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      三極管的工作原理(詳細、通俗易懂、圖文并茂)

      作者:佚名    文章來源:本站原創    點擊數:    更新時間:2017-6-6

      一、很多初學者都會認為三極管是兩個 PN 結的簡單湊合(如圖1)。這種想法是錯誤的,兩個二極管的組合不能形成一個三極管。我們以 NPN 型三極管為例(見圖 2 ),兩個 PN 結共用了一個 P 區 —— 基區,基區做得極薄,只有幾微米到幾十微米,正是靠著它把兩個 PN 結有機地結合成一個不可分割的整體,它們之間存在著相互聯系和相互影響,使三極管完全不同于兩個單獨的 PN 結的特性。三極管在外加電壓的作用下,形成基極電流、集電極電流和發射極電流,成為電流放大器件。

       

      三極管的工作原理(詳細、通俗易懂、圖文并茂)

       

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          二、三極管的電流放大作用與其物理結構有關,三極管內部進行的物理過程是十分復雜的,初學者暫時不必去深入探討。從應用的角度來講,可以把三極管看作是一個電流分配器。一個三極管制成后,它的三個電流之間的比例關系就大體上確定了(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,其中 β 值大家比較熟悉,都管它叫電流放大系數。三個電流中,有一個電流發生變化,另外兩個電流也會隨著按比例地變化。例如,基極電流的變化量 ΔI b = 10 μA , β = 50 ,根據 ΔI c = βΔI b 的關系式,集電極電流的變化量 ΔI c = 50×10 = 500μA ,實現了電流放大。
           
          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、細兩根水管,粗的管子內裝有閘門,這個閘門是由細的管子中的水量控制著它的開啟程度。如果細管子中沒有水流,粗管子中的閘門就會關閉。注入細管子中的水量越大,閘門就開得越大,相應地流過粗管子的水就越多,這就體現出“以小控制大,以弱控制強”的道理。由圖可見,細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 和發射極 e 就對應著圖 4 中的細管、粗管和粗細交匯的管子。電路見圖 5 ,若給三極管外加一定的電壓,就會產生電流 I b 、 I c 和 I e 。調節電位器 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換作用。

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      四、如圖5,假設三極管的β=100,RP=200K,此時的Ib=6v/(200k+100k)=0.02mA,Ic=βI b=2mA
      當RP=0時,Ib=6v/100k=0.06mA,Ic=βI b=2mA。以上兩種狀態都符合Ic=βI b,我們說,三極管處于"放大區"。假設RP=0,Rb=1k,此時,Ib=6v/1k=6mA按Ic=βI b計算,Ic應等于600mA,而實際上,由于圖中300歐姆限流電阻(Rc)的存在,實際上Ic=(6v/300)≈20mA,此時,Ic≠βI b,而且,Ic不再受Ib控制,即處于"飽和區",當RP和Rb大到一定程度,使Ube<死區電壓(硅管約0.5V,鍺管約0.3)此時be結處于不導通狀態,Ib=0,則Ic=0,處于"截止區"。

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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,三極管接成共發射極放大電路(圖 6 )時,從管子的集電極 c 到發射極 e 總會產生一有害的漏電流,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 跟溫度有密切的關系,溫度升高, I ceo 急劇變大,破壞了放大電路工作的穩定性。所以,選擇三極管時,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,一般只有零點幾微安到幾微安。 I ceo 雖然不大,卻與溫度有著密切的關系,它們遵循著所謂的“加倍規則”,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, 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。測量 I ceo 的電路很簡單(圖 7 ),三極管的基極開路,在集電極與發射極之間接入電源 V CC ( 6V ),串聯在電路中的電流表(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、嚴格地說,三極管的 β 值不是一個不變的常數。在實際使用中,調整三極管的集電極電流 I , β 值會隨著發生變化(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, β 值都比較小,在 1mA 以上相當寬的范圍內,小功率管的 β 值都比較大,所以,同學們在調試放大電路時,要確定合適的工作電流 I c ,以獲得最佳放大狀態。另外, β 值也和三極管的其它參數一樣,跟溫度有密切的關系。溫度升高, β 值相應變大。一般溫度每升高 1℃ , β 值增加 0.5 %~ 1 %。

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              八、三極管有一個極限參數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,所以人們常常誤認為超過了 I CM 值,由于過熱會把管子燒壞。實際上,規定 I CM 值是為避免集電極電流太大時引起 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 β 值還與電路的工作頻率有關。在一定的頻率范圍內,可以認為 β 值是不隨頻率變化的(圖 9 ),可是當頻率升高到超過某一數值后, β 值就會明顯下降。為了保證三極管在高頻時仍然具有足夠的放大能力,人們規定:當頻率升高到使 β 值下降到低頻( 1000Hz )值 β 0 的 0.707 倍時,所對應的頻率稱為 β 截止頻率,用 f β 表示。 f β 就是三極管接成共發射極電路時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射極放大電路時測定的。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 α ( α = I c / I e )值下降到低頻( 1000Hz )值 α o 的 0.707 倍時,所對應的頻率稱為 α 截止頻率,用 f α 表示(圖 10 )。 f α 反映了三極管共基極運用時的頻率限制。在三極管產品系列中,常根據 f α 的大小劃分低頻管和高頻管。國家規定, f α < 3MHz 的為低頻管, f α > 3MHz 的為高頻管。

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      當頻率高于 f β 值后,繼續升高頻率, β 值將隨之下降,直到 β = 1 ,三極管就失去了放大能力。為此,人們規定:在高頻條件下, β = 1 時所對應的頻率,稱為特征頻率,用 f T 表示。 f T 常作為標志三極管頻率特性好壞的重要參數。在選擇三極管時,應使管子的特征頻率 f T 比實際工作頻率高出 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。理論分析和實驗都可以證明,同一只三極管的 f β 值遠比 f α 值要小,它們之間的關系為
      f β =( 1 - α ) f α
           這就說明了共發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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