硬件设计基础----三极管

青旅半醒 2023-09-27 09:41 117阅读 0赞

## 1 什么是三极管 ##

三极管，不管是在模电还是数电中都是常见的电子器件，利用它的特性，在模电中通常作`放大作用`，而在数电中则作开关或者逻辑转换。三极管的`核心结构是PN结`，可以是NPN组合，也可以是PNP组合。NPN三极管如图所示：  
![在这里插入图片描述][b31191afde7b479e9494dee4b43d2897.png_pic_center]

PNP三极管如图所示：

![在这里插入图片描述][7763fcf47aa6472d837d7e5f5cd9b561.png_pic_center]

三极管最基本的作用是`放大`，把微弱的电信号放大成一定强度的信号，实际是将电源能量转换成信号的能量

NPN型和PNP型三极管电流流动如图所示：

![在这里插入图片描述][62639542272b482594da9465af5060f7.png_pic_center]

三极管是`电流控制器件`，但是本身不能把小电流变成大电流，而是控制电路中的电源，间接放大电流

## 2 三极管的性质 ##

以NPN三极管为例：  
![在这里插入图片描述][bac854a2f343485aa8b7e14be10ddf80.png_pic_center]

**电流：** 从基极B出来的电子和从集电极C出来的电子最终都会回到发射极E，当作注入电子。即IE=IB+IC

**UBE：** 当基极与发射极间电压UBE<0.7V时，基极B和集电极C几乎没有电流，IB=0，IC=0。UBE>0.7V时，IB激增，但是IB相对于IC来说还是很小

**IC：** 当UC的值低于0.7V时，集电极C和基极B的PN结正偏，此时IC会随着UCE的减小而减小

如图所示，假设该NPN三极管放大倍数为100倍，集电极C串联1K电阻接3V电源

![在这里插入图片描述][f3b169c943a743e7bd0f6ca274602f77.png_pic_center]

**截止区：** 当UBE＜0.7V时截止，此时IB≈IC=0，C极电阻没有压降，所以UCE达到最大值3V  
**放大区：** UBE≈0.7V且β*IB<ICmax，此时，0V<UCE<3V  
**饱和区：** UBE≈0.7V且β*IB>ICmax，由于C极电流不可能高于3mA，所以IC保持在最大3mA不能再升高，UCE=0

三极管一个重要参数就是`电流放大系数β`。当三极管的基极B上加一个微小的电流时，在集电极C上可以得到一个是基极电流β倍的电流，即集电极电流。集电极电流随基极电流的变化而变化，并且基极电流很小的变化可以引起集电极电流很大的变化，这就是三极管的放大作用

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>状态</th> 
   <th>直流偏置</th> 
   <th>UBE</th> 
   <th>IC</th> 
   <th>UCE</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>放大状态</td> 
   <td>发射结正偏，集电结反偏</td> 
   <td>硅管0.7V，锗管0.3V</td> 
   <td>IC=β*IB，受控(电流放大作用)</td> 
   <td>UCE&gt;UBE</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>饱和状态</td> 
   <td>发射结正偏，集电结反偏</td> 
   <td>硅管大于0.7V，锗管大于0.3V</td> 
   <td>IC≠β*IB，不受控(无电流放大)</td> 
   <td>UCE≤UBE</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>截止状态</td> 
   <td>发射结反偏，集电结反偏</td> 
   <td>硅管小于0.7V，锗管小于0.3V</td> 
   <td>IB=0，β*IB=0，IC≈0</td> 
   <td>UCE≠UBE</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

输出特性曲线描述的是基极电流 IB为一定量时，集电极电流 IC与管压降 UCE之间的函数关系，如下所示：

![在这里插入图片描述][aac2e08172af4fd5a78d53e24536157c.png_pic_center]

## 3 三极管的分类 ##

晶体三极管按`材料`分类：锗管和硅管  
晶体三极管按`工作频率`分类：小于3MHz为低频；3MHz<Ft<30MHz为中频；大于30MHz为高频  
晶体三极管按`输出功率`分类：小于1W为小功率管；1W<P<2W为中功率；大于2W为大功率  
晶体三极管按`结构`分类：NPN型和PNP型，区分两种三极管的关键是看发射极的箭头指向，如图所示：

![在这里插入图片描述][97c4bdc89d9348cc948f2c00d01e3021.png_pic_center]  
**NPN型三极管：** 由两块N型和一块P型半导体组成，P型半导体在中间，两块N型半导体在两侧  
**PNP型三极管：** 由两块P型半导体中间夹着一块N型半导体所组成的三极管，也可以描述成，电流从发射极E流入的三极管  
电流控制  
**NPN型三极管：** 用基极B流向发射极E的电流IB，控制集电极C流向发射极E的电流IC。发射极E电位最低，正常放大时通常VC>VB>VE  
**PNP型三极管：** 用发射极E流向基极B的电流IB，控制发射极E流向集电极C的电流IC。发射极E电位最高，正常放大时通常VC<VB<VE

NPN型和PNP型三极管对比表如下：

三极管的正偏和反偏都是根据`三极管的PN结`来区分的，如果PN电压为正，则正偏，反之反偏

## 4 三极管的参数 ##

三极管主要性能参数：

*  **直流参数：** 1、共射直流电流放大系数β；2、ICBO是发射极开路时，集电结的反向饱和电流；3、ICEO是基极开路时，集电极与发射极之间的穿透电流
 *  **交流参数：** 1、共射交流电流放大系数β；2、特征频率fT，频率升高，β降为1时对应的频率
 *  **极限参数：** 1、最大集电极电流ICM，允许通过的最大电流；2、最大集电极耗散功率PCM，实际功率过大，会烧坏三极管；3、集电极-发射极间击穿电压UCEO，基极开路时，集-射极耐电压值

**关于三极管β值：**

*  硅三极管β值常用范围为：30~200
 *  锗三极管β值常用范围为：30~100
 *  β值越大，漏电流越大，β值过大的三极管性能不稳定

## 5 三极管的应用 ##

#### 放大电路 ####

三极管在放大电路中的三种基本接法，共射极电路(信号由基极输入，集电极输出)如图所示：

![在这里插入图片描述][108bc49c3dcb48d89f84cb9a3b0ddd2d.png_pic_center]  
**电压增益Av如下：**

![在这里插入图片描述][d0154d5c7a4a4797ada729a707de9b5a.png_pic_center]

**Vo与Vi的相位关系：** 反相

**最大电流增益Ai：**

![在这里插入图片描述][503ec1e89b3345938d19b9a9c5006d7b.png_pic_center]

**输入电阻：**

![在这里插入图片描述][46fe22d1dbef47d0a009c12d89dae05f.png_pic_center]

**输出电阻：**

![在这里插入图片描述][c353e0f80c7744ef8afbeaf4e53bec55.png_pic_center]

**用途：** 多级放大电路的中间级

共集电极电路(信号由基极输入，发射极输出)如图所示：

![在这里插入图片描述][98abf87425594e09895477abd7e064bc.png_pic_center]

**电压增益Av如下：**

![在这里插入图片描述][2e9e86291fc14e2d8c6c3cd9ec5a1719.png_pic_center]

**Vo与Vi的相位关系：** 同相

**最大电流增益Ai：**

![在这里插入图片描述][ea57a1c79d6c41d1ab71e6f2dba8bec7.png_pic_center]

**输入电阻：**

![在这里插入图片描述][6a56bdf565874e80bdcb876d20eec32e.png_pic_center]

**输出电阻：**

![在这里插入图片描述][cab293dd979c495ca97c381f481fd49f.png_pic_center]

**用途：** 输入级、中间级、输出级

共基极电路(信号由发射极输入，集电极输出)如图所示：

![在这里插入图片描述][c2e2703157b9413ea77da6ada752dac6.png_pic_center]

**电压增益Av如下：**

![在这里插入图片描述][50230519a91d4d45aaf2171b1b612071.png_pic_center]

**Vo与Vi的相位关系：** 同相

**最大电流增益Ai：**

![ff1b2495bbc746279e7615d1f6c6d706.png_pic_center][]

**输入电阻：**

![在这里插入图片描述][097d6bcd90984ef5950d58707a220fa4.png_pic_center]

**输出电阻：**

![在这里插入图片描述][26cc78d7c67f4804902f39b29300dd56.png_pic_center]

**用途：** 高频或宽频带电路

*  共射极放大电路可以放大电压，也可以放大电流
 *  共集极放大电路只能放大电流
 *  共基极放大电路只能放大电压

#### 开关电路 ####

晶体三极管作为开关使用时，NPN型三极管`控制接GND`的引线，PNP型三极管`控制接VCC`的引线，如图所示：

![在这里插入图片描述][5096e5eaf72a4f1cafef6c95162bc760.png_pic_center]  
NPN管，当基极输入`高电平`，则NPN三极管导通；PNP管，当基极输入`低电平`，则PNP三极管导通  
三极管闭合时是低阻态，断开时是高阻态，负载通常为蜂鸣器、继电器、LED显示器等。基极限流电阻R通常取值10K

#### 逻辑电路 ####

非门(NOT)和与门(AND)电路图如下：

![在这里插入图片描述][5f3f96d90b8d49c6ba6f2794dddfb2a3.png_pic_center]

或门(OR)、与非门(NAND)和或非门(NOR)电路图如下：

![在这里插入图片描述][1d1da9e86b6243378b7b3e12bade605f.png_pic_center]

**希望本文对大家有帮助，上文若有不妥之处，欢迎指正**

**分享决定高度，学习拉开差距**

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