C5.2:如何利用BJT的区域进行稳定工作

   首先聊聊BJT的数据手册，不管什么设计，首先要注意最大电流和最大功率的参数，确保设计符合要求，即IC的最大电流，而最大功率的取值，取决于温度，也就是散热措施，进而引申出减额系数，即超过25℃后，温度每上升一℃，需要将额定功率减少多少。

  散热措施就是散热片或者硅脂，而晶体管散热多是通过散热片来完成的，可以快速降低外壳温度，进而降低BJT内部温度或结温度，手册有热电阻参量，可以根据参量计算不同散热片的外壳温度。

  电流增益在手册叫h参数，也就是hFE，表示CE组态的正向电流传输比，βdc = hFE

  而BJT都有最佳工作点，比如2N3904的集电极电流在10mA为最佳，所以当大于或小于10mA的时候，最小电流增益随之减小，而且手册会给出电流偏离10mA时最小电流增益，表示最坏情况，所以设计的时候要考虑最坏情况下是否电路能正常工作。

  电流增益βdc取决于晶体管、集电极电流、温度，晶体管替换为同类型的另一个晶体管，电流增益通常会发生变化，这是工艺导致的问题，同样，如果集电极电流或温度发生变化，电流增益也会改变。

  比如2N3904在温度25℃，集电极电流为10mA时，hFE的最小值为100，最大值为300，如果用2N3904搭建几千个电路，那么有些晶体管电流增益会是100，也有些晶体管电流增益是300，而温度升高的时候，电流增益会提高（温度越高，自由电子越兴奋），温度降低的时候，电流增益会下降。
所以由此得出，更换晶体管、改变集电极电流或改变温度，都会让电流增益发生较大改变，所以如果设计精确电流增益的电路，大批量生产里会有很多废品！

  说完大概手册的必要内容，接下来要提起负载线的内容，BJT作为放大器或者开关，需要让它的直流电路满足合适条件，进而通过偏置，使BJT达到要求的区域来工作，下文先从基极偏置说起。

  基极偏置就是设定固定的基极电流值，比如RB=1MΩ，基极电流为14.3uA，即使更换晶体管或改变温度，基极电流也不会改变。

  静态工作点就是在基极电流确定下，放大倍数确定下的集电极电流，即IC=β*IB，以及VCE = VCC - ICRC，这就是静态工作点Q的位置，合理的静态工作点可以让BJT稳定工作，任何意外情况下都可以稳定工作。

  而求静态工作点的方法多种多样，有图解法，利用负载线求出，比如VCE = VCC - ICRC,那么IC = (VCC - VCE) / RC，根据IC和VCE的关系，得到了一条线性方程，也就是一条贯穿晶体管曲线的负载线。

  所以负载线的两个端点很好找到即饱和点和截止点。

  这条线的意义在于它包含了电路所有可能的工作点，基极电阻的改变，导致IB变化，使得IC和VCE在整个工作范围内变动，根据IB画出相对于的IC和VCE，即可得出负载线。

  饱和点：基极电阻很小时，集电极电流过大，VCE几乎降到0，BJT进入饱和区，意味着集电极电流到达了最大的可能值，饱和点就是负载线与集电极在饱和区特性曲线的交点，饱和时VCE很小，饱和点几乎和负载线上端重合（图片没画好，可以看书上的图片），所以可以近似的看成饱和点就是负载线的上端点，但要记住这是近似，是有误差的。

  饱和点表示电路可能的最大集电极电流，集电极电流约5mA时进入饱和区，VCE几乎下降到零，那么就可以近似等效为集电极和发射极短路，则IC=VCC/RC。

  晶体管饱和，和饱和点的饱和是两个意思，晶体管饱和指的是基极电流如何增大，集电极电流的始终是这么大，不再是成固定比例的放大倍数，而饱和点指的是每个固定基极电流下的最大集电极电流。

  截止点表示集电极电流非常小，是负载线和集电极特性曲线的截止区交点，从图片看，截止点和负载线的下端点几乎重合，所以可以近似等效把截止点看作负载线的下端点，截止点代表BJT最大的VCE，因此可以近似等效为集电极和发射极开路，由于没有电流流过集电极电阻。

  所以VCE = VCC，当集电极电流为零，晶体管截止。

  当集电极电源电压不变，而改变集电极电阻的时候，负载线斜率会发生改变，截止电压却相同，所以得到了斜率 = 1/RC

  而改变电流增益的时候，基极电流不变（电流增益对基极没用），但IC则被影响，进而VCE也被影响，所以静态工作点Q也会变化，所以当电流增益增大，静态工作点将在负载线上移，而电流增益减小，静态工作点在负载线下移。

  所以如果电流增益变化过大，静态工作点很容易就进入饱和区或截止区，这时候有源区以外电流增益有损失，所以放大电路不能正常使用，所以基极偏置的电路由βdc决定。

  而计算Q点公式是：

                                  IB = (VBB - VBE) / RB

                                  IC = βdc*IB

                                  VCE = VCC - ICRC  

  所以如何对一个电路快速判断工作在哪个区域？

答：放大电路，Q点必须工作在有源区，否则输出信号的波峰将由于进入饱和区或者截止区而发生失真，开关电路后面再论，下面讲放大电路的判断。

  1.矛盾判别法：即假设晶体管工作在有源区，然后计算电流和电压，最后比较结果和理论值，如果出现了不可能的结果，那说明假设是错误的，反之假设是正确的。

  2.饱和电流法：先计算饱和电流，然后算出集电极电流，如果集电极电流大于饱和电流，则说明晶体管不可能工作在有源区，他一定工作在饱和区。

  3.集电极电压法：在理想情况下得到基极电流，然后假设电流增益为多少，然后计算出集电极电流，然后得到VCE，进而看结果是否为正数，如果出了负数，则说明晶体管在饱和区。

  电流增益一般是对有源区而言的，而晶体管处于饱和状态，电流增益比有源区要小，饱和电流增益为βdc = IC / IB。

  深度饱和：若让BJT在所有条件下都工作在饱和区，设计通常会选择电流增益10的基极电阻，这样能够产生足够大的基极电流使得晶体管处于饱和状态，这种状态就叫深度饱和。

  为什么要设计深度饱和状态？

答：前文所述，晶体管、集电极电流、温度变化都会让电流增益发生变化，为了确保晶体管在集电极电流较低、温度较低等情况下不至于脱离饱和，设计时就需要采用深度饱和，让晶体管在所有条件下都工作在饱和状态。

  深度饱和指的是饱和电流增益近似为10的设计，轻度饱和则时晶体管刚刚进入饱和的设计，即饱和电流增益只是略小于有源区电流增益。

  深度饱和的快速判别：通常基极电源电压和集电极电源电压相同，VBB = VCC，这种情况下可以用10：1规则设计电路，即基极电阻大约是集电极电阻的10倍，这种就可以判断晶体管处于深度饱和状态。

  对于晶体管开关电路来说，基极偏置应用与数字电路，因为这种电路通常工作在饱和区和截止区，他们输出不是高电压就是低电压，所以Q点变化也就没关系，因为电流增益变化时，晶体管始终处于饱和或截止状态，所以输出电压的确切值不重要，重要的是能分辨高电平电压和低电平电压，数字电路也常常叫开关电路，因为Q点在负载线两端来回切换，大多数设计中这两个点就是饱和点和截止点，另一个常用名字叫双态电路，是指具体两种输出状态（高低电平）。

  对于故障诊断，都采用理想近似，因为电阻会有很大误差，二阶和三阶近似的计算结果都会和理论值有不小的偏差。

  而晶体管损坏，无非是短路或开路，短路可能是器件损坏或焊锡飞溅到电阻两端等，开路则是器件烧毁导致的，这样的问题会导致电流或电压发生很大变化。

  短接元件等效于0R电阻，开路元件等效于无穷大的电阻，所以根据等效电路和晶体管的计算公式，可以很快分析具体故障点，晶体管可能出现的问题很大，它包含二极管、击穿电压、最大电流、额定功率，任何一个量超过范围，都会使一个或两个二极管损坏，这些损坏可能是短路，也可能是开路，或漏电流过大，或者βdc减少。

  测量故障还可以通过欧姆档来测量，先测量集电极和发射极之间的电阻，该电阻值在两个方向都应该很大，因为集电结和发射结都是背靠背串联，所以很常见的集电极发射极短路，就能很快测量出来，导致短路的原因就是功率超过了额定值，如果在任何方向读取这个电阻在0-几千Ω，那就可以判断发生短路，立即更换晶体管。

  如果测量集电极-发射极电阻在两个方向都很大（兆欧级别），可以测量集电结和发射结的正向电阻和反向电阻，反向电阻 / 正向电阻 应该大于1000：1（硅晶体管），如果不在这个范围，则判断晶体管损坏。