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(shí)實(shí)在在的電流流通，三極管才能導(dǎo)通，因而要求信號(hào)源有電流輸出能力），挑信號(hào)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(shí)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(gè)簡(jiǎn)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(jí)驅(qū)動(dòng)器件，如直流繼電器線圈和風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)、igbt的末級(jí)驅(qū)動(dòng)（此處三極管僅僅作為開關(guān)來應(yīng)用，如控制風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)、繼電器的動(dòng)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?yàn)椋?dāng)一片四運(yùn)放集成電路的價(jià)格與單只小功率三極管的價(jià)格相接近時(shí)，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(jià)比、電路性能、體積等任何一點(diǎn)考慮，三極管都貌似是永遠(yuǎn)失掉了它的優(yōu)勢(shì)。
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(jì)一款最基本的三極管偏置電路，由對(duì)此簡(jiǎn)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(jiǎn)易單電源供電的小信號(hào)放大器。為了不失真輸出信號(hào)電壓（有較好的動(dòng)態(tài)范圍），通常將靜態(tài)vc設(shè)置為vcc 的1/2，那么動(dòng)態(tài)輸出則是以5v為零點(diǎn)的上、下浮動(dòng)的變化電壓（如圖1所示）。
電路設(shè)計(jì)：由電源電壓=10v和vc＝5v、ic＝1ma三個(gè)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(diǎn)的建立。
1）靜態(tài)工作點(diǎn)
揀要點(diǎn)，三個(gè)明要素：ib=10µa；ic＝1ma；vc＝5v。
一個(gè)暗要素：我們將q1的c、e極之間，看作一個(gè)電阻，暫命名其為rce。此時(shí)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(gè)要素。
在輸入信號(hào)作用下，其實(shí)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(diǎn)即零信號(hào)時(shí)的工作偏置狀態(tài)。此處的零信號(hào)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(hào)使ib在靜態(tài)基礎(chǔ)上有所上升時(shí)，必然導(dǎo)致ic的同步上升。我們可以給出一個(gè)確定值以便進(jìn)行定量分析。此時(shí)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(shí)是rce的變小，導(dǎo)致了vc分壓點(diǎn)的電壓降低，那么可見rce為一只可變電阻，而實(shí)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(shí)呈現(xiàn)一只可變電阻的特性！當(dāng)vc=2.5v時(shí)，可知rce由靜態(tài)時(shí)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(diǎn)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?yàn)椋喝龢O管的發(fā)射（pn結(jié)）結(jié)導(dǎo)通電壓是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)態(tài)的值（稱門坎電壓如0.6v左右），而在此相對(duì)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(shí)只關(guān)注ib對(duì)ic的影響。而從根本上來說，三極管是個(gè)電流控制器件或者為電流放大器，而電壓放大，是個(gè)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(hào)電壓上升使ib在靜態(tài)基礎(chǔ)上往正方向變化時(shí)，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(hào)使ib在靜態(tài)基礎(chǔ)上有所下降時(shí)，必然導(dǎo)致ic的同比例下降。我們也可以給出一個(gè)確定值以便進(jìn)行定量分析。此時(shí)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(shí)是rce的變大，導(dǎo)致了vc分壓點(diǎn)的電壓上升。當(dāng)vc=7.5v時(shí)，可知rce由靜態(tài)時(shí)的5k變?yōu)楝F(xiàn)在的15k。
綜合以上2)、3）來看，輸入信號(hào)電流的變化范圍±5µa；放大100倍后，ic變化范圍±0.5ma；其實(shí)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(jí)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(hào)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(hào)電壓的上升，使ib↑≥20µa；ic↑＝2ma；vc↓＝0v。此時(shí)因?yàn)閞c=5k，電源電壓=10v，ib在20µa以上繼續(xù)增大至哪怕至毫安級(jí)，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(shí)的ic ＝2ma被稱為飽和電流。三極管工作于飽和狀態(tài)。
此時(shí)的rce<<rc已經(jīng)不再具有可變電阻的特性，更適宜于用sw1的閉合來等效了。q1已經(jīng)出離了放大區(qū)，進(jìn)入了開、關(guān)區(qū)之一的飽和區(qū)。若忽略微小的飽和壓降，則vc可看作0v。
5）進(jìn)入截止區(qū)的工作狀態(tài)
in輸入信號(hào)電壓的下降（vb為0.3v以下至0v），使ib↓＝0µa；ic＝0ma；vc↑＝10v。此時(shí)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(shí)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(hào)電壓放大器，做為一個(gè)中間放大器，是和前級(jí)電路的輸出信號(hào)幅度、后級(jí)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(hào)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(shí)，首先輸入信號(hào)是在合理的線性范圍內(nèi)才行。輸入信號(hào)電壓幅度應(yīng)在百毫伏級(jí)以內(nèi)，輸入信號(hào)電流應(yīng)在±10µa左右。若輸入信號(hào)導(dǎo)致ib=0，或?qū)е耰b≥20µa時(shí)，此為非法信號(hào)！做為放大器應(yīng)用時(shí)，應(yīng)避免非法信號(hào)的出現(xiàn)，換句話說，非法信號(hào)的進(jìn)入，說明前級(jí)電路已為故障狀態(tài)。
2）做為開關(guān)電路應(yīng)用時(shí)，應(yīng)避免小幅度漸變信號(hào)在輸入端的出現(xiàn)，此亦為非法信號(hào)！開關(guān)電路若進(jìn)入放大區(qū)，麻煩就來了，如驅(qū)動(dòng)繼電器時(shí)，會(huì)出現(xiàn)繼電器振動(dòng)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(hào)，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(hào)電流角度來描述對(duì)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(shí)還和多種因素相關(guān)。
a、和信號(hào)幅度相關(guān)，已述；
b、電路本身相關(guān)，如rc取小時(shí)，若進(jìn)入飽和狀態(tài)，就需要更大的輸入電流信號(hào)；取大時(shí)，會(huì)令飽和狀態(tài)提前；
c、后級(jí)電路的影響，負(fù)載阻抗過低，會(huì)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(shí)，當(dāng)該級(jí)放大器異常，僅僅著眼于該級(jí)電路是不夠的，先確定信號(hào)和負(fù)載電路無問題，才對(duì)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(gè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。放大器在工作中力爭(zhēng)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(gè)短時(shí)的放大區(qū)（當(dāng)然進(jìn)入該區(qū)域的時(shí)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(duì)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(xiàng)檢測(cè)，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(diǎn)和次序：
先電源；后信號(hào)；電路本身。
3.2而對(duì)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(shí)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(yùn)行一般有三種模式，1）上電運(yùn)轉(zhuǎn)；2）啟動(dòng)后運(yùn)轉(zhuǎn)；3）檢測(cè)模塊溫度至一定值后運(yùn)轉(zhuǎn)。 若設(shè)置處于第3）項(xiàng)，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(yùn)行了。
3.2.2查找硬件電路的故障
具體到該電路（見圖6）?？捎谩岸搪贩ā睂?shí)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(dòng)作意義：確定供電電源和風(fēng)扇好壞。若風(fēng)扇運(yùn)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(duì)于風(fēng)扇可單獨(dú)施加24v直流電源驗(yàn)其好壞。檢測(cè)故障，不見得全盤依賴萬用表啊。
2) 測(cè)量q1的vbe電壓，確定電路本身或信號(hào)異常與否?？赡軙?huì)出現(xiàn)以下幾種測(cè)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(hào)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(cè)r1左端也為0v，信號(hào)未到來，故障無關(guān)乎本電路，查前級(jí)信號(hào)傳送電路；
(2) 測(cè)r1左端為5v?；鶚O電阻r1斷路，可用電阻測(cè)量法確定；
(3) 測(cè)r1左端為5v。q1的發(fā)射結(jié)短路，可用電阻測(cè)量法確定。