第4节 主动模式操作 (BJT) (修订中)
[TOC]
当晶体管处于完全关闭状态（如打开的开关）时，称为___截止___。相反，当它在发射极和集电极之间完全导电时（在集电极电源和负载允许的范围内通过集电极的电流），它被称为___饱和___。这是迄今为止探索使用晶体管作为开关的__两种操作模式。__
然而，双极晶体管不必局限于这两种极端的工作模式。正如我们在上一节中所了解的，基极电流为通过集电极的有限电流“打开了一个门”。如果受控电流的限制大于零但小于电源和负载电路允许的最大值，则晶体管将在截止和饱和之间的某个模式下“限制”集电极电流。这种操作模式称为_____主动_____模式。
# 1. 截止、饱和和活动模式
晶体管操作的__汽车类比__如下：
__切断模式——__是汽车的机械部件不产生动力使其移动的状态。在切断模式下，制动器接合（零基极电流），防止运动（集电极电流）。
主动模式__-__是汽车按照驾驶员的指示以恒定、受控的速度（恒定、受控的集电极电流）巡航。
饱和______度__——__汽车在陡峭的山坡上行驶，使其无法按照驾驶员的意愿行驶。换句话说，“饱和”汽车是踩下油门踏板的汽车（基极电流需要比电源/负载电路提供的更多的集电极电流）。让我们建立一个SPICE (opens new window)仿真电路来演示当晶体管处于其工作模式时会发生什么。（下图）
双极晶体管模拟
i1 0 1 直流 20u
q1 2 1 0 模 1
电流计 3 2 直流 0
v1 3 0 直流
.model mod1 npn
.dc v1 0 2 0.05
.plot dc i (vammeter)
。结尾
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“主动模式”SPICE 仿真电路和网表。
“Q”是示意图中晶体管的标准字母名称，就像“R”代表[电阻器](https://www.allaboutcircuits.com/video- 电容器 (opens new window)一样。在这个电路中，我们有一个由电池 (V1) 供电并由通过_电流源_(I1) 的电流控制的 NPN 晶体管。
电流源是一种输出特定量电流的设备，在其端子上产生尽可能多或尽可能少的电压，以确保通过它的电流量准确。众所周知，在自然界中很难找到电流源（与电压源不同，电压源试图保持恒定电压，在完成该任务时输出尽可能多或尽可能少的电流），但可以用一小部分电子元件进行模拟. 正如我们即将看到的那样，晶体管本身倾向于模仿电流源的恒流行为，它们能够将电流_调节_为固定值。
在 SPICE 仿真中，我们将电流源 (I1) 设置为 20 µA 的恒定值，然后在 0 到 2 伏特的范围内改变电压源 (V1) 并监控通过它的电流量。上图中输出为 0 伏的“虚拟”电池（Vammeter）仅用于为 SPICE 提供用于电流测量的电路元件。
一个 0 至 2 V 的扫描集电极电压，基极电流恒定为 20 µA，在饱和区产生恒定的 2 mA 集电极电流。
20 µA 的恒定基极电流将集电极电流限制设置为 2 mA，正好是 100 倍。请注意，在 0 到 2 伏的电池电压范围内，集电极电流的曲线有多平坦（上图）。这个毫无特色的情节的唯一例外是在一开始，电池从 0 伏增加到 0.25 伏。在那里，集电极电流从 0 安培迅速增加到 2 毫安的极限。
让我们看看如果我们在更宽的范围内（这次是 0 到 50 伏）改变电池电压会发生什么。我们将保持基极电流稳定在 20 µA。（下图）
双极晶体管模拟
i1 0 1 直流 20u
q1 2 1 0 模 1
电流计 3 2 直流 0
v1 3 0 直流
.model mod1 npn
.dc v1 0 50 2
.plot dc i (vammeter)
。结尾
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扫描集电极电压 0 至 50 V，基极电流恒定为 20 µA，产生恒定的 2 mA 集电极电流。
结果一样！上图中的集电极电流稳定在 2 mA，尽管电池 (v1) 电压在 0 到 50 伏之间变化。从我们的模拟中可以看出，集电极到发射极的电压对集电极电流几乎没有影响，除了非常低的水平（略高于 0 伏）。晶体管充当电流调节器，仅允许 2 mA 通过集电极，仅此而已。
现在让我们看看如果我们将控制 (I1) 电流从 20 µA 增加到 75 µA 会发生什么，再次将电池 (V1) 电压从 0 伏扫描到 50 伏并绘制下图中的集电极电流图。
双极晶体管模拟
i1 0 1 直流 75u
q1 2 1 0 模 1
电流计 3 2 直流 0
v1 3 0 直流
.model mod1 npn
.dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u
.plot dc i (vammeter)
。结尾
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扫描集电极电压 0 至 50 V (.dc v1 0 50 2)，基极电流恒定为 75 µA，产生恒定的 7.5 mA 集电极电流。其他曲线由直流分析语句 (.dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u) 中的电流扫描 (i1 15u 75u 15u) 生成。
毫不奇怪，SPICE 为我们提供了一个类似的图：一条平坦的线，这次在 7.5 mA（正好是基极电流的 100 倍）在从略高于 0 伏到 50 伏的电池电压范围内保持稳定。看起来基极电流是集电极电流的决定因素，只要 V1 电池电压高于某个最低水平，它就无关紧要。
这种电压/电流关系 (opens new window)与我们过去在电阻上看到的完全不同。使用电阻器，电流随着其两端电压的增加而线性增加。在这里，对于晶体管，无论发射极和集电极两端的电压增加多高，从发射极到集电极的电流都保持在一个固定的最大值。
通常，将不同基极电流的多个集电极电流/电压图叠加在同一张图上是很有用的，如下图所示。像这样的曲线集合——为每个不同的基极电流水平绘制一条曲线——对于特定的晶体管称为晶体管的_特性曲线_：
各种基极电流的集电极电流与集电极-发射极电压的关系。
图表上的每条曲线都反映了晶体管的集电极电流，绘制在一定范围的集电极到发射极电压上，对于给定的基极电流。由于晶体管倾向于充当电流调节器，将集电极电流限制在由基极电流设定的比例，因此将此比例表示为标准晶体管性能度量是有用的。具体来说，集电极电流与基极电流的比率称为_Beta_比率（由希腊字母 β 表示）：
有时__β 比率被指定为“h__ fe __”，__这是一个用于数学半导体分析分支的标签，称为“混合参数”，它努力通过详细的方程式实现对晶体管性能的精确预测。混合参数变量很多，但每个都标有通用字母“h”和特定的下标。变量“hfe”只是表示集电极电流与基极电流之比的另一种（标准化）方式，可与“β”互换。β比率是无量纲的。
__任何晶体管的 β 取决于其设计：制造后无法更改。__由于影响 β 的物理变量，很少有相同设计的两个晶体管完全匹配。如果电路设计依赖于多个晶体管之间的相等 β 比率，则可能需要额外付费购买“匹配组”晶体管。然而，设计具有这种依赖性的电路通常被认为是不好的设计实践。
晶体管的 β 并非在所有工作条件下都保持稳定。对于实际的晶体管，β 比率在其工作电流限制内可能会变化超过 3 倍。例如，标称 β 为 50 的晶体管可能会以低至 30 和高至 100 的 Ic/Ib 比率进行测试，这取决于集电极电流的大小、晶体管的温度和放大信号的频率等因素。出于教学目的，假设任何给定晶体管的常数 β 就足够了；意识到现实生活没有那么简单！
有时，使用一组更简单、更易于理解的组件来“建模”复杂的电子组件有助于理解。下图中的模型用于许多介绍电子学的教材中。
初级二极管-电阻晶体管模型。
该模型将晶体管转换为二极管和变阻器（可变电阻器）的组合。通过基极-发射极二极管的电流控制集电极-发射极变阻器的电阻（如连接两个组件的虚线所示），从而控制集电极电流。图中所示为 NPN 晶体管建模，但 PNP 晶体管仅略有不同（仅基极-发射极二极管会反转）。
该模型成功地说明了晶体管放大的基本概念：基极电流信号如何控制集电极电流。但是，该模型错误地传达了对于给定数量的基极电流设定数量的集电极 - 发射极电阻的概念。如果这是真的，那么晶体管根本不会像特性曲线所示那样_调节_集电极电流。随着集电极-发射极电压的增加，集电极电流曲线不会在短暂上升后变平，而是集电极电流与集电极-发射极电压成正比，在图表上以直线稳定上升。
一个更好的晶体管模型，经常出现在更高级的教科书中，如下图所示。
晶体管的电流源模型。
它将晶体管作为二极管和电流源的组合，电流源的输出设置为基极电流的倍数（β 比率）。该模型在描述晶体管的真实输入/输出特性方面要准确得多：基极电流建立一定数量的集电极_电流_，而不是第一个模型所暗示的一定数量的集电极- 放大器 (opens new window)。
# 2. 总结
- 如果晶体管在完全导通（饱和）和完全截止（截止）之间的某个位置工作，则称其_处于活动模式。_
- 基极电流调节集电极电流。通过_调节_，我们的意思是集电极电流不能超过基极电流允许的电流。
- 集电极电流与基极电流之比称为“Beta”（β）或“hfe”。
- 每个晶体管的 β 比率都不同，并且
- β随不同的操作条件而变化。
相关练习：
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