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三極管的工作原理(詳細(xì)、通俗易懂,、圖文并茂)

 游蕩者也 2017-10-10
   

一,、很多初學(xué)者都會(huì)認(rèn)為三極管是兩個(gè) PN 結(jié)的簡(jiǎn)單湊合(如圖1)。這種想法是錯(cuò)誤的,,兩個(gè)二極管的組合不能形成一個(gè)三極管,。我們以 NPN 型三極管為例(見圖 2 ),兩個(gè) PN 結(jié)共用了一個(gè) P 區(qū) —— 基區(qū),,基區(qū)做得極薄,,只有幾微米到幾十微米,正是靠著它把兩個(gè) PN 結(jié)有機(jī)地結(jié)合成一個(gè)不可分割的整體,,它們之間存在著相互聯(lián)系和相互影響,,使三極管完全不同于兩個(gè)單獨(dú)的 PN 結(jié)的特性,。三極管在外加電壓的作用下,形成基極電流,、集電極電流和發(fā)射極電流,,成為電流放大器件。

 

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    二,、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(見圖 3 ),用式子來表示就是

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    β 和 α 稱為三極管的電流分配系數(shù),其中 β 值大家比較熟悉,,都管它叫電流放大系數(shù),。三個(gè)電流中,有一個(gè)電流發(fā)生變化,,另外兩個(gè)電流也會(huì)隨著按比例地變化,。例如,基極電流的變化量 ΔI b = 10 μA ,, β = 50 ,,根據(jù) ΔI c = βΔI b 的關(guān)系式,集電極電流的變化量 ΔI c = 50×10 = 500μA ,,實(shí)現(xiàn)了電流放大,。
    
    三、三極管自身并不能把小電流變成大電流,,它僅僅起著一種控制作用,,控制著電路里的電源,按確定的比例向三極管提供 I b ,、 I c 和 I e 這三個(gè)電流,。為了容易理解,我們還是用水流比喻電流(見圖 4 )。這是粗,、細(xì)兩根水管,粗的管子內(nèi)裝有閘門,,這個(gè)閘門是由細(xì)的管子中的水量控制著它的開啟程度,。如果細(xì)管子中沒有水流,粗管子中的閘門就會(huì)關(guān)閉,。注入細(xì)管子中的水量越大,,閘門就開得越大,相應(yīng)地流過粗管子的水就越多,,這就體現(xiàn)出“以小控制大,,以弱控制強(qiáng)”的道理。由圖可見,,細(xì)管子的水與粗管子的水在下端匯合在一根管子中,。三極管的基極 b 、集電極 c 和發(fā)射極 e 就對(duì)應(yīng)著圖 4 中的細(xì)管,、粗管和粗細(xì)交匯的管子,。電路見圖 5 ,若給三極管外加一定的電壓,,就會(huì)產(chǎn)生電流 I b ,、 I c 和 I e 。調(diào)節(jié)電位器 RP 改變基極電流 I b ,, I c 也隨之變化,。由于 I c = βI b ,所以很小的 I b 控制著比它大 β 倍的 I c ,。 I c 不是由三極管產(chǎn)生的,,是由電源 V CC 在 I b 的控制下提供的,所以說三極管起著能量轉(zhuǎn)換作用,。

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四,、如圖5,,假設(shè)三極管的β=100,RP=200K,,此時(shí)的Ib=6v/(200k+100k)=0.02mA,Ic=βI b=2mA
當(dāng)RP=0時(shí),,Ib=6v/100k=0.06mA,Ic=βI b=2mA,。以上兩種狀態(tài)都符合Ic=βI b,,我們說,三極管處于"放大區(qū)"。假設(shè)RP=0,Rb=1k,此時(shí),,Ib=6v/1k=6mA按Ic=βI b計(jì)算,,Ic應(yīng)等于600mA,而實(shí)際上,,由于圖中300歐姆限流電阻(Rc)的存在,,實(shí)際上Ic=(6v/300)≈20mA,此時(shí),Ic≠βI b,,而且,,Ic不再受Ib控制,即處于"飽和區(qū)",,當(dāng)RP和Rb大到一定程度,,使Ube<死區(qū)電壓(硅管約0.5V,,鍺管約0.3)此時(shí)be結(jié)處于不導(dǎo)通狀態(tài),,Ib=0,則Ic=0,,處于"截止區(qū)",。

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       五,、單純從“放大”的角度來看,我們希望 β 值越大越好,??墒牵龢O管接成共發(fā)射極放大電路(圖 6 )時(shí),,從管子的集電極 c 到發(fā)射極 e 總會(huì)產(chǎn)生一有害的漏電流,,稱為穿透電流 I ceo ,它的大小與 β 值近似成正比,, β 值越大,, I ceo 就越大。 I ceo 這種寄生電流不受 I b 控制,,卻成為集電極電流 I c 的一部分, I c = βI b + I ceo ,。值得注意的是,, I ceo 跟溫度有密切的關(guān)系,溫度升高,, I ceo 急劇變大,,破壞了放大電路工作的穩(wěn)定性,。所以,選擇三極管時(shí),,并不是 β 越大越好,,一般取硅管 β 為 40 ~ 150 ,鍺管取 40 ~ 80 ,。

 

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    六,、在常溫下,鍺管的穿透電流比較大,,一般由幾十微安到幾百微安,,硅管的穿透電流就比較小,一般只有零點(diǎn)幾微安到幾微安,。 I ceo 雖然不大,,卻與溫度有著密切的關(guān)系,它們遵循著所謂的“加倍規(guī)則”,,這就是溫度每升高 10℃ ,, I ceo 約增大一倍。例如,,某鍺管在常溫 20℃ 時(shí),, I ceo 為 20μA ,在使用中管芯溫度上升到 50℃ ,, I ceo 就增大到 160μA 左右,。測(cè)量 I ceo 的電路很簡(jiǎn)單(圖 7 ),三極管的基極開路,,在集電極與發(fā)射極之間接入電源 V CC ( 6V ),,串聯(lián)在電路中的電流表(可用萬用表中的 0.1mA 擋)所指示的電流值就是 I ceo 。

 

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七、嚴(yán)格地說,,三極管的 β 值不是一個(gè)不變的常數(shù),。在實(shí)際使用中,調(diào)整三極管的集電極電流 I ,, β 值會(huì)隨著發(fā)生變化(圖 8 ),。一般說來,在 I c 很?。ɡ鐜资玻┗蚝艽螅唇咏姌O最大允電流 I CM )時(shí),, β 值都比較小,,在 1mA 以上相當(dāng)寬的范圍內(nèi),小功率管的 β 值都比較大,,所以,,同學(xué)們?cè)谡{(diào)試放大電路時(shí),要確定合適的工作電流 I c ,,以獲得最佳放大狀態(tài),。另外, β 值也和三極管的其它參數(shù)一樣,,跟溫度有密切的關(guān)系,。溫度升高, β 值相應(yīng)變大,。一般溫度每升高 1℃ ,, β 值增加 0.5 %~ 1 %。

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        八、三極管有一個(gè)極限參數(shù)叫集電極最大允許電流,,用 I CM 表示,。 I CM 常稱為三極管的額定電流,所以人們常常誤認(rèn)為超過了 I CM 值,,由于過熱會(huì)把管子燒壞,。實(shí)際上,規(guī)定 I CM 值是為避免集電極電流太大時(shí)引起 β 值下降過多,。一般把 β 值降低到它的最大值一半左右時(shí)的集電極電流定為集電極最大允許電流 I CM ,。

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        九,、三極管的電流放大系數(shù) β 值還與電路的工作頻率有關(guān)。在一定的頻率范圍內(nèi),,可以認(rèn)為 β 值是不隨頻率變化的(圖 9 ),,可是當(dāng)頻率升高到超過某一數(shù)值后, β 值就會(huì)明顯下降,。為了保證三極管在高頻時(shí)仍然具有足夠的放大能力,,人們規(guī)定:當(dāng)頻率升高到使 β 值下降到低頻( 1000Hz )值 β 0 的 0.707 倍時(shí),所對(duì)應(yīng)的頻率稱為 β 截止頻率,,用 f β 表示,。 f β 就是三極管接成共發(fā)射極電路時(shí)所允許的最高工作頻率,。

三極管 β 截止頻率 f β 是在三極管接成共發(fā)射極放大電路時(shí)測(cè)定的,。如果三極管接成共基極電路,,隨著頻率的升高,其電流放大系數(shù) α ( α = I c / I e )值下降到低頻( 1000Hz )值 α o 的 0.707 倍時(shí),,所對(duì)應(yīng)的頻率稱為 α 截止頻率,,用 f α 表示(圖 10 )。 f α 反映了三極管共基極運(yùn)用時(shí)的頻率限制,。在三極管產(chǎn)品系列中,,常根據(jù) f α 的大小劃分低頻管和高頻管。國(guó)家規(guī)定,, f α < 3MHz 的為低頻管,, f α > 3MHz 的為高頻管。

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當(dāng)頻率高于 f β 值后,,繼續(xù)升高頻率,, β 值將隨之下降,,直到 β = 1 ,,三極管就失去了放大能力。為此,,人們規(guī)定:在高頻條件下, β = 1 時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率,,稱為特征頻率,,用 f T 表示。 f T 常作為標(biāo)志三極管頻率特性好壞的重要參數(shù),。在選擇三極管時(shí),,應(yīng)使管子的特征頻率 f T 比實(shí)際工作頻率高出 3 ~ 5 倍。
     f α 與 f β 的物理意義是相同的,,僅僅是放大電路連接方式不同,。理論分析和實(shí)驗(yàn)都可以證明,同一只三極管的 f β 值遠(yuǎn)比 f α 值要小,,它們之間的關(guān)系為
f β =( 1 - α ) f α
     這就說明了共發(fā)射極電路的極限工作頻率比共基極電路低得多。所以,,高頻放大和振蕩電路大多采用共基極連接,。

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