(完整版)三極管放大原理(圖文+形象)

1、一、三極管的電流放大原理晶體三極管 （以下簡(jiǎn)稱(chēng)三極管）按材料分有兩種：鍺管和硅管。而每一種又有NPN 和 PNP兩種結(jié)構(gòu)形式，但使用最多的是硅NPN 和 PNP 兩種三極管，兩者除了電源極性不同外，其工作原理都是相同的，下面僅介紹NPN 硅管的電流放大原理。圖一 :晶體三極管（ NPN ）的結(jié)構(gòu)圖一是 NPN 管的結(jié)構(gòu)圖，它是由見(jiàn)發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN條引線(xiàn)分別稱(chēng)為發(fā)射極e 、基極處于正偏狀態(tài)，而C 點(diǎn)電位高于要高于基極電源Ebo 。2 塊 N 型半導(dǎo)體中間夾著一塊P 型半導(dǎo)體所組成，從圖可結(jié)稱(chēng)為發(fā)射結(jié),而集電區(qū)與基區(qū)形成的PN 結(jié)稱(chēng)為集電結(jié),三b 和集電極。 當(dāng) b 點(diǎn)電位高于e 點(diǎn)電位

2、零點(diǎn)幾伏時(shí)，發(fā)射結(jié)b 點(diǎn)電位幾伏時(shí)，集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，集電極電源Ec在制造三極管時(shí)，有意識(shí)地使發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子濃度大于基區(qū)的，同時(shí)基區(qū)做得很薄，而且，要嚴(yán)格控制雜質(zhì)含量，這樣，一旦接通電源后，由于發(fā)射結(jié)正確，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子 （電子） 及基區(qū)的多數(shù)載流子（控穴） 很容易地截越過(guò)發(fā)射結(jié)構(gòu)互相向反方各擴(kuò)散，但因前者的濃度基大于后者，所以通過(guò)發(fā)射結(jié)的電流基本上是電子流，這股電子流稱(chēng)為發(fā)射極電流Ie。由于基區(qū)很薄,加上集電結(jié)的反偏，注入基區(qū)的電子大部分越過(guò)集電結(jié)進(jìn)入集電區(qū)而形成集電集電流Ic，只剩下很少（ 1-10% ）的電子在基區(qū)的空穴進(jìn)行復(fù)合，被復(fù)合掉的基區(qū)空穴由基極電源Eb 重新補(bǔ)紀(jì)念給，

3、從而形成了基極電流Ibo 根據(jù)電流連續(xù)性原理得： Ie=Ib+Ic這就是說(shuō)， 在基極補(bǔ)充一個(gè)很小的Ib，就可以在集電極上得到一個(gè)較大的Ic，這就是所謂電流放大作用，Ic 與 Ib 是維持一定的比例關(guān)系，即：1=Ic/Ib式中： - 稱(chēng)為直流放大倍數(shù)，集電極電流的變化量 Ic 與基極電流的變化量 Ib 之比為：= Ic/ Ib式中 - 稱(chēng)為交流電流放大倍數(shù)，由于低頻時(shí)1 和 的數(shù)值相差不大，所以有時(shí)為了方便起見(jiàn)，對(duì)兩者不作嚴(yán)格區(qū)分，值約為幾十至一百多。三極管是一種電流放大器件，但在實(shí)際使用中常常利用三極管的電流放大作用，通過(guò)電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷悍糯笞饔?。二、晶體三極管的開(kāi)關(guān)特性1、靜態(tài)特性晶體三極管由

4、集電結(jié)和發(fā)射結(jié)兩個(gè)止、放大、飽和3種工作狀態(tài)。圖 3.5(a)PN 結(jié)構(gòu)成。根據(jù)兩個(gè)和 (b) 分別給出了一個(gè)用PN 結(jié)的偏置極性，三極管有NPN 型共發(fā)射極晶體三極管組截成的簡(jiǎn)單電路及其輸出特性曲線(xiàn)。該電路工作特點(diǎn)如下：1） 截止?fàn)顟B(tài) ：u0，兩個(gè) PN 結(jié)均為反偏，i 0,i0,uU。三極管呈BBCCECC現(xiàn)高阻抗，類(lèi)似于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。2） 放大狀態(tài) ：uB 0 ，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏， iC =iB。3） 飽和狀態(tài) ：uB0，結(jié)均為正偏，i I) U/Rc,兩個(gè) PNBBS(基極臨界飽和電流 CC此時(shí)iCICS(集電極飽和電流UCC/Rc 。三極管呈現(xiàn)低阻抗，類(lèi)似于開(kāi)關(guān)接通。=)在數(shù)字邏輯

5、電路中，三極管被作為開(kāi)關(guān)元件工作在飽和與截止兩種狀態(tài)，相當(dāng)于一個(gè)由基極信號(hào)控制的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，其作用對(duì)應(yīng)于觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)的"閉合"與"斷開(kāi) "。圖 3.6 （a ）、（ b ）給出了圖 3.5 所示電路在三極管截止與飽和狀態(tài)下的等效電路。圖3.5晶體三極管電路及其輸出特性曲線(xiàn)2、動(dòng)態(tài)特性晶體三極管在飽和與截止兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中具有的特性稱(chēng)為三極管的動(dòng)態(tài)特性。三極管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和二極管一樣，管子內(nèi)部也存在著電荷的建立與消失過(guò)程。因此，飽和與截止兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換也需要一定的時(shí)間才能完成。假如在圖 3.5(a) 所示電路的輸入端輸入一個(gè)理想的矩形波電壓，那么，在理想情況下

6、，iC和 UCE 的波形應(yīng)該如圖3.7(a) 所示。但實(shí)際轉(zhuǎn)換過(guò)程中iC 和 UCE 的波形如圖 3.7(b) 所示，無(wú)論從截止轉(zhuǎn)向?qū)ㄟ€是從導(dǎo)通轉(zhuǎn)向截止都存在一個(gè)逐漸變化的過(guò)程。圖 3.6三極管截止與飽和狀態(tài)下的等效電路晶體三極管在截止與飽和這兩種穩(wěn)態(tài)下的特性稱(chēng)為三極管的靜態(tài)開(kāi)關(guān)特性。1開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間： 三極管從截止?fàn)顟B(tài)到飽和狀態(tài)所需要的時(shí)間稱(chēng)為開(kāi)通時(shí)間。三極管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，發(fā)射結(jié)反偏， 空間電荷區(qū)比較寬。 當(dāng)輸入信號(hào)ui 由 -U 1跳變到 +U 2時(shí)， 由于發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)仍保持在截止時(shí)的寬度，故發(fā)射區(qū)的電子還不能立即穿過(guò)發(fā)射結(jié)到達(dá)基區(qū)。 這時(shí)發(fā)射區(qū)的電子進(jìn)入空間電荷區(qū)，使空間電荷區(qū)

7、變窄，然后發(fā)射區(qū)開(kāi)始向基區(qū)發(fā)射電子，晶體管開(kāi)始導(dǎo)通。這個(gè)過(guò)程所需要的時(shí)間稱(chēng)為延遲時(shí)間td 。經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間td 后，發(fā)射區(qū)不斷向基區(qū)注入電子，電子在基區(qū)積累，并向集電區(qū)擴(kuò)散，形成集電極電流iC 。隨著基區(qū)電子濃度的增加，iC 不斷增大 。iC 上升到最大值的90% 所需要的時(shí)間稱(chēng)為 上升時(shí)間 t r。開(kāi)通時(shí)間 ton =t d +t r開(kāi)通時(shí)間的長(zhǎng)短取決于晶體管的結(jié)構(gòu)和電路工作條件。2關(guān)閉時(shí)間關(guān)閉時(shí)間： 三極管從飽和狀態(tài)到截止?fàn)顟B(tài)所需要的時(shí)間稱(chēng)為關(guān)閉時(shí)間。進(jìn)入飽和狀態(tài)后，集電極收集電子的能力減弱，過(guò)剩的電子在基區(qū)不斷積累起來(lái)，稱(chēng)為超量存儲(chǔ)電荷，同時(shí)集電區(qū)靠近邊界處也積累起一定的空穴，集電結(jié)處于正

8、向偏置。當(dāng)輸入電壓ui 由 +U2跳變到 -U 1時(shí)，存儲(chǔ)電荷不能立即消失，而是在反向電壓作用下產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)而形成反向基流，促使超量存儲(chǔ)電荷泄放。在存儲(chǔ)電荷完全消失前，集電極電流維持ICS 不變，直至存儲(chǔ)電荷全部消散，晶體管才開(kāi)始退出飽和狀態(tài)，iC 開(kāi)始下降。這個(gè)過(guò)程所需要的時(shí)間稱(chēng)為 存儲(chǔ)時(shí)間 ts?；鶇^(qū)存儲(chǔ)的多余電荷全部消失后，基區(qū)中的電子在反向電壓作用下越來(lái)越少，集電極電流iC 也不斷減小， 并逐漸接近于零。 集電極電流由 0.9I CS 降至 0.1I CS 所需的時(shí)間稱(chēng)為下降時(shí)間tf。關(guān)閉時(shí)間 t off =t s+t f同樣，關(guān)閉時(shí)間的長(zhǎng)短取決于三極管的結(jié)構(gòu)和運(yùn)用情況。開(kāi)通時(shí)間 to

9、n 和關(guān)閉時(shí)間toff 的大小反映了三極管由截止到飽和與從飽和到截止的開(kāi)關(guān)速度，它們是影響電路工作速度的主要因素。三極管放大原理 (形象 )對(duì)三極管放大作用的理解，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(huà)，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)闆](méi)有水流的存在，并沒(méi)有水流出來(lái)。這就是三極管中的截止區(qū)。所以，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