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三極管的電流放大作用與其物理結(jié)構(gòu)有關(guān),三極管內(nèi)部進(jìn)行的物理過程是十分復(fù)雜的,初學(xué)者暫時(shí)不必去深入探討。從應(yīng)用的角度來講,可以把三極管看作是一個(gè)電流分配器。一個(gè)三極管制成后,它的三個(gè)電流之間的比例關(guān)系就大體上確定了 一、電流放大 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(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,就得到了放大后的電壓信號(hào)了。
二、偏置電路 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∮?/span>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,如果沒有加偏置,那么只有對(duì)那些增加的 信號(hào)放大,而對(duì)減小的信號(hào)無效(因?yàn)闆]有偏置時(shí)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(shí),集電極 電流就可以減小;當(dāng)輸入的基極電流增大時(shí),集電極電流就增大。這樣減小的信號(hào)和增大的信號(hào)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?/span> 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(shí),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(gè)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(shí),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(shí),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?cè)谏厦孢@個(gè)圖中,將電阻Rc換成一個(gè)燈泡,那么當(dāng)基極電流為0時(shí),集電極電流為0,燈泡滅。如果基極電流比較大時(shí)(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(gè)小電流來控制一個(gè)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(huì)隨著增加(在三極管未飽和之前)。
三極管的作用
晶體三極管,是最常用的基本元器件之一,晶體三極管的作用主要是電流放大,他是電子電路的核心元件,現(xiàn)在的大規(guī)模集成電路的基本組成部分也就是晶體三極管。 三極管基本機(jī)構(gòu)是在一塊半導(dǎo)體基片上制作兩個(gè)相距很近的PN結(jié),兩個(gè)PN結(jié)把正塊半導(dǎo)體分成三部分,中間部分是基區(qū),兩側(cè)部分是發(fā)射區(qū)和集電區(qū),排列方式有PNP和NPN兩種, 從三個(gè)區(qū)引出相應(yīng)的電極,分別為基極b發(fā)射極e和集電極c。發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)叫發(fā)射結(jié),集電區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)叫集電極;鶇^(qū)很薄,而發(fā)射區(qū)較厚,雜質(zhì)濃度大,PNP型三極管發(fā)射區(qū)"發(fā)射"的是空穴,其移動(dòng)方向與電流方向一致,故發(fā)射極箭頭向里;NPN型三極管發(fā)射區(qū)"發(fā)射"的是自由電子,其移動(dòng)方向與電流方向相反,故發(fā)射極箭頭向外。發(fā)射極箭頭向外。發(fā)射極箭頭指向也是PN結(jié)在正向電壓下的導(dǎo)通方向。硅晶體三極管和鍺晶體三極管都有PNP型和NPN型兩種類型。
三極管參數(shù) 1、共射電流放大系數(shù) 在共射極放大電路中,若交流輸入信號(hào)為零,則管子各極間的電壓和電流都是直流量,此時(shí)的集電極電流IC和基極電流IB的比就是 , 稱為共射直流電流放大系數(shù)。 當(dāng)共射極放大電路有交流信號(hào)輸入時(shí),因交流信號(hào)的作用,必然會(huì)引起IB的變化,相應(yīng)的也會(huì)引起IC的變化,兩電流變化量的比稱為共射交流電流放大系數(shù)β
上述兩個(gè)電流放大系數(shù) 和β的含義雖然不同,但工作在輸出特性曲線放大區(qū)平坦部分的三極管,兩者的差異極小,可做近似相等處理,故在今后應(yīng)用時(shí),通常不加區(qū)分,直接互相替代使用。
由于制造工藝的分散性,同一型號(hào)三極管的β值差異較大。常用的小功率三極管,β值一般為20~100。β過小,管子的電流放大作用小,β過大,管子工作的穩(wěn)定性差,一般選用β在40~80之間的管子較為合適。
2、極間反向飽和電流ICBO和ICEO
(1)集電結(jié)反向飽和電流ICBO是指發(fā)射極開路,集電結(jié)加反向電壓時(shí)測(cè)得的集電極電流。常溫下,硅管的ICBO在nA(10-9)的量級(jí),通?珊雎。
(2)集電極-發(fā)射極反向電流ICEO是指基極開路時(shí),集電極與發(fā)射極之間的反向電流,即穿透電流,穿透電流的大小受溫度的影響較大,穿透電流小的管子熱穩(wěn)定性好。
3、極限參數(shù) (1)集電極最大允許電流
晶體管的集電極電流IC在相當(dāng)大的范圍內(nèi)β值基本保持不變,但當(dāng)IC的數(shù)值大到一定程度時(shí),電流放大系數(shù)β值將下降。使β明顯減少的IC即為ICM。為了使三極管在放大電路中能正常工作,IC不應(yīng)超過ICM。
(2)集電極最大允許功耗
晶體管工作時(shí)、集電極電流在集電結(jié)上將產(chǎn)生熱量,產(chǎn)生熱量所消耗的功率就是集電極的功耗, 功耗與三極管的結(jié)溫有關(guān),結(jié)溫又與環(huán)境溫度、管子是否有散熱器等條件相關(guān)。根據(jù)5-7式可在輸出特性曲線上作出三極管的允許功耗線,如圖5-8所示。功耗線的左下方為安全工作區(qū),右上方為過損耗區(qū)。
(3)反向擊穿電壓
反向擊穿電壓是指基極開路時(shí),加在集電極與發(fā)射極之間的最大允許電壓。使用中如果管子兩端的電壓,集電極電流IC將急劇增大,這種現(xiàn)象稱為擊穿。管子擊穿將造成三極管永久性的損壞。三極管電路在電源EC的值選得過大時(shí),有可能會(huì)出現(xiàn),當(dāng)管子截止時(shí),導(dǎo)致三極管擊穿而損壞的現(xiàn)象。一般情況下,三極管電路的電源電壓應(yīng)小于反向電壓
4、溫度對(duì)三極管參數(shù)的影響
幾乎所有的三極管參數(shù)都與溫度有關(guān),因此不容忽視。溫度對(duì)下列的三個(gè)參數(shù)影響最大。
(1)對(duì)β的影響:
三極管的β隨溫度的升高將增大,溫度每上升l℃,β值約增大0.5~1%,其結(jié)果是在相同的IB情況下,集電極電流IC隨溫度上升而增大。
(2)對(duì)反向飽和電流ICEO的影響:
ICEO是由少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)形成的,它與環(huán)境溫度關(guān)系很大,ICEO隨溫度上升會(huì)急劇增加。溫度上升10℃,ICEO將增加一倍。由于硅管的ICEO很小,所以,溫度對(duì)硅管ICEO的影響不大。
(3)對(duì)發(fā)射結(jié)電壓ube的影響:
和二極管的正向特性一樣,溫度上升1℃,ube將下降2~2.5mV。
綜上所述,隨著溫度的上升,β值將增大,iC也將增大,uCE將下降,這對(duì)三極管放大作用不利,使用中應(yīng)采取相應(yīng)的措施克服溫度的影響。
三極管的參數(shù)反映了三極管各種性能的指標(biāo),是分析三極管電路和選用三極管的依據(jù)。 |
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