關(guān)于三極管基本工作原理的分析

徐翔

摘 要：對(duì)三極管的基本特征、特性及三極管的基本放大原理及其工作過程進(jìn)行簡明分析。

關(guān)鍵詞：三極管；NPN；放大系數(shù)β

一、三極管基本結(jié)構(gòu)介紹

我們常見的三極管如圖1所示，符號(hào)如圖2所示（以NPN為例），b極為基極，c極為集電極，e極為發(fā)射極。它的基本功能是對(duì)電流的放大作用。

二、三極管的基本工作過程

1.發(fā)射結(jié)（圖3中左側(cè)的PN結(jié)）必須“正向偏置”（UBE大于啟動(dòng)電壓Uon），以利于發(fā)射區(qū)電子的擴(kuò)散，擴(kuò)散電流即發(fā)射極電流IE，擴(kuò)散電子的少數(shù)與基區(qū)空穴復(fù)合，形成基極電流IB，多數(shù)繼續(xù)向集電結(jié)邊緣擴(kuò)散。

2.集電結(jié)（圖3中右側(cè)的PN結(jié)）必須“反向偏置”（VCC應(yīng)足夠高），以利于收集擴(kuò)散到集電結(jié)邊緣的多數(shù)擴(kuò)散電子，收集到集電區(qū)的電子形成集電極電流IC。整個(gè)工作過程中：IE=IB+IC。三極管自身并不能把小電流變成大電流，它僅僅起著一種控制作用，控制著電路里的電源，按確定的比例向三極管提供IB、IC和IE這三個(gè)電流。

三、形象比喻說明放大原理

這是粗、細(xì)兩根水管，粗的管子內(nèi)裝有閘門，這個(gè)閘門是由細(xì)的管子中的水量控制著它的開啟程度。如果細(xì)管子中沒有水流，粗管子中的閘門就會(huì)關(guān)閉。注入細(xì)管子中的水量越大，閘門就開得越大，相應(yīng)地流過粗管子的水就越多，這就體現(xiàn)出“以小控制大，以弱控制強(qiáng)”的道理。由圖4可見，細(xì)管子的水與粗管子的水在下端匯合在一根管子中。三極管的基極b、集電極c和發(fā)射極e就對(duì)應(yīng)著圖4中的細(xì)管、粗管和粗細(xì)交匯的管子。

若給三極管外加一定的電壓（如圖5所示），就會(huì)產(chǎn)生電流IB、IC和IE。改變基極電IB，IC也隨之變化。由于IC=βIB，所以很小的IB控制著比它大β倍的IC。IC不是由三極管產(chǎn)生的，是由電源UCC在IB的控制下提供的，所以說三極管起著能量轉(zhuǎn)換作用。

四、圖表分析理解放大系數(shù)

從圖6可以看到，當(dāng)IB一定時(shí)，從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的電子數(shù)大致一定。當(dāng)UCE超過1V以后，這些電子的絕大部分被拉入集電區(qū)而形成集電極電流IC。之后即使UCE繼續(xù)增大，集電極電流IC也不會(huì)再有明顯的增加，具有恒流特性。

當(dāng)IB增大時(shí)，相應(yīng)IC也增大，輸出特性曲線上移，且IC增大的幅度比對(duì)應(yīng)IB大得多。這一點(diǎn)正是晶體管的電流放大作用。

從輸出特性曲線可求出三極管的電流放大系數(shù)β。取任意在兩條特性曲線上的平坦段，讀出其基極電流之差.讀出這兩條曲線對(duì)應(yīng)的集電極電流之差ΔIC=1.3mA于是我們可得到三極管的電流放大倍數(shù)：

β=ΔIC/ΔIB=1.3÷0.04=32.5

五、共射放大電路的基本工作原理

下面以NPN晶體管的共射放大電路為例，來說明三極管對(duì)信號(hào)放大的基本過程。如圖7：

1.靜態(tài)工作點(diǎn)

當(dāng)Ui=0時(shí)，稱放大電路處于靜態(tài)。此時(shí)的基極電流IB、集電極電流IC、b-e間電壓UBE、管壓降UCE稱為放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)Q。通常記作IBQ、ICQ、UBEQ、UCEQ。在近似估算中常認(rèn)為UBEQ為已知量，對(duì)于硅管（0.6V～0.8V），對(duì)于鍺管（0.1V～0.3V）在圖7所示電路中，令Ui=0，便可得到靜態(tài)工作點(diǎn)的表達(dá)式：

2.靜態(tài)工作點(diǎn)的作用

放大電路的放大對(duì)象是動(dòng)態(tài)信號(hào)Ui，那為什么要設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)？下面我們來對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的作用加以說明。

假如沒有靜態(tài)工作點(diǎn)，即將上圖中的電源VBB撤去，則電路圖可簡化為圖8。

當(dāng)輸入電壓Ui時(shí)，UAB=Ui，若Ui的峰值小于b-e間的開啟電壓Uon，則信號(hào)在整個(gè)周期內(nèi)晶體管始終處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出信號(hào)Uo為零。即使Ui的幅值足夠高，晶體管也只能在信號(hào)的正半周期大于Uon的這一段時(shí)間間隔內(nèi)能導(dǎo)通，所以輸出電壓會(huì)嚴(yán)重失真。那么信號(hào)的放大將毫無意義。所以，要設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，以保證信號(hào)經(jīng)過放大電路后不產(chǎn)生失真。

3.信號(hào)放大的基本過程

輸入信號(hào)如圖9.1所示。

基極電流iB是在原來的直流分量IBQ（靜態(tài)工作點(diǎn)）的基礎(chǔ)上再加上一個(gè)正弦交流電流ib，所以iB=IBQ+ib，如圖9.2所示。

根據(jù)晶體管基極電流對(duì)集電極電流的控制作用，集電極電流也會(huì)在直流分量ICQ的基礎(chǔ)上再加一個(gè)正弦交流電ic，且ic=βib，集電極的實(shí)際電流為：iC=ICQ+ic。集電極的交流電ic會(huì)在集電極電阻Rc上產(chǎn)生一個(gè)與ic波形相同的交變電壓。由于Vcc恒定，當(dāng)Rc電壓增加時(shí)，UCE的電壓必然減?。环粗?，當(dāng)Rc電壓減小時(shí)，UCE的電壓必然增加。因此，管壓降是在直流分量UCEQ的基礎(chǔ)上加上一個(gè)與ic變化方向相反的交變電壓Uce，所以管壓降UCE=UCEQ+UCE，如圖9.3所示。

將管壓降中的直流分量UCEQ去掉，就得到一個(gè)與輸入電壓UI相位相反且放大了的交流電壓UO，如圖9.4所示。

由上面的分析可以知道，為保證晶體管在信號(hào)輸入的整個(gè)周期內(nèi)始終處于工作狀態(tài)，使信號(hào)不失真，需要設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)（將交流信號(hào)馱載在直流分量上）?；竟采錁O放大電路，是利用晶體管的電流放大作用，并依靠Rc將電流變化轉(zhuǎn)化為電壓變化來實(shí)現(xiàn)。

六、關(guān)于三極管的補(bǔ)充說明

單純從“放大”的角度來看，我們希望β值越大越好?？墒牵龢O管接成共發(fā)射極放大電路時(shí)，從管子的集電極c到發(fā)射極e總會(huì)產(chǎn)生一些有害的漏電流，稱為穿透電流Iceo，它的大小與β值近似成正比，β值越大，Iceo就越大。Iceo這種寄生電流不受Ib控制，卻成為集電極電流Ic的一部分，Ic=βIb+Iceo。值得注意的是，Iceo跟溫度有密切的關(guān)系，溫度升高，Iceo急劇變大，破壞了放大電路工作的穩(wěn)定性。（所以，選擇三極管時(shí)，并不是β越大越好，一般取硅管β為40～150，鍺管取40～80。）

測量Iceo的電路很簡單（如圖10所示），三極管的基極開路，在集電極與發(fā)射極之間接入電源VCC（6V），串聯(lián)在電路中的電流表（可用萬用表中的0.1mA擋）所指示的電流值就是Iceo。

參考文獻(xiàn)：

童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）[M].高級(jí)出版社，2006-05.

？誗編輯 溫雪蓮