談晶體三極管在不同工作狀態(tài)下的應(yīng)用

【摘 要】本文提出了晶體三極管的在不同工作狀態(tài)下的分類和特性，并指出如何根據(jù)晶體三極管的不同工作狀態(tài)時(shí)的作用進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，從而增強(qiáng)學(xué)生對(duì)晶體三極管的工作狀態(tài)的了解，提高學(xué)生分析和解決問題的能力。

【關(guān)鍵詞】非線性器件；導(dǎo)通角；正向偏置；反向偏置

1.引言

晶體三極管是電子電路中非常重要的元器件，每一種電子電路幾乎都離不開它。它是一種非線性器件，在不同的外部條件下會(huì)呈現(xiàn)出不同的工作狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)它的不同工作狀態(tài)應(yīng)用到不同的電子電路中，從而有效地發(fā)揮它的作用。為了更好地在電路中發(fā)揮晶體三極管的作用就要掌握不同工作狀態(tài)下它的分類和特性，這樣不但有利于很好地應(yīng)用晶體三極管，而且有利于學(xué)習(xí)和掌握電路的基本知識(shí)，這樣在分析和設(shè)計(jì)電路時(shí)就會(huì)得心應(yīng)手，避免出現(xiàn)錯(cuò)誤。

2.晶體三極管在不同工作狀態(tài)下的分類

晶體三極管是有源器件，它在電路中工作時(shí)，要在它發(fā)射結(jié)和集電結(jié)施加不同的偏置電壓。而根據(jù)它的基極和集電極偏置電壓的不同，晶體三極管呈現(xiàn)不同的工作狀態(tài)。此時(shí)可把晶體三極管的工作狀態(tài)劃分成不同的區(qū)域。即如果發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)反向偏置，晶體三極管工作在放大區(qū)；如果發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)正向偏置，晶體三極管工作在飽和區(qū)，如果發(fā)射結(jié)反向偏置或零偏、集電結(jié)反向偏置，晶體三極管工作在截止區(qū)。晶體三極管工作在飽和區(qū)和放大區(qū)時(shí)都說明它是導(dǎo)通的，放大器在信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通情況可用導(dǎo)通角來衡量。放大器的導(dǎo)通角用θ來表示，定義為晶體三極管一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間乘以角頻率ω的一半。根據(jù)放大器導(dǎo)通角的不同可晶體三極管放大器分為甲類、乙類、丙類、丁類等放大器。

3.各類放大器的特性和應(yīng)用

3.1 甲類放大器

當(dāng)晶體三極管放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在放大區(qū)時(shí)，即發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)反向偏置時(shí)，放大器工作在放大狀態(tài)。此時(shí)，在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)，晶體三極管都是導(dǎo)通的，導(dǎo)通角θ為1800，此時(shí)晶體三極管放大器稱為甲類放大器。其工作波形如圖a所示。它的工作特性是：靜態(tài)工作點(diǎn)電流比較大，非線性失真小、管耗大、效率低、輸出功率小。甲類放大器有電壓放大的作用，可應(yīng)用到電壓放大和小功率放大電路中。另外由于它的失真小，所以在寬帶功率放大器中，晶體三極管也工作在甲類狀態(tài)，但由于它的效率低、輸出功率小，不能滿足功率放大器對(duì)輸出功率的要求，所以常采用功率合成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)功率放大器的聯(lián)合工作，獲得大功率的輸出。

3.2 乙類放大器

當(dāng)晶體三極管放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在截止區(qū)時(shí)，如果信號(hào)為正時(shí)三極管導(dǎo)通，信號(hào)為負(fù)時(shí)三極管截止。即三極管在信號(hào)的半個(gè)周期導(dǎo)通，導(dǎo)通角θ為900，此時(shí)放大器為乙類放大器，它放大的信號(hào)缺少半個(gè)周期，是失真的。但是在乙類互補(bǔ)推挽放大電路中，用兩個(gè)互補(bǔ)的三極管輪流推挽導(dǎo)通就可以彌補(bǔ)這種失真的不足，從而輸出完整的信號(hào)波形，電路如圖b所示。乙類放大器由于管耗小，效率大大提高。

3.3 甲乙類放大器

在實(shí)際功率放大電路中，由于晶體三級(jí)管發(fā)射結(jié)存在導(dǎo)通壓降，所以在乙類互補(bǔ)功率放大器中，由于V1、V2管沒有基極偏流，靜態(tài)時(shí)兩個(gè)管的發(fā)射結(jié)偏置電壓為零。當(dāng)輸入信號(hào)小于晶體管的死區(qū)電壓時(shí)，管子仍處于截止?fàn)顟B(tài)。因此，在輸入信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，兩個(gè)晶體三極管輪流導(dǎo)通時(shí)形成的基極電流波形在過零點(diǎn)附近一個(gè)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)失真。即在兩管輸出波形的交接處存在失真，這種失真稱為“交越”失真。這時(shí)需要在兩個(gè)晶體三極管的基極加上等于發(fā)射結(jié)導(dǎo)通壓降的電壓，使兩個(gè)晶體三極管均處在微導(dǎo)通狀態(tài)，兩管輪流導(dǎo)通時(shí)，交替得比較平滑，這樣就消除了交越失真。電路如圖c所示。

3.4 丙類放大器

當(dāng)導(dǎo)通角θ小于900時(shí)，晶體三極管放大器稱為丙類放大器。丙類放大器又因工作狀態(tài)的不同可分為欠壓、臨界和飽和三種工作狀態(tài)。當(dāng)放大器工作在放大區(qū)和截止區(qū)時(shí)為欠壓狀態(tài)，如果晶體三極管工作剛好不進(jìn)入飽和區(qū)時(shí)，則稱為臨界工作狀態(tài)。晶體三極管工作進(jìn)入飽和區(qū)時(shí)為過壓狀態(tài)。三種狀態(tài)時(shí)集電極輸出的波形分別為尖頂余弦脈沖、略微平緩的余弦脈沖和頂端凹陷的余弦脈沖。由于這幾種余弦脈沖都可以分解出基波分量和各次諧波分量，又由于諧振回路具有濾波作用，晶體三極管放大器的輸出電壓仍為沒有失真的余弦波形。所以丙類放大器可和諧振回路共同構(gòu)成丙類諧振功率放大器或丙類倍頻器。丙類放大器工作在欠壓狀態(tài)時(shí)，放大器輸出功率小，管耗大，效率低。工作在過壓狀態(tài)時(shí)，放大器輸出功率較大，管耗小，效率高。工作在臨界狀態(tài)時(shí)，放大器輸出功率大，管耗小，效率高。

3.5 丁類放大器

丙類放大器可以通過減小電流導(dǎo)通角θ來提高放大器的效率，但是為了讓輸出功率符合要求又不使輸入激勵(lì)電壓太大，導(dǎo)通θ就不能太小，因而放大器效率的提高就受到了限制。丁類放大器的導(dǎo)通角也是900，但是丁類放大器工作在飽和或截止?fàn)顟B(tài)。由于三極管工作在飽和狀態(tài)時(shí)集電極電流ic最大，但集電極和發(fā)射極之間的電壓uce最小。三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)時(shí)集電極電流ic最小，但集電極和發(fā)射極之間的電壓uce最大。所以丁類放大器在工作時(shí)，ic和uce的乘積最小，理想情況下它們的乘積可接近于零。在積分區(qū)間不變時(shí)，即導(dǎo)通角θ不變時(shí)，ic和uce的乘積越小，晶體管集電極的耗散功率起小，晶體管放大器集電極的效率就越高，輸出功率就越大。因此，在這兩種狀態(tài)時(shí)集電極損耗很小，三極管的效率高，即丁類放大器的效率比丙類放大器要高。

3.6 振蕩電路中的放大器

晶體三極管放大器在具體電路中應(yīng)用時(shí)，可以不單單間工作在一種工作狀態(tài)。有時(shí)會(huì)根據(jù)電路的要求，在設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)電路中的輸入信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，放大器的工作狀態(tài)也發(fā)生變化，從而滿足電路的實(shí)際要示。比如在振蕩電路中，起振時(shí)，電路工作于小信號(hào)狀態(tài)，即三極管工作在甲類狀態(tài)，因此可將振蕩電路作為線性電路來處理，用小信號(hào)等效電路求出振蕩環(huán)路的傳輸系數(shù)。隨著振蕩幅度的增大，輸入信號(hào)的幅度也越來越大，放大器的工作由線性狀態(tài)進(jìn)入非線性狀態(tài)，再加上電路中偏置電路的自給偏壓效應(yīng)，使得晶體管的基極偏置電壓隨著輸入信號(hào)的增大而減小，這樣使三極管的工作狀態(tài)進(jìn)入乙類或丙類非線性工作狀態(tài)，相應(yīng)的放大倍數(shù)隨之減小，直到振蕩進(jìn)入平衡狀態(tài)。在振蕩電路的起振到平衡的過程中，電路由小信號(hào)工作到大信號(hào)工作，放大器的工作狀態(tài)也由甲類、乙類過渡到丙類，從而滿足了振蕩電路對(duì)放大器的要求。這正是放大器各種工作狀態(tài)的很好的應(yīng)用。

4.結(jié)束語

總之隨著放大器的進(jìn)一步研究和應(yīng)用，其分類也越來越多，應(yīng)用也越來越廣泛。現(xiàn)在又出現(xiàn)了效率比丁類放大器還高的戊類放大器。在實(shí)際電路中，要根據(jù)電路對(duì)放大器的要求來選用放大器的不同狀態(tài)。比如電壓放大時(shí)要求電壓放大倍數(shù)要高，就要選用電壓放大器。功率放大時(shí)就要選擇功率放大倍數(shù)高的功率放大器。在輸入信號(hào)頻率不同時(shí)，還要考慮電路中的參數(shù)與信號(hào)頻率的關(guān)系。只有掌握了放大器的各類狀態(tài)，才能很好地把知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際電路中。

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作者簡(jiǎn)介：孫會(huì)麗（1969—），女，副教授，主要從事物理教學(xué)研究。