基本元器件 - 晶体三级管

晶体三极管是一种 电流控电流 的元器件。

区分极性

除基极外，带箭头是发射极，不带则是集电极。箭头朝外是 NPN，指向里面是 PNP.

不同封装引脚辨认

基本电流关系

三极管电流方向依托于发射级电流方向。

• NPN：发射级流出，所以基极和集电极都是流入。
• PNP：发射级流入，所以基极和集电极都是流出。

规律：

1. 满足基尔霍夫电流定律 $i_B + i_C = i_E$
2. 处于放大状态下，集电极电流只受控于基极电流（$i_C = \beta i_B$），与集电极发射极间的电压无关。
3. 基极与发射极导通时，分压值 $U_{BE}$ 约为 0.7V

所以三极管就是一个受控电流源，由小电流 $i_B$ 去控大电流 $i_C$，取决于晶体管恒定的放大倍数 $\beta$。

所以，$i_E=(1+\beta)i_B = \frac{1+\beta}{\beta}·i_C$

输出伏安特性

如图，三极管的输出伏安特性分以下几个区域：

• 放大区：在此区域内，晶体管的 $i_C$ 几乎不随 $u_{CE}$ 变化，近似满足 $i_C = \beta i_B$。
• 饱和区：在此区域内，晶体管的 $i_C$ 随着 $u_{CE}$ 增大而增大。一般认为当 $u_{CE}$ 小于饱和压降 $U_{CES}$（一般为 0.3 V）时，晶体管工作在饱和区。
• 截止区：即 $I_B = 0$ 的那根曲线。但此时 $i_C$ 并不为 0，因为存在与 $u_{CE}$ 相关的漏电流。截止区代表晶体管处于几乎没有任何电流进出的状态，近似于完全关闭。

如果我们想用数学公式描述伏安特性，那么需要将曲线简化一下：

简化后，可以这么认为：

• 放大区：满足 $i_C = \beta i_B$，与 $u_{CE}$ 无关。
• 饱和区：$i_C$ 随着 $u_{CE}$ 增大而增大，近似为线性。
• $U_{CES}$ 垂直线：饱和区与放大区的分界线。

阻容耦合放大电路

晶体管的工作状态

• 截止状态
  • 指基极未产生明显电流（$I_{BQ}$ 非常小导致 $I_{CQ}$ 也很小），集电极与发射极之间相当于开路。
  • $I_{BQ} = 0, I_{CQ} = 0, I_{EQ} = I_{BQ}+I_{CQ}=0$。发射结零偏 / 反偏、集电结反偏。
• 放大状态
  • 指晶体管处于 $I_{BQ}$ 合适，且满足 $I_{CQ} = \beta I_{BQ},I_{EQ} = (1+ \beta)I_{BQ}, I_{BQ} = \frac{V_{CC}-U_{BE}}{R_B}$
  • 发射结正偏、集电结反偏。
  • 这是模电最常用的状态。
• 饱和状态
  • $I_{CQ} < \beta I_{BQ}$，但还是随 $U_{CEQ}$ 变化。$I_{BQ}$ 和 $I_{CQ}$ 都很大，$I_{CQ}$ 已经不完全受 $I_{BQ}$ 控制，且 $U_{CEQ}$ 所占的电压很小。
  • 只要 $U_{CEQ} < U_{CES}$，就进入饱和状态。此时，再增加 $I_{BQ}$，$I_{CQ}$ 也几乎不再增加。
  • 发射结正偏、集电结正偏。
  • 在模电中应该避免进入饱和状态，而在数电中则期望进入饱和或截至状态。
• 倒置状态
  • 集电极和发射极接反了。虽然也不是不能用，但是会造成 $\beta$ 下降严重。
  • 饱和状态就好比水龙头打开了，但水箱里没水，此时就是有多少水来多少水。
  • 发射结反偏，集电结正偏。

判断工作状态有三种方法，分别是估算法、函数求解法、图解法。估算法的核心是假设 $U_{BEQ}$ 约等于 0.7 V，但有误差（电压越大误差越小）；函数求解法必须知道输入、输出伏安特性的数学表达式，通过方程求解，一般不会用到；图解法的核心是用伏安特性图和另一直线的交点，求解静态工作点的位置，然后目测结果。

三极管的主要参数

• 电流放大系数 $\beta$：一般为 10-100 倍，但在应用中取 30-80 倍为宜（太小放大不明显，太大工作不稳定）。
• 集电极最大允许电流 $I_{CM}$：超过可能导致烧坏。
• 集电极最大允许功耗 $P_{CM}$
• 集电极发射极间反向击穿电压 $V_{CEO}$

判断三极管的工作状态

估算法

其中的 估算静态工作点，即用简单的方法大致估算出晶体管电路的静态（各支路电流、各节点电位），核心就是假设 $U_{BEQ}$ 约等于 0.7 V（一般要算出 $I_{CQ}$ 和 $U_{CEQ}$），具体步骤如下：

1. 根据 $U_{BEQ} = 0.7 V$，算出 $I_{BQ}$
2. 假设处于放大状态，即 $I_{CQ} = \beta I_{BQ}$，求解出 $U_{CEQ}$
3. 此时如果 $U_{CEQ} >= 0.3 V$，则假设成立，晶体管处于放大状态，$I_{CQ}$ 与 $U_{CEQ}$ 为所求。
4. 如果 $U_{CEQ} < 0.3 V$，则假设不成立，晶体管处于饱和状态。

图解法

图解法的核心，是用伏安特性图和另一直线的交点，求解静态工作点的位置，然后目测结果。

基本放大电路

如图，各部分的作用：

• $C_1$/$C_2$：隔直通交。排除 $U_{CC}$ 的影响。取值几微法到几十微法。
• $U_{CC}$：为电路功能；提供合适的静态工作点。
• $R_B$：提供合适的 $I_B$，取值一般为几十欧到几百千欧。
• $R_C$：取值几千欧到几十千欧。

分析：

• 总基极电压 $U_{BE} = U_{BEQ}+u_i$
• 总基极电流 $i_B=I_{BQ}+i_b$
• 总集电极电流 $i_C=I_{CQ}+i_c$
• 总的 $u_CE=V_{CC}-{i_C}{R_C}=V_{CC}-(I_{CQ}+i_c)R=U_{CEQ}+({-i_C}{R_C})$

此电路的不足：虽结构简单，但静态工作点不稳定，受各元器件影响大。

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