晶体三极管和放大电路

孙年飞 2023-04-20 发布于湖南

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晶体三极管

它具有放大作用，组成各种类型的放大电路。把微弱的电信号按一定倍数放大。它还具有开关作用，用来构成多种脉冲与数字电路。

它体积小，能耗低，价格便宜，已广泛应用于电子线路中。

晶体三极管有两种类型，一种是NPN型(多为硅管，硅管比较稳定，应用较广泛)，另一种是PNP型(多为锗管)。每种类型都有两个PN结(发射结和集电结)，三个区(发射区，基区和集电区)。对应三个区引出的三个电极是发射极(e)，基极(b)，集电极(c)，三极管均用字母V表示。

发射区和集电区虽然半导体类型相同，但发射结比集电结的面积小，发射区比集电区掺杂浓度大，所以两区的作用是不同的。使用时发射极与极电极一般不能互换。

两种类型三极管工作原理相似，仅使用时外加电源的极性不同。外加电源的极性，根据发射极上边的箭头方向来决定。NPN型发射极接负，PNP型发射极接正极

晶体三极管的电流放大作用

NPN型三极管的实验电路如图所示，有两个电流回路。输入回路(又称基极回路)，输出回路(又称集电极回路)。其中发射极是公共端，这种接法就称为三极管的共发射极接法。

NPN型三极管集电极回路电源电压要大于基极回路电源电压，这样才有可能是发射结正偏，集电结反偏，三极管起到放大作用。改变基极电流，集电极电流和发射极电流都发生变化。

对于npn型三极管，实验得出如下结论：

1、发射极电流等于基极电流和集电极电流之和。

2、基极电流很小，集电极电流与发射极电流接近相等。

3、较小的基极电流变化能引起较大的集电极电流变化。而且比值在一定范围内基本不变，这一变化规律称之为三极管的电流放大作用。集电极电流的变化量与对应基极电流的变化量的比值叫做三极管的电流放大系数。用符号β表示。

当β值不在保持基本不变而是下降较大时，基极电流对集电极电流就失控了，这时三极管是处于饱和状态。

对于PNP型三极管具有电流放大作用，同样必须使其发射结加上正向偏置，集电结加上反向偏置。所以电源极性的接法必须和NPN型管相反，其电源极性的接法和电流方向如图。

晶体三极管的特性曲线和三种工作状态

三极管的特性曲线是用来表示三极管各极电压和电流之间相互关系的，是分析放大电路的重要依据，最常用的是共发射极接法的输入特性曲线和输出特性曲线。

输入特性：当集射极电压为固定值时，输入回路中基极电流与基射极电压之间的关系。

1、当集射极电压为零伏时，三极管的输入特性与二极管的正向伏安特性相似。

2、当集射极电压≥1v时，输入特性右移。大于1V和等于1V的输入特性曲线接近重合。

3、三极管输入特性也有一段死区，只有在发射结外加电压大于死区电压时，三极管才会出现基极电流。硅管的死区电压约为0.5v，锗管的死区电压约为0.2v，NPN型硅管的发射结导通电压约为0.6~0.7v，PNP型锗管的发射结导通电压约为-0.2到-0.3v。

输出特性：当基极电流为恒定值时，输出电路中集电极电流与集射极电压之间的关系。

1、放大区。输出特性曲线的近于水平部分是放大区。在放大区集电极电流受基极电流的控制而与集射极电压几乎无关，具有电流放大的作用。在不同的基极电流值下，各条输出特性曲线近乎平行。当所取的基极电流值间隔相同时，所得的输出特性曲线的间隔的大小反映了管子的电流放大系数β值的大小。此时集电极电流与基极电流成正比关系，故放大区又称为线性区。三极管工作在放大状态时，发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置。

2、截止区。基极电流等于零的曲线以下的区域称为截止区。基极电流等于零，集电极电流不等于零，而是一个较小值，通常称它为穿透电流ICEO。在常温下穿透电流数值很小，三极管极射极间接近开路，处于截止状态。

3、饱和区。集射极电压很小(硅管约小于0.5v)的区域称为饱和区(饱和区跟集电极电压相关)。在饱和区集电极电流的大小几乎只决定于集电极的外部电路，基极电流的进一步增大不会引起集电极电流的显著增大。一般称三级管处于饱和状态。此时三极管在输出回路中相当于接通状态下的开关。在饱和区发射结集电结均处于正向偏置。

三极管组成放大电路是工作在放大区处于放大状态，组成数字电路是工作在饱和区和截止区，处于饱和与截止状态。

晶体三极管的主要参数

1、电流放大系数β 集电极电流增量与基极电流增量的比值就是三极管的交流电流放大系数。集电极电流与基极电流的比值称为三极管的直流电流放大系数。交流用小写字母表示，直流用大写字母表示。

常用的三极管的β值在50~200之间，β值太小，则电流放大作用差，β值太大的管子性能不稳定。

2、极间反向电流参数

集电极-基极反向饱和电流ICBO。当发射极开路，集电极的反向电流就是ICBO，它和单个pn结加反向电压时的反向电流一样，是由少数载流子的漂移运动形成的。受温度影响很大。它是集电结质量好坏的标志。它的数值越小越好，硅管的小于1uA，锗管的较大。

穿透电流ICEO 基极开路集电极与发射极之间的漏电流称作穿透电流。三极管的穿透电流要比它的反向饱和电流大的多。它们之间的关系如下。

穿透电流随温度变化很大，它是表示三极管质量好坏的参数，数值越小越好。

极限参数

集电极-发射极击穿电压UCEO(BR) 基极开路时加在集电极发射集两极之间的最大允许电压。为了电路工作可靠，应取电源电压小于等于1/2~2/3*UCEO(BR)

集电极最大允许电流ICM 集电极电流超过一定值时，三极管的参数将变坏，电流放大系数将明显下降。电流放大系数只下降到正常值的2/3时的集电极电流称为集电极最大允许电流。

集电极最大允许耗散功率PCM集电结最大允许承受的功率称为最大允许耗散功率。

三极管的允许功率损耗线是一条双曲线。三个极限参数共同确定了三极管的安全工作区下图阴影部分。

基本放大电路

放大电路的工作原理

电路图分析：电路图省略基极电源，通过一个基极偏置电阻Rb也由集电极电源供电。输入端接入一个供给放大电路交流输入信号的信号源。输出端接有接受交流输出信号电压的负载。两个输入输出信号分别经电容同三极管的基极、集电极连接(低频时使用有极性的电解电容器)。由于发射集作为输入回路和输出回路的公共端，所以这种电路被称为共发射极放大电路。

三极管：能量较小的输入信号是通过三极管的控制作用去控制电源所提供的能量，以便在输出端获得一个能量较大的输出信号。三极管也可以说是一个以小电流控制大电流的控制元件。

集电极负载电阻Rc：主要是将集电极电流的变化变换为电压的变化，以实现电压放大。阻值一般为几千欧到几十千欧。

直流电压源：为放大电路提供能量，并使集电结处于反向偏置，发射结处于正向偏置。三极管工作在放大区时直流电压源一般为几伏到几十伏。

基极偏置电阻Rb：电源通过基极偏置电阻使三极管的发射结处于正偏。改变基极偏置电阻的数值就可以改变三极管的基极电流，从而相应的改变集电极电流和管压降，使放大电路建立起合适的直流工作状态，并工作于三极管的线性区，通常这种工作状态称为静态工作点。即基极电阻是确定放大电路静态工作点的关键元件，通常称之为偏置电阻。

耦合电容：(隔直电容)交流信号可以顺利的通过耦合电容，而放大电路的直流静态工作电流却被耦合电容隔断，使三者之间无直流联系。在放大电路工作频率范围内，耦合电容的容抗很小，对交流信号视作短路。耦合电容的电容值要取的较大，低频放大时一般使用几微法到几十微法的电解电容器，连接时注意电解电容器的极性。

交流放大电路的工作原理

放大电路最基本的两个要求。一是能放大，对放大电路这种交流工作状态的分析属于动态分析。二是设置合适的静态工作点使图像不失真，对放大电路这种直流工作状态的分析属于静态分析。

去掉基极电流的情况下，交流信号的负半轴使发射结反偏，三极管截止，放大电路没有输出。交流信号的正半周由于三极管的死区电压的存在，会使输出图像的首尾被截去一部分。三极管集-射极电压随着集电极电流的变化而变化，当集电极电流增大时，集射极电压下降

比较输入输出电压波形显然不一样，这种现象称为非线形失真。

为了使电路能进行不失真的放大，必须设法做到在交流输入信号的整个周期内发射结都处于正偏。在没有输入电压的情况下就预设置一个静态基极电流时，使发射结上有一个直流正向偏置电压-基射极电压。只要基极电流、基射极电压选的合适，信号又不太大，就可以使在输入信号的整个周期内加到发射结的电压始终为正，使三极管始终处于放大状态。所以静态工作点是为了保证放大电路的正常工作而设置的。

用大写字母加大写，下标表示直流分量。用小写字母加小写下标表示交流分量。用小写字母加大写下标表示电压和电流的瞬时值，它们是直流分量和交流分量的叠加值。

由直流电源单独作用的等效电路称为直流通路。直流通路保留直流电源，交流信号源短路留阻，电容开路。直流通路主要用于分析放到电路的直流分量，即静态工作点的值

由交流信号源单独作用的等效电路称之为交流通路。交流通路保留信号源，电源短路留阻，电容短路。交流通路主要用于分析放大电路的交流分量，即交流信号的放大情况。

放大电路的分析方法

估算法之静态估算

静态估算主要是对电路中的直流分量—基极电流、集电极电流以及集射极电压的计算，即对静态工作点的计算。

1、在直流通路中(b)，根据基尔霍夫电压定律有

当基射极电压远小于电源电压时，有

2、由于放大电路工作在放大区，对集电极电流有

3、三极管集射极电压有

估算法之动态估算

动态是指有交流信号输入放大电路时该电路的传输特性。动态估算是在静态工作点确定后进行的。它可以给出放大电路的交流输出电压，放大倍数，输入电阻和输出电阻等的估算值。用简化微变等效电路(在小信号微变量的条件下，在静态工作点附近的小范围内，近似的用直线来代替曲线，将三极管线性化)分析法进行动态估算。

三极管的简化微变等效电路

输入特性曲线在静态工作点附近的AB段基本上是一条直线。若信号足够小，使基极电流的变化范围在AB段内，那么三极管集射极间的电压和电流关系对小信号来说是线性的。在输入特性的AB段内，三极管输入回路可以用一个电阻等效代替，称为三极管的输入电阻。从提供的输入特性曲线求出集射极电压的变化量和基极电流的变化量，即可计算输入电阻。对于一般低频小功率三极管的输入电阻可用下式估算

式中IE是发射极的静态电流。三极管的输入电阻一般为几百欧到几千欧。它是对交流信号而言的一个动态电阻。

输出特性曲线三极管的输出电路可以用一个受基极电流控制的恒流源等效代替，它不是一个独立电源，而是受基极电流控制的受控电源。进行电路简化时，不要把受控源的受控量消除掉。分析电路时，不能按普通电流源做开路处理。

电压放大倍数的计算：

负号表示输出电压与输入电压相位相反。电压放大倍数与负载电阻有关，负载电阻越大，电压放大倍数越大。

放大电路输入电阻的计算：

一个放大电路总是要与其他电路相联系的，输入端或是连接信号源或是连接上一级放大电路。输出端或是连接负载，或是连接下一级放大电路。放大电路和它们之间是相互联系，相互影响。

放大电路对于信号源来说是一个负载，可以用一个电阻，等效代替这个电阻就是放大电路的输入电阻。

放大电路的输入电阻基本上等于三极管的输入电阻。通常希望放到电路的输入电阻大一些。一、电阻大从信号源取较小的电流，减轻信号源的负担。二、输入电阻分压使实际加到放大电路的输入电压增大，从而增大电路的输出电压。三、后级放大电路的输入电阻大(前级负载电阻大)，将会提高前级放大电路的电压放大倍数。

放大电路输出电阻的计算。

放大电路对于负载来说，可将它等效为一个理想电压源与内阻相串联的电路。这个内阻就是放大电路的输出电阻。一个信号源，它的内阻越小，损耗越小，输出特性越强。所以一般希望放大电路的输出电阻越小越好。

输出电阻可以这样来计算，将负载端开路求出放大电路的开路电压。再将负载端短路，求出放大电路的短路电流。然后用开路电压除以短路电流就得到内阻输出电阻。

求输出电阻的另一种方法是在放大电路的信号源短路和负载开路的条件下，在放大电路的输出端加一个已知电压。计算出流入放大电路的电流，然后通过电压除电流计算出内阻。

应用简化为变等效电路分析法，可以方便的估算放大电路的电压放大倍数，输入电阻和输出电阻。微变等效电路只能作为交流信号的动态分析，不适用于静态分析。

图解法

估算法分析放大电路，简单方便，但结果有误差。对信号是否出现失真看不清楚。为了形象，直观的分析放大电路还需要掌握分析放大电路的图解分析法。应用三极管的输入输出特性，通过作图的方法分析放大电路的工作性能，称为图解分析法。估算法与图解分析法这两种方法是不能割裂开来的。在图解法中有许多地方要利用估算法来简化分析过程。

1、静态分析。

如图a用虚线AB将输出回路分成两部分。

图中右边部分是电阻和电源串联的支路，根据基尔霍夫电压定律有如下关系

这个方程表示了右半部分电路集射极电压和集电极电流的关系，根据方程可以在坐标系中画出一条直线MN，它的斜率为

由于直线MN是由直流通路定出的，所以称直线为直流负载线。

图中左边部分为三极管集射极电压与集电极电流关系，就是三极管的输出特性曲线。

左右两部分组成的电路为一个整体，流过的是同一电流，AB两端是同一电压，因此将二者合二为一。直流负载线与输出特性曲线的交点就是这个电路可能出现的工作状态。电路究竟工作在哪一点，要看三极管基极电流的大小。通常选择直流负载线的中点作为静态工作点，以避免放大电路的工作范围超过特性曲线的线性范围，然后从图中得出基极电流。可以根据基极偏置电阻来调节基极电流的大小，使电路的静态工作点居中。当放大电路没有输入信号时，确定了静态工作点之后，可以根据图直接读出静态时集射极电压和集电极电流。

用图解法分析静态工作点的步骤如下

1）在三极管输出特性曲线的坐标系上利用方程画出直流负载线。

2）估算基极电流，找出对应于基极电流的一条输出特性曲线。

3）看图求出静态工作点，以及从静态工作点查出对应的集射极电压和集电极电流。

动态分析

图解法的动态分析就是求放大电路，输入端加入信号后。电路中电压，电流的变化波形还可以从波形中计算电压放大倍数。他的分析过程是在静态分析的基础上进行。

静态分析定出静态工作点后，由输入信号波形在三极管输入特性(输入信号电压和基极电流坐标系)中想求出基极电流波形，不要忽略三极管的压降0.7V，再由基极电流波形在输出特性上求集射极电压和集电极电流的波形，最后算出电压放大倍数。

1) 不接负载电阻时的动态分析。

输入信号700mV+-18mV波动得到基极电流20~60μA波动，然后看图得出集电极电流和输出电压的数值，计算电压放大倍数。负号表明输入信号与输出信号反相。

2) 接入负载电阻时的动态分析。

接入负载后总等效负载电阻变小，负载线斜率变大。这时需要新的负载线与直流负载线对应，它的斜率为

放大电路应该工作在静态工作点q上，所以新的负载也是通过q点，斜率为上式的线段HL，HL被称为交流负载线，交流负载线比直流负载线要陡。当不接负载时，交流负载线与直流负载线重合，不接负载时省略了一步，这个才是正常流程，先做直流后做交流。所以在前面的动态分析中用直流负载线分析即可。

交流负载线的做法如下：

①在输出特性曲线上做直流负载线并确定静态工作点。

②在纵坐标上用Ec/R'L定出一点N'，由集电极电流等于零时，UCE=EC可以得到M点，两点确定直线MN'

③过Q点作平行于MN'的直线HL

图解法动态分析的步骤除了要做交流负载线之外，其他的和估算法相同。

非线性失真

失真是指输出信号的波形与输入信号的波形不相似。工作点选择不当或输入信号过大，三极管在工作时进入了饱和区或截止区，输出信号波形就会失真，这种失真称为非线性失真。非线性失真包括截止失真和饱和失真。

静态工作点选得太低，即基极电流选的太小，工作状态接近截止区造成截止失真。如果输入信号为正弦波，则输出信号的正半周被削平，这种失真是由于三极管的截止而引起的，故称为截止失真。(输出信号正半轴削平)

若基极电流选的太大，则静态工作点选的高。此时基极电流的波形虽然并未失真，但集射极电压和集电极电流都严重失真，输出电压的负半周被截去了一部分，这种失真是由于三极管的饱和而引起的，称为饱和失真。(输出信号负半轴被削平)

图解法作图比较麻烦，不适用于分析较复杂的电路。

常用的放大电路

1、稳定静态工作点的放大电路

由于半导体器件对温度比较敏感，三极管的电流放大系数和穿透电流要随温度的升高而增大。进而引起静态工作点q的集电极电流也要随之增大。而对应的管压降要随之减小。Gq点药水温度的升高向饱和区靠近，这有可能影响放大电路的正常工作。为克服这个缺点，常采用一些温度补偿措施。

稳定静态工作点的电路有多种常用的分压式偏置电路如图，根据基尔霍夫电流定律，图中电流有如下关系

静态工作点的求法

电压放大倍数和输入输出电阻的求法

有RF的共射极放大电路

射极输出器

共射极放大电路是从集电极对地输出信号，这种电路虽然有较大的电压放大倍数，但其输入电阻较小，输出电阻较大。

使用上还常用具有高输入电阻，低输出电阻的电路，此电路由于信号从射极输出，故称射极输出器。射极输出器信号从基极进入到地，从发射极出发到地。共集电极(没提到的极就是共的极)，所以又称为共集电极放大电路。

射极输出器有以下几个特点：

输出电压与输入电压大小接近相等，相位相同，即电压放大倍数等于1

输入电阻很大

输出电阻很小

射极输出器的上面特点在放大电路中得到广泛应用。把射极输出器作为多级放大电路的输入级，利用其输入电阻大的特点，可减轻信号源的负担。当把涉及输出器作为输出级时，利用其输出电阻小的特点，在负载变化时输出电压稳定，提高带负载的能力。多级放大电路中，为了减少后期对前级的影响，可以把射极输出器接在两级之间，起阻抗变换作用。射极输出器虽然没有电压放大作用，但有电流放大和功率放大的作用。

对于射极输出器，一般用IE代替Ic表示静态工作点的值。

晶体管电子继电器