硬件设计基础----三极管

Posted 2022-09-16 鲁棒最小二乘支持向量机

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：

PNP三极管如图所示：

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：

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：

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

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βIB<ICmax，此时，0V<UCE<3V
饱和区： UBE≈0.7V且βIB>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

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

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：

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：

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	电流关系	放大状态	饱和状态	截止状态
NPN	IE=IC+IB	VC>VB>VE	VB>VC>VE	VC>VE>VB
PNP	IC=IE+IB	VE>VB>VC	VE>VC>VB	VB>VE>VC

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：

电压增益Av如下：

Vo与Vi的相位关系： 反相

最大电流增益Ai：

输入电阻：

输出电阻：

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：

电压增益Av如下：

Vo与Vi的相位关系： 同相

最大电流增益Ai：

输入电阻：

输出电阻：

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：

电压增益Av如下：

Vo与Vi的相位关系： 同相

最大电流增益Ai：

输入电阻：

输出电阻：

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：

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：

或门(OR)、与非门(NAND)和或非门(NOR)电路图如下：

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