

放大區(qū)：Vbe約為0.5V左右，Vce約為二分之一的供電電源電壓;

飽和區(qū)：Vbe約為0.5V~0.7V左右，Vce約為0V;

截止區(qū)：Vbe約為0.4V~0V左右或0V以下的負(fù)壓(很少采用了)，Vce約為電源電壓。

電路處于什么狀態(tài)，搭搭表筆(搭兩下)就可以知道了。

3、電路示例2——故障檢修

3.1電路檢修基本要點和次序：

先電源;后信號;電路本身。

3.2而對于采用MCU或DSP構(gòu)成的電路系統(tǒng)，通常應(yīng)首先考慮到軟件或數(shù)據(jù)的問題，然后才落實到硬件電路本身。如上電風(fēng)扇不轉(zhuǎn)。

3.2.1 查看參數(shù)設(shè)置，風(fēng)扇運行一般有三種模式，1)上電運轉(zhuǎn);2)啟動后運轉(zhuǎn);3)檢測模塊溫度至一定值后運轉(zhuǎn)。 若設(shè)置處于第3)項，當(dāng)然風(fēng)扇不轉(zhuǎn)，與硬件電路沒有一毛錢的關(guān)系。修改相關(guān)參數(shù)即能運行了。

3.2.2查找硬件電路的故障

具體到該電路(見圖6)。可用“短路法”實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的故障判斷。

1) 用金屬鑷子短接Q1的c、e極，此動作意義：確定供電電源和風(fēng)扇好壞。若風(fēng)扇運行正常，說明供電電源和風(fēng)扇均正常。反之，檢查電源和風(fēng)扇好壞，對于風(fēng)扇可單獨施加24V直流電源驗其好壞。檢測故障，不見得全盤依賴萬用表啊。

2) 測量Q1的Vbe電壓，確定電路本身或信號異常與否?？赡軙霈F(xiàn)以下幾種測量結(jié)果：

a)Vbe等于R1、R2的分壓值，約為1.7V左右。結(jié)論是Q1的發(fā)射結(jié)開路(發(fā)射結(jié)為二極管特性，導(dǎo)通電壓約0.6V左右)。

b)Vbe=0.7V，控制信號正常，結(jié)論是Q1的集電結(jié)開路。

c)Vbe=0V，有以下三種可能：

(1) 測R1左端也為0V，信號未到來，故障無關(guān)乎本電路，查前級信號傳送電路;

(2) 測R1左端為5V。基極電阻R1斷路，可用電阻測量法確定;

(3) 測R1左端為5V。Q1的發(fā)射結(jié)短路，可用電阻測量法確定。