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三極管工作原理

2023-08-22

三極管是電流放大器件,有三個極,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說明一下三極管放大電路的基本原理。


一、電流放大


  下面的分析僅對于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上就用了一個箭頭來表示電流的方向。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β倍,即電流變化被放大了β倍,所以我們把β叫做三極管的放大倍數(shù)(β一般遠(yuǎn)大于1,例如幾十,幾百)。如果我們將一個變化的小信號加到基極跟發(fā)射 極之間,這就會引起基極電流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是流過一個電阻R的,那么根據(jù)電壓計(jì)算公式 U=R*I 可以算得,這電阻上電壓就會發(fā)生很大的變化。我們將這個電阻上的電壓取出來,就得到了放大后的電壓信號了。


二、偏置電路


  三極管在實(shí)際的放大電路中使用時,還需要加合適的偏置電路。這有幾個原因。首先是由于三極管BE結(jié)的非線性(相當(dāng)于一個二極管),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,基極電流就可以認(rèn)為是0。但實(shí)際中要放大的信號往往遠(yuǎn)比 0.7V要小,如果不加偏置的話,這么小的信號就不足以引起基極電流的改變(因?yàn)樾∮?.7V時,基極電流都是0)。如果我們事先在三極管的基極上加上一 個合適的電流(叫做偏置電流,上圖中那個電阻Rb就是用來提供這個電流的,所以它被叫做基極偏置電阻),那么當(dāng)一個小信號跟這個偏置電流疊加在一起時,小 信號就會導(dǎo)致基極電流的變化,而基極電流的變化,就會被放大并在集電極上輸出。另一個原因就是輸出信號范圍的要求,如果沒有加偏置,那么只有對那些增加的 信號放大,而對減小的信號無效(因?yàn)闆]有偏置時集電極電流為0,不能再減小了)。而加上偏置,事先讓集電極有一定的電流,當(dāng)輸入的基極電流變小時,集電極 電流就可以減??;當(dāng)輸入的基極電流增大時,集電極電流就增大。這樣減小的信號和增大的信號都可以被放大了。


三、開關(guān)作用


  下面說說三極管的飽和情況。像上面那樣的圖,因?yàn)槭艿诫娮?Rc的限制(Rc是固定值,那么最大電流為U/Rc,其中U為電源電壓),集電極電流是不能無限增加下去的。當(dāng)基極電流的增大,不能使集電極電流繼續(xù)增大 時,三極管就進(jìn)入了飽和狀態(tài)。一般判斷三極管是否飽和的準(zhǔn)則是:Ib*β〉Ic。進(jìn)入飽和狀態(tài)之后,三極管的集電極跟發(fā)射極之間的電壓將很小,可以理解為 一個開關(guān)閉合了。這樣我們就可以拿三極管來當(dāng)作開關(guān)使用:當(dāng)基極電流為0時,三極管集電極電流為0(這叫做三極管截止),相當(dāng)于開關(guān)斷開;當(dāng)基極電流很 大,以至于三極管飽和時,相當(dāng)于開關(guān)閉合。如果三極管主要工作在截止和飽和狀態(tài),那么這樣的三極管我們一般把它叫做開關(guān)管。


四、工作狀態(tài)


  如果我們在上面這個圖中,將電阻Rc換成一個燈泡,那么當(dāng)基極電流為0時,集電極電流為0,燈泡滅。如果基極電流比較大時(大于流過燈泡的電流除以三極管 的放大倍數(shù) β),三極管就飽和,相當(dāng)于開關(guān)閉合,燈泡就亮了。由于控制電流只需要比燈泡電流的β分之一大一點(diǎn)就行了,所以就可以用一個小電流來控制一個大電流的通 斷。如果基極電流從0慢慢增加,那么燈泡的亮度也會隨著增加(在三極管未飽和之前)。


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