了解三极管的放大效果,请记住:能量不会无缘无故地产生,因此,三极管不会产生能量,但三极管的强大之处在于,它可以通过小电流控制大电流。放大的原理是通过小的交流输入来控制大的静态直流。
假设三极管是大坝,大坝的奇怪之处在于有两个阀门,一个大阀门,一个小阀门。小阀门可以用人力打开,大阀门很重,人力打不开,只能用小阀门的水力打开。因此,正常的工作过程是,每当放水时,人们就会打开小阀门,小水流涓涓细流,这种涓涓细流影响大阀门的开关,大阀门打开,汹涌的河流涌动。如果小阀门的开启尺寸不断变化,大阀门也会相应变化。如果能严格按比例变化,完美控制就完成了。
在这里,Ube 就是小水流,Uce 是大水流,人是输入信号。当然,如果水流比电流更准确,因为三极管毕竟是电流控制元件。
假如有一天,天气很旱,江水不见了,也就是水流那边是空的。这时,管理员打开了小阀门。虽然小阀门一如既往地冲击大阀门并打开,但由于没有水流,没有水流出。这是三极管中的截止区。饱和区是一样的,因为此时江水已经达到了很大程度,管理员开的阀门大小已经没用了。若不打开阀门江水,则自行冲开,这是二极管的击穿。
在模拟电路中,一般阀门是半开的,输出水流的大小是通过控制其开启大小来确定的。当没有信号时,水流也会流动,因此,当不工作时,也会有功耗。在数字电路中,阀门打开或关闭。当不工作时,阀门完全关闭,没有功耗。
晶体三极管是一种电流控制元件。发射区与基区形成 PN 结称为发射结,由集电区和基区形成 PN 称为集电结。根据材料,晶体三极管的材料:锗管和硅管。而且每一种都有 NPN 和 PNP 两种结构形式,使用最多的是硅 NPN 和 PNP 两者,除了不同的电源极性外,其工作原理是相同的当三极管在放大区域工作时,三极管的发射结处于正偏差,集电结处于反偏差,集电极电流 Ic 受基极电流 Ib 的控制,Ic 的变化量与 Ib 变化比称为三极管交流电流放大倍数 β(β=?Ic/?Ic/?Ib,? 表示变化量。)三极管的电流放大通常用于实际使用,通过电阻转化为电压放大。
要判断三极管的工作状态,必须了解三极管的输出特性曲线,表示输出特性曲线 Ic 随 Uce 变化关系(以 Ib 从输出特性曲线可以看出,它分为截止区、放大区和饱和区三个区域。
1.对于 NPN 三极管,当 Ube≤0 当三极管发射结处于反偏工作时, Ib≈截止区工作三极管0;
2.当晶体三极管发射结处于正偏,集电结处于反偏工作时,三极管在放大区工作,Ic 随 Ib 近似线性变化;
3.当发射结和集电结处于正偏状态时,三极管在饱和区工作,Ic 基本上不随 Ib 而变化,失去了放大功能。
截止区和饱和区是三极管在开关状态下工作的区域。那么各种状态 Ube Ubc Uce 有固定的电压值吗?不同的材料,PN 结的势垒电压不同,锗管约 0.3V,硅管约 0.7V,不同的制造工艺,不同的型号也有少量的差异,但基本上是这个量级。要知道准确值,必须检查输入特性曲线(类似于二极管正特性曲线)。三极管是电流放大器件,分别称为集电极 C,基极 B,发射极E。分成 NPN 和 PNP 两种。我们仅以 NPN 以三极管共发射极放大电路为例,说明三极管放大电路的基本原理。
下面的分析为 NPN 型硅三极管。如上图所示,我们将从基极开始 B 流至发射极 E 电流称为基极电流 Ib;把从集电极 C 流至发射极 E 电流称为集电极电流 Ic。这两个电流的方向都流出发射极,所以发射极 E 用箭头来表示电流的方向。三极管的放大作用是:集电极电流由基极电流控制(假设电源可以提供足够大的集电极电流),基极电流的小变化会导致集电极电流的大变化,变化满足一定的比例关系:集电极电流的变化是基极电流的变化 β 倍,即电流变化被放大 β 倍,所以我们把 β 称为三极管的放大倍数(β 一般远大于 比如几十,几百)。如果我们在基极和发射极之间添加一个变化的小信号,这将导致基极电流 Ib 的变化,Ib 变化放大后,导致 Ic 变化很大。如果我们在基极和发射极之间添加一个变化的小信号,这将导致基极电流 Ib 的变化,Ib 变化放大后,导致 Ic 变化很大。如果集电极电流 Ic 电阻流过 R 是的,根据电压计算公式 U=R*I 这种电阻上的电压会发生很大的变化。当我们取出电阻上的电压时,我们会得到放大的电压信号。在实际放大电路中使用三极管时,还需要添加适当的偏置电路。有几个原因。首先是三极管 BE 结的非线性(相当于二极管)必须在输入电压达到一定程度后才能产生基极电流(对于硅管,经常取 0.7V)。当基极与发射极之间的电压小于 0.7V 当基极电流被认为是 0。但实际上,需要放大的信号往往远比 0.7V 如果没有偏置,这么小的信号就不足以引起基极电流的变化(因为小于 0.7V 基极电流为 0)。
如果我们提前在三极管的基极上添加适当的电流(称为偏置电流,则上图中的电阻 Rb 它是用来提供电流的,所以它被称为基极偏置电阻),所以当小信号与偏置电流叠加时,小信号会导致基极电流的变化,基极电流的变化会被放大并输出到集电极上。另一个原因是输出信号范围的要求。如果没有偏置,则只放大增加的信号,而减少的信号无效(因为当没有偏置时,电极电流为 0,不能再减少了)。再加上偏置,提前让集电极有一定的电流。当输入的基极电流变小时,可以减少集电极电流;当输入的基极电流增加时,集电极电流增加。可以放大减小的信号和增大的信号。
先说三极管饱和。像上图一样,因为电阻 Rc 的限制(Rc 如果是固定值,最大电流是 U/Rc,其中 U 为了电源电压),集电极电流不能无限增加。当集电极电流不能继续增加时,三极管就会饱和。判断三极管饱和度的一般标准是:Ib*β〉Ic。进入饱和状态后,三极管的集电极与发射极之间的电压很小,可以理解为开关关闭。这样,我们就可以用三极管作为开关:当基极电流为时 0 当三极管集电极电流为时 0(这叫三极管截止),相当于开关断开;当基极电流大,三极管饱和时,相当于开关关闭。如果三极管主要在截止和饱和状态下工作,我们通常称之为开关管。
如果我们在上图中使用电阻 Rc 换成灯泡时,当基极电流为0时 集电极电流为 0,灯泡灭。如果基极电流相对较大流过灯泡的电流除以三极管的放大倍数 β),三极管饱和,相当于开关关闭,灯泡亮。因为控制电流只需要比灯泡电流更多 β 大一点就够了,所以可以用小电流来控制大电流的通断。若基极电流从 0 如果增加缓慢,灯泡的亮度也会增加(三极管饱和前)。
对于 PNP 类型三极管的分析方法相似。不同的地方是电流方向和 NPN 相反,所以发射极上方的箭头方向也相反——变成了朝里。
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