PNP三極體結構及工作原理解析

2021-03-03 23:02:25 字數 3133 閱讀 8444

對三極體放大作用的理解,切記一點:能量不會無緣無故的產生,所以,三極體一定不會產生能量, 但三極體厲害的地方在於:它可以通過小電流控制大電流。

放大的原理就在於:通過小的交流輸入,控制大的靜態直流。

假設三極體是個大壩,這個大壩奇怪的地方是,有兩個閥門,乙個大閥門,乙個小閥門。小閥門可以用人力開啟,大閥門很重,人力是打不開的,只能通過小閥門的水力開啟。所以,平常的工作流程便是,每當放水的時候,人們就開啟小閥門,很小的水流涓涓流出,這涓涓細流衝擊大閥門的開關,大閥門隨之開啟,洶湧的江水滔滔流下。

如果不停地改變小閥門開啟的大小,那麼大閥門也相應地不停改變,假若能嚴格地按比例改變,那麼,完美的控制就完成了。

在這裡,ube就是小水流,uce就是大水流,人就是輸入訊號。當然,如果把水流比為電流的話,會更確切,因為三極體畢竟是乙個電流控制項。

如果某一天,天氣很旱,江水沒有了,也就是大的水流那邊是空的。管理員這時候開啟了小閥門,儘管小閥門還是一如既往地衝擊大閥門,並使之開啟,但因為沒有水流的存在,所以,並沒有水流出來。這就是三極體中的截止區。

飽和區是一樣的,因為此時江水達到了很大很大的程度,管理員開的閥門大小已經沒用了。如果不開閥門江水就自己沖開了,這就是二極體的擊穿。

在模擬電路中,一般閥門是半開的,通過控制其開啟大小來決定輸出水流的大小。沒有訊號的時候,水流也會流,所以,不工作的時候,也會有功耗。

而在數位電路中,閥門則處於開或是關兩個狀態。當不工作的時候,閥門是完全關閉的,沒有功耗。

晶體三極體是一種電流控制項。發射區與基區之間形成的pn結稱為發射結,而集電區與基區形成的pn結稱為集電結。晶體三極體按材料分常見的有兩種:

鍺管和矽管。而每一種又有npn和pnp兩種結構形式,使用最多的是矽npn和pnp兩種,兩者除了電源極性不同外,其工作原理都是相同的,三極體工作在放大區時,三極體發射結處於正偏而集電結處於反偏,集電極電流ic受基極電流ib的控

制,ic的變化量與ib變化量之比稱作三極體的交流電流放大倍數β(β=δic/δib,δ表示變化量。)在實際使用中常常利用三極體的電流放大作用,通過電阻轉變為電壓放大作用。

要判斷三極體的工作狀態必須了解三極體的輸出特性曲線,輸出特性曲線表示ic隨uce的變化關係(以ib為引數),從輸出特性曲線可見,它分為三個區域:截止區、放大區和飽和區。

根據三極體發射結和集電結偏置情況,可以判別其工作狀態:

對於npn三極體,當ube≤0時,三極體發射結處於反偏工作,則ib≈0,三極體工作在截止區;

當晶體三極體發射結處於正偏而集電結處於反偏工作時,三極體工作在放大區,ic隨ib近似作線性變化;

當發射結和集電結均處於正偏狀態時,三極體工作在飽和區,ic基本上不隨ib而變化,失去了放大功能。

截止區和飽和區是三極體工作在開關狀態的區域。

那麼各種狀態ube ubc uce有沒有個固定的電壓值呢?

不同的材料,pn結的勢壘電壓不一樣,鍺管約0.3v,矽管約0.7v,不同的製造工藝,不同的型號也有少量差別,但是基本是這個量級。

要知道準確值,必須檢視輸入特性曲線(類似於二極體正向特性曲線)。

三極體是電流放大器件,有三個極,分別叫做集電極c,基極b,發射極e。分成npn和pnp兩種。我們僅以npn三極體的共發射極放大電路為例來說明一下三極體放大電路的基本原理。

下面的分析僅對於npn型矽三極體。如上圖所示,我們把從基極b流至發射極e的電流叫做基極電流ib;把從集電極c流至發射極e的電流叫做集電極電流 ic。這兩個電流的方向都是流出發射極的,所以發射極e上就用了乙個箭頭來表示電流的方向。

三極體的放大作用就是:集電極電流受基極電流的控制(假設電源能夠提供給集電極足夠大的電流的話),並且基極電流很小的變化,會引起集電極電流很大的變化,且變化滿足一定的比例關係:集電極電流的變化量是基極電流變化量的β倍,即電流變化被放大了β倍,所以我們把β叫做三極體的放大倍數(β一般遠大於1,例如幾十,幾百)。

如果我們將乙個變化的小訊號加到基極跟發射極之間,這就會引起基極電流ib的變化,ib的變化被放大後,導致了ic很大的變化。如果集電極電流ic是流過乙個電阻r的,那麼根據電壓計算公式u= r*i可以算得,這電阻上電壓就會發生很大的變化。我們將這個電阻上的電壓取出來,就得到了放大後的電壓訊號了。

三極體在實際的放大電路中使用時,還需要加合適的偏置電路。這有幾個原因。首先是由於三極體be結的非線性(相當於乙個二極體),基極電流必須在輸入電壓大到一定程度後才能產生(對於矽管,常取0.

7v)。當基極與發射極之間的電壓小於0.7v時,基極電流就可以認為是0。

但實際中要放大的訊號往往遠比 0.7v要小,如果不加偏置的話,這麼小的訊號就不足以引起基極電流的改變(因為小於0.7v時,基極電流都是0)。

如果我們事先在三極體的基極上加上乙個合適的電流(叫做偏置電流,上圖中那個電阻rb就是用來提供這個電流的,所以它被叫做基極偏置電阻),那麼當乙個小訊號跟這個偏置電流疊加在一起時,小訊號就會導致基極電流的變化,而基極電流的變化,就會被放大並在集電極上輸出。另乙個原因就是輸出訊號範圍的要求,如果沒有加偏置,那麼只有對那些增加的訊號放大,而對減小的訊號無效(因為沒有偏置時集電極電流為0,不能再減小了)。而加上偏置,事先讓集電極有一定的電流,當輸入的基極電流變小時,集電極電流就可以減小;當輸入的基極電流增大時,集電極電流就增大。

這樣減小的訊號和增大的訊號都可以被放大了。

下面說說三極體的飽和情況。像上面那樣的圖,因為受到電阻rc的限制(rc是固定值,那麼最大電流為u/rc,其中u為電源電壓),集電極電流是不能無限增加下去的。當基極電流的增大,不能使集電極電流繼續增大時,三極體就進入了飽和狀態。

一般判斷三極體是否飽和的準則是:ib*β〉ic。 進入飽和狀態之後,三極體的集電極跟發射極之間的電壓將很小,可以理解為乙個開關閉合了。

這樣我們就可以拿三極體來當作開關使用:當基極電流為0時,三極體集電極電流為0(這叫做三極體截止),相當於開關斷開;當基極電流很大,以至於三極體飽和時,相當於開關閉合。如果三極體主要工作在截止和飽和狀態,那麼這樣的三極體我們一般把它叫做開關管。

如果我們在上面這個圖中,將電阻rc換成乙個燈泡,那麼當基極電流為0時,集電極電流為0,燈泡滅。如果基極電流比較大時(大於流過燈泡的電流除以三極體的放大倍數β),三極體就飽和,相當於開關閉合,燈泡就亮了。由於控制電流只需要比燈泡電流的β分之一大一點就行了,所以就可以用乙個小電流來控制乙個大電流的通斷。

如果基極電流從0慢慢增加,那麼燈泡的亮度也會隨著增加(在三極體未飽和之前)。

對於pnp型三極體,分析方法類似,不同的地方就是電流方向跟npn的剛好相反,因此發射極上面那個箭頭方向也反了過來——變成朝里的了。

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