三極管及放大電路原理

1、測(cè)判三極管的口訣 三極管的管型及管腳的判別是電子技術(shù)初學(xué)者的一項(xiàng)基本功， 為了幫助讀者迅速掌握測(cè)判方 法，筆者總結(jié)出四句口訣： “三顛倒，找基極； PN 結(jié)，定管型；順箭頭，偏轉(zhuǎn)大；測(cè)不準(zhǔn)， 動(dòng)嘴巴。 ”下面讓我們逐句進(jìn)行解釋吧。一、三顛倒，找基極大家知道，三極管是含有兩個(gè) PN 結(jié)的半導(dǎo)體器件。根據(jù)兩個(gè) PN 結(jié)連接方式不同，可以分 為 NPN 型和 PNP 型兩種不同導(dǎo)電類(lèi)型的三極管，圖 1 是它們的電路符號(hào)和等效電路。測(cè)試三極管要使用萬(wàn)用電表的歐姆擋，并選擇R100 或 R1k 擋位。圖 2 繪出了萬(wàn)用電表歐姆擋的等效電路。 由圖可見(jiàn)， 紅表筆所連接的是表內(nèi)電池的負(fù)極， 黑表筆則連接著表

2、內(nèi)電 池的正極。假定我們并不知道被測(cè)三極管是 NPN 型還是 PNP 型，也分不清各管腳是什么電極。測(cè)試 的第一步是判斷哪個(gè)管腳是基極。這時(shí)， 我們?nèi)稳蓚€(gè)電極 （如這兩個(gè)電極為 1、2） ，用萬(wàn)用 電表兩支表筆顛倒測(cè)量它的正、反向電阻，觀察表針的偏轉(zhuǎn)角度；接著，再取1、 3 兩個(gè)電極和 2 、3 兩個(gè)電極，分別顛倒測(cè)量它們的正、反向電阻，觀察表針的偏轉(zhuǎn)角度。在這三次 顛倒測(cè)量中，必然有兩次測(cè)量結(jié)果相近：即顛倒測(cè)量中表針一次偏轉(zhuǎn)大，一次偏轉(zhuǎn)??；剩下 一次必然是顛倒測(cè)量前后指針偏轉(zhuǎn)角度都很小， 這一次未測(cè)的那只管腳就是我們要尋找的基 極 （參看圖 1、圖 2 不難理解它的道理 ）。二、PN 結(jié)，

3、定管型找出三極管的基極后， 我們就可以根據(jù)基極與另外兩個(gè)電極之間 PN 結(jié)的方向來(lái)確定管子的 導(dǎo)電類(lèi)型 （圖 1） 。將萬(wàn)用表的黑表筆接觸基極，紅表筆接觸另外兩個(gè)電極中的任一電極，若 表頭指針偏轉(zhuǎn)角度很大，則說(shuō)明被測(cè)三極管為 NPN 型管；若表頭指針偏轉(zhuǎn)角度很小，則被 測(cè)管即為 PNP 型。三、順箭頭，偏轉(zhuǎn)大找出了基極 b，另外兩個(gè)電極哪個(gè)是集電極 c，哪個(gè)是發(fā)射極 e 呢 ?這時(shí)我們可以用測(cè)穿透 電流 ICEO 的方法確定集電極 c 和發(fā)射極 e 。（1） 對(duì)于 NPN 型三極管，穿透電流的測(cè)量電路如圖 3 所示。根據(jù)這個(gè)原理，用萬(wàn)用電表的 黑、紅表筆顛倒測(cè)量?jī)蓸O間的正、反向電阻 Rce 和

4、 Rec ，雖然兩次測(cè)量中萬(wàn)用表指針偏轉(zhuǎn) 角度都很小，但仔細(xì)觀察，總會(huì)有一次偏轉(zhuǎn)角度稍大，此時(shí)電流的流向一定是：黑表筆 c 極b極e極紅表筆，電流流向正好與三極管符號(hào)中的箭頭方向一致（“順箭頭 ”，）所以此時(shí)黑表筆所接的一定是集電極 c ，紅表筆所接的一定是發(fā)射極 e 。（2） 對(duì)于 PNP 型的三極管，道理也類(lèi)似于 NPN 型，其電流流向一定是：黑表筆 e極b 極c極紅表筆，其電流流向也與三極管符號(hào)中的箭頭方向一致，所以此時(shí)黑表筆所接的 一定是發(fā)射極 e，紅表筆所接的一定是集電極 c（參看圖 1、圖 3 可知）。四、測(cè)不出，動(dòng)嘴巴若在 “順箭頭，偏轉(zhuǎn)大 ”的測(cè)量過(guò)程中，若由于顛倒前后的兩次測(cè)

5、量指針偏轉(zhuǎn)均太小難以區(qū)分 時(shí)，就要 “動(dòng)嘴巴 ”了。具體方法是：在 “順箭頭，偏轉(zhuǎn)大 ”的兩次測(cè)量中，用兩只手分別捏住 兩表筆與管腳的結(jié)合部，用嘴巴含住(或用舌頭抵住 )基電極 b ，仍用 “順箭頭，偏轉(zhuǎn)大 ”的判別方法即可區(qū)分開(kāi)集電極 c 與發(fā)射極 e 。其中人體起到直流偏置電阻的作用， 目的是使效果 更加明顯。半導(dǎo)體三極管的分類(lèi) 半導(dǎo)體三極管亦稱(chēng)雙極型晶體管，其種類(lèi)非常多。按照結(jié)構(gòu)工藝分類(lèi)，有 PNP 和 NPN 型； 按照制造材料分類(lèi)，有鍺管和硅管；按照工作頻率分類(lèi)，有低頻管和高頻管；一般低頻管用 以處理頻率在 3MHz 以下的電路中，高頻管的工作頻率可以達(dá)到幾百兆赫。按照允許耗散 的功

6、率大小分類(lèi)， 有小功率管和大功率管； 一般小功率管的額定功耗在 1W 以下， 而大功率 管的額定功耗可達(dá)幾十瓦以上。常見(jiàn)的半導(dǎo)體三極管外型見(jiàn)圖2.5.1 。半導(dǎo)體三極管的主要參數(shù)共射電流放大系數(shù) 。 值一般在 20200，它是表征三極管電流放大作用的 最主要的參數(shù)。理解三極管的工作原理首先從以下兩個(gè)方面來(lái)認(rèn)識(shí)：其一、制造工藝上的兩個(gè)特點(diǎn)： (1)基區(qū)的寬度做的非常??； (2) 發(fā)射區(qū)摻雜濃度高。其二、三極管工作必要條件是 (a)在 B 極和 E極之間施加正向電壓 (此電壓的大小不能超過(guò)1V) ；( b)在 C 極和 E極之間施加反向電壓； (c) 如要取得輸出必須加負(fù)載電阻。 當(dāng)三極管滿足必要

7、的工作條件后，其工作原理如下：(1)基極有電流流動(dòng)時(shí)。由于 B 極和 E 極之間有正向電壓，所以電子從發(fā)射極向基極移 動(dòng)，又因?yàn)?C 極和 E 極間施加了反向電壓，因此，從發(fā)射極向基極移動(dòng)的電子，在高電壓 的作用下，通過(guò)基極進(jìn)入集電極。于是，在基極所加的正電壓的作用下，發(fā)射極的大量電子 被輸送到集電極，產(chǎn)生很大的集電極電流。( 2)基極無(wú)電流流動(dòng)時(shí)。在 B 極和 E 極之間不能施加電壓的狀態(tài)時(shí)，由于 C 極和 E 極間 施加了反向電壓，所以集電極的電子受電源正電壓吸引而在 C 極和 E 極之間產(chǎn)生空間電荷 區(qū)，阻礙了從發(fā)射極向集電極的電子流動(dòng)， 因而就沒(méi)有集電極電流產(chǎn)生。 綜上所 述，在晶體三

8、極管中很小的基極電流可以導(dǎo)致很大的集電極電流， 這就是三極管 的電流放大作用。 此外，三極管還能通過(guò)基極電流來(lái)控制集電極電流的導(dǎo)通和截 止，這就是三極管的開(kāi)關(guān)作用（開(kāi)關(guān)特性）。參見(jiàn)晶體三極管特性曲線 5.2 圖 所示：晶體三極管共發(fā)射極放大原理如下圖所示： A、vt 是一個(gè) npn 型三極管畫(huà)外音： 我們可以用水龍頭與閘門(mén)放水的關(guān)系，來(lái)想象或者說(shuō)是理解三極管 的放大原理。其示意圖如下圖 2-20 所示圖 2-20 三極管放大原理參考示意圖 如圖 2.20 （）所示： 當(dāng)發(fā)射結(jié)無(wú)電壓或施加電壓在門(mén)限電壓以下， 相當(dāng)于閘門(mén)關(guān)緊時(shí)，水未從水龍頭底部通過(guò)水嘴流出來(lái)。此時(shí)， ec 之間電阻值 無(wú)窮大，

9、ec 之間的電流處于截止?fàn)顟B(tài)，或者說(shuō)是開(kāi)關(guān)的 OFF 狀態(tài)。 如圖 2.20 （ b ）所示：當(dāng)對(duì)發(fā)射結(jié)施加電壓在門(mén)限電壓范圍時(shí) （以硅管 0.7V 左右為例），相當(dāng)于閘門(mén)松動(dòng)一點(diǎn)點(diǎn)， 從水龍頭底部通過(guò)水嘴流出的水成滴答狀 態(tài)。此時(shí)， ec 之間的電阻值也下降了一點(diǎn)點(diǎn)。圖 2-20 三極管放大原理參考示意圖 如圖 2.20 （ c ）所示：當(dāng)對(duì)發(fā)射結(jié)施加電壓在 0.8V 時(shí)，相當(dāng)于閘門(mén) 已打開(kāi)三分之一的狀態(tài)時(shí)， 水龍頭底部已經(jīng)可以有三分之一的水通過(guò)水嘴流出來(lái) 了，此時(shí)， ec 之間的電阻值也下降了三分之一， ec 之間的電流處于調(diào)控或者 說(shuō)是放大狀態(tài)。圖 2-20 三極管放大原理參考示意圖 如

10、圖 2.20 （ d ）所示：當(dāng)對(duì)發(fā)射結(jié)施加電壓在 0.9V 時(shí)，相當(dāng)于閘門(mén) 已打開(kāi)三分之二的狀態(tài)時(shí)， 水龍頭底部已經(jīng)可以有三分之二的水通過(guò)水嘴流出來(lái) 了，此時(shí)， ec 之間的電阻值也下降了三分之二， ec 之間的電流處于調(diào)控或者 說(shuō)是放大狀態(tài)。圖 2-20 三極管放大原理參考示意圖 如圖 2.20 （ e ）所示：當(dāng)對(duì)發(fā)射結(jié)施加電壓在 1V 或者 1V 以上時(shí)，相當(dāng)于閘 門(mén)已完全打開(kāi)的狀態(tài)時(shí)，水龍頭底部所有的水已經(jīng)可以通過(guò)水嘴流出來(lái)了，此時(shí)， ec 之間 的電阻值也下降為 “ 0 ，”或者說(shuō)很小，可以或略不計(jì)，ec 之間的電流處于飽和狀態(tài)，或者說(shuō)是開(kāi)關(guān)的 ON 狀態(tài)。對(duì)三極管放大作用的理解，

11、切記一點(diǎn)：能量不會(huì)無(wú)緣無(wú)故的產(chǎn)生，所以，三極管 一定不會(huì)產(chǎn)生能量，。但三極管厲害的地方在于：它可以通過(guò)小電流控制大電流放大的原理就在于：通過(guò)小的交流輸入，控制大的靜態(tài)直流。假設(shè)三極管是個(gè)大壩，這個(gè)大壩奇怪的地方是，有兩個(gè)閥門(mén)，一個(gè)大閥門(mén)，一個(gè) 小閥門(mén)。小閥門(mén)可以用人力打開(kāi)，大閥門(mén)很重，人力是打不開(kāi)的，只能通過(guò)小閥 門(mén)的水力打開(kāi)。所以，平常的工作流程便是，每當(dāng)放水的時(shí)候，人們就打開(kāi)小閥門(mén)，很小的水流 涓涓流出，這涓涓細(xì)流沖擊大閥門(mén)的開(kāi)關(guān)，大閥門(mén)隨之打開(kāi)， 洶涌的江水滔滔流 下。如果不停地改變小閥門(mén)開(kāi)啟的大小， 那么大閥門(mén)也相應(yīng)地不停改變， 假若能?chē)?yán)格 地按比例改變，那么，完美的控制就完成了。在這

12、里， Ube 就是小水流， Uce 就是大水流，人就是輸入信號(hào)。當(dāng)然，如果把水 流比為電流的話，會(huì)更確切，因?yàn)槿龢O管畢竟是一個(gè)電流控制元件。如果某一天，天氣很旱，江水沒(méi)有了，也就是大的水流那邊是空的。管理員這時(shí) 候打開(kāi)了小閥門(mén)，盡管小閥門(mén)還是一如既往地沖擊大閥門(mén)，并使之開(kāi)啟， 但因?yàn)?沒(méi)有水流的存在，所以，并沒(méi)有水流出來(lái)。這就是三極管中的截止區(qū)。飽和區(qū)是一樣的， 因?yàn)榇藭r(shí)江水達(dá)到了很大很大的程度， 管理員開(kāi)的閥門(mén)大小已 經(jīng)沒(méi)用了。如果不開(kāi)閥門(mén)江水就自己沖開(kāi)了，這就是二極管的擊穿。在模擬電路中，一般閥門(mén)是半開(kāi)的，通過(guò)控制其開(kāi)啟大小來(lái)決定輸出水流的大小沒(méi)有信號(hào)的時(shí)候，水流也會(huì)流，所以，不工作的時(shí)候

13、，也會(huì)有功耗。而在數(shù)字電路中，閥門(mén)則處于開(kāi)或是關(guān)兩個(gè)狀態(tài)。當(dāng)不工作的時(shí)候，閥門(mén)是完全關(guān)閉的，沒(méi) 有功耗。三極管電路的基本分析方法2009-05-14 09:08一、概述三極管為非線型器件， 對(duì)含有這些器件的電路進(jìn)行分析時(shí)，可采用適當(dāng)?shù)慕品椒ǎ?按線 處理。利用疊加定理可對(duì)電路中的交、直流成分分別進(jìn)行分析。 直流分析（靜態(tài)分析）： 只研究在直流電源作用下，電路中各直流量的大小稱(chēng)為直流分 靜態(tài)分析） ，由此而確定的各極直流電壓和電流稱(chēng)為直流工作點(diǎn) （ 或稱(chēng)靜態(tài)工作點(diǎn) ）參量。 交流分析（動(dòng)態(tài)分析）： 當(dāng)外電路接入交流信號(hào)后，為了確定疊加在靜態(tài)工作點(diǎn)上的各交 行的分析，稱(chēng)為交流分析 （或稱(chēng)為動(dòng)態(tài)分

14、析 ） 。分析方法：圖解法 在輸入、輸出特性圖上畫(huà)交、直流負(fù)載線，求靜態(tài)工作點(diǎn)“ Q”，分析動(dòng)態(tài)波形 微變等效電路法 根據(jù)發(fā)射結(jié)導(dǎo)通壓降估算“ Q”。再用等效電路法分析計(jì)算小信號(hào)交流 路動(dòng)態(tài)參數(shù)。電量參數(shù)的表示： BB，B表示主要符號(hào) ，大寫(xiě)表示該電量是與時(shí)間無(wú)關(guān)的量 （ 直流、平均值、 小寫(xiě)表示該電量是隨時(shí)間而變化的 量（瞬時(shí)值） 。B為下標(biāo)符號(hào)， 大寫(xiě)表示直流量或總電量 （總最大值 時(shí)值 ） ；小寫(xiě) 表示交流分量。二、直流分析1. 圖解分析法： 在三極管的特性曲線上用作圖的方法求得電路中各直流電流、電壓量大小 稱(chēng)為圖解分析法。晶體三極管電路如下圖 （a） 所示，三極管的輸入、輸出特性曲線分

15、別示于下圖 （b） 、（c） 中。2. 工程近似分析法三、交流分析1. 動(dòng)態(tài)圖解分析 三極管電路動(dòng)態(tài)工作時(shí)的電流、電壓、可利用三極管特性曲線，通過(guò)作圖來(lái)求得?，F(xiàn)通過(guò) 明動(dòng)態(tài)圖解分析過(guò)程。例.三極管電路如下圖 (a)所示，交流電壓 ui通過(guò)電容 C加到三極管的基極，設(shè) C對(duì)交流 信號(hào)的容抗為零；三極管采用硅管，其輸入、輸出特性曲線如下圖b)所示。已知 ui =10sin t(mV) ，求該電路各交流電壓和電流值。解： (1) 輸入回路圖解先令 ui =0，由圖(a) 可得 I BQ=(VBB-U BE(on)/RB(6V-0.7V )/176k Q。 若輸入交流信號(hào) ui ，由此可在圖 (b)

16、的輸入特性曲線上確定基極回路的靜態(tài)工作點(diǎn)電壓 UBEQ相疊加，使得三極管 B、 E 極之間的電壓 uBE 在原有直流電壓 UBEQ的基礎(chǔ)上，按 ui 即 uBE=UBEQ+ui =UBEQ+Uimsin t ，其 波形如圖 (b) 中所示。根據(jù) uBE的變化(2) 輸出回路的圖解 根據(jù) VCC及 RC 值可在上圖 (b) 所示輸出特性曲線中作出直流負(fù)載線 NM， I BQ=30A的輸出特性曲線相交于 Q點(diǎn)，Q點(diǎn)便是集電極回路的直流工作點(diǎn)。 由圖可知，其對(duì)應(yīng)的 UCEQ=3V。隨著基極電流的變化，負(fù)載線 MN與輸出特性曲線簇的交點(diǎn)也隨之變化。按基極電流i B在的數(shù)值，找出相應(yīng)的輸出特性曲線及其與

17、負(fù)載線MN的交點(diǎn)，便可畫(huà)出集電極電流 i C和 C、E 極間波形，如上圖 (b) 中、所示，由圖可知，輸出電流 i C和輸出電壓 uCE都在原來(lái)靜態(tài)直流的基礎(chǔ)上 交流量。由于輸出特性曲線間距近似相等，故 i c與 i b成正比，因此，有 i C=I CQ+i c=I CQ+I cmsin t， uCE=UCEQ+uce=UCEQ+Ucemsin( t- 180) ，式中， uce=- i c RC， Ucem=I cmRC。由上圖(b) 可讀出 i C的瞬時(shí)值在 24mA之間變動(dòng)， i c的幅度 I cm=1mA；而 uCE的瞬時(shí)值在 2 動(dòng)， uce的幅度 Ucem=1V?？梢?jiàn)， UcemU

18、im，電路實(shí)現(xiàn)了交流電壓放大作用。此外，可看出 uce波形與 u 位相差 180 ( 即反相關(guān)系 ) 。典型例題舉例(點(diǎn)擊查看)2. 小信號(hào)等效電路分析法(微變等效) 輸入信號(hào)過(guò)小時(shí)，用圖解法進(jìn)行交流分析誤差較大，通常采用微變等效電路來(lái)分析。 (1)晶體三極管電路小信號(hào)等效電路分析方法 晶體三極管 H(Hybrid )參數(shù)小信號(hào)電路模型等效依據(jù)：交流信號(hào)很小時(shí)，三極管的動(dòng)態(tài)參數(shù)呈線性變化，此時(shí)，三極管各極交流電 的關(guān)系近似為線性關(guān)系。r be（ hie ）三極管輸出端交流短路時(shí)的輸入電阻。其值與三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)r bb 三極管基區(qū)體電阻。對(duì)于低頻小功率管 r bb約為 200。輸入端口：從輸

19、入端看進(jìn)去，相當(dāng)于電阻 r be。輸出端口：從輸出端看進(jìn)去，相當(dāng)于 一個(gè)受 i b 控制的電流源。 i c=i b， 相 數(shù)模型中的 Hfe 。晶體三極管電路的交流分析分析步驟：A. 分析直流電路，求出“ Q”點(diǎn)上各直流電壓和電流，計(jì)算 r be；B. 畫(huà)出電路的交流通路，并在交流通路上把三極管畫(huà)成H 參數(shù)模型。C. 利用疊加定理分析計(jì)算“ Q”點(diǎn)上各極的交流量。例題分析點(diǎn)擊查看）2）場(chǎng)效應(yīng)管電路小信號(hào)等效電路分析法三極管是電流放大器件，有三個(gè)極，分別叫做集電極 C，基極 B，發(fā)射極 E。分 成 NPN和 PNP兩種。我們僅以 NPN三極管的共發(fā)射極放大電路為例來(lái)說(shuō)明一下三 極管放大電路的基本

20、原理。下面的分析僅對(duì)于 NPN型硅三極管。如上圖所示，我們把 從基極 B流至發(fā)射極 E 的電流叫做基極電流 Ib；把從集電極 C 流至發(fā)射極 E 的電流 叫做集電極電流 Ic。這兩個(gè)電流的方向都是流出發(fā)射極的， 所以發(fā)射極 E 上就用了一個(gè)箭頭來(lái)表 示電流的方向。三極管的放大作用就是： 集電極電流 受基極電流 的控制（假設(shè)電 源能夠提供給集電極足夠大的電流的話）， 并且基極電流很小的變化， 會(huì)引起集 電極電流很大的變化 ，且變化滿足一定的比例關(guān)系： 集電極電流的變化量 是基極 電流變化量的 倍，即電流變化被放大了 倍，所以我們把 叫做三極管的 放大倍數(shù) （ 一般遠(yuǎn)大于 1，例如幾十，幾百）。如

21、果我們將一個(gè)變化的小信號(hào) 加到基極跟發(fā)射極之間，這就會(huì)引起基極電流 Ib的變化， Ib的變化被放大后， 導(dǎo)致了 Ic 很大的變化。如果集電極電流 Ic是流過(guò)一個(gè)電阻 R 的，那么根據(jù)電壓 計(jì)算公式 U=R*I 可以算得，這電阻上電壓就會(huì)發(fā)生很大的變化。我們將這個(gè)電 阻上的電壓取出來(lái)，就得到了放大后的電壓信號(hào)了。三極管在實(shí)際的放大電路中使用時(shí)， 還需要加合適的偏置電路。 這有幾個(gè)原 因。首先是 由于三極管 BE 結(jié)的非線性 （相當(dāng)于一個(gè)二極管）， 基極電流必須在 輸入電壓大到一定程度后才能產(chǎn)生 （對(duì)于硅管，常取 0.7V）。當(dāng)基極與發(fā)射極 之間的電壓小于 0.7V 時(shí)，基極電流就可以認(rèn)為是 0。但實(shí)際中要放大的信號(hào)往 往遠(yuǎn)比 0.7V 要小，如果不加偏置的話，這么小的信號(hào)就不足以引起基極電流的 改變（因?yàn)樾∮?0.7V 時(shí)，基極電流都是 0）。如果我們事先在三極管的基極上 加上一個(gè)合適的電流（叫做 偏置電流，上圖中那個(gè)電阻 Rb 就是用來(lái)提供這個(gè)電 流的，所以它被叫做 基極偏置電阻 ），那么當(dāng)一個(gè)小信號(hào)跟這個(gè)偏置電流疊加在 一起時(shí)， 小信號(hào)就會(huì)導(dǎo)致基極電流的變化， 而基極電流的變化， 就會(huì)被放大并在 集電極上輸出。另一個(gè)原因就是輸出信號(hào)范圍的要求，如果沒(méi)有加偏置， 那么只