三极管从入门到精通

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摘要

从PN结开始,介绍了三极管电路符号、物理结构和工作原理,介绍了PNP和NPN三极管的区别及在做电子开关时的用法。针对模拟电路的需要,介绍了三极管的I-V特性曲线,以2N5551三极管为例,讲解了数据手册中各参数意义。更进一步的,讲解了三极管的静态工作点、共射、共集、共基放大电路的特点,并在prodeep learningteus上进行了仿真,介绍了三极管的H参数和各放大电路的小信号模型。最后简要介绍了三极管多级放大电路。

2022年5月12日

1 基础

1.1 PN结

首先,半导体器件的基础是PN结,在硅里面掺杂三价元素和五价元素,使其带有空穴,载流子是正电荷,叫做P区。另一边带电子,载流子是负电荷,叫做N区。
如下图:
在这里插入图片描述
在P区和N区之间相邻的地方,因为相互吸引,P区一部分的正电荷跑到N区,中和N区的电子,导致P区剩下了不能移动的负离子。
N区一部分负电荷扩散到P区,中和P区的正电荷,导致N区剩下了不能移动的正离子。这一部分之间载流子都被中和掉了,电阻率很高,叫做耗尽区,或者PN结。
当对PN结外加电压时,当P区电压高于N区,形成的电场方向由P到N,则P区正电荷向N区移动,N区负电荷向P区移动,使得原本失去载流子的耗尽区载流子得到补充,PN结变窄,阻止很小&#xffMyBatisPlus0c;PN结处于导通状态。
如下:
在这里插入图片描述
当P区电压低于N区电压,电场由N指向P,PN结内部,P区正电荷向P外侧移动,N区负电荷向N区外侧移动,最终使得中间PN结变宽,阻值很大,PN结处于不导电状态。
估计变换模型下图:
在这里插入图片描述

1.2 三极管

我们常说的三极管,是双极结型三极管(BipRNNolar Junction Transistor,BJT),场效应三极管(FET)也是三极管,常见的是金属-氧化物-半导体三极管(MOSFET)。
NPN三极管和PNP三极管本质区别就是基极N区还是P区的区别。
三极管电路符号如下
在这里插入图片描述
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分辨NPN还是PNP的技巧:
看三极管中箭头指向,箭头代表着电流方向.
我们都知道PN结电流是P流向N,说明PN结中导通时电压是P高于N,电流由P流向N。如果箭头指向基极,说明电流流向基极,则基极是N,两边是P,三极管就是PNP三极管。相反,如果箭头由基极指向发射极,基极电流是留出的,则基极是P,两边是N,三极管就是NPN三极管。

物理结构如下:
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其中的P和N即上述PN结中的P区和N区。当C接地时,B做控制引脚,NPN型三极管控制脚为高电平时,三极管导通。PNP三极管控制脚为负电压时,三极管导通。
数字电路里面常用三极管做电子开关,就是这个原理,实际三极管做电子开关电路如下:
在这里插入图片描述
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在proteus里面,可以选用2N5401和2N5551小功率硅三极管作为互补管使用。
BJT有三种连接关系:
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三引脚内部电流关系如下:
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从每个引hex下载程序脚流过的电流分别为IC、IE、IB,且IE=IB+IC。
BJT是电流控制元件,有电流放无线收发模块大作用。
共射极连接时,有
IC=β * IB,其中β为共射极直流电流放大系数。
共基极连接时,有
IC=α * IE,其中α为共基极直流电流放大系数。
α和β关系为:β=α/(1-α)

2 三极管模拟电路知识

2.1 I-V特性曲线

共射极连接时,如下图
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三极管I-V特性曲线包括输入特性曲线和输出特性曲线。
输入特性曲线为:
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对于输入端B,有以下特点:
1.当输入端B的电压小于一定阈值时,输入电流为0。当B端电压高过阈装甲板检测值时,随着B端电压升高,输入电流迅速增加。
2.当输入电压固定且大于阈值时,随着输出端C电压升高,输入电流稍微降低。

输出特性曲线为:
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对于输出端,有以下特点:
1.当输入电流IB小于阈值时,即使输出端C电压再大,C端流进三极管的电流也几乎为0,即三极管处于关闭状态,叫做截止区。
2.当输入电流IB大于阈值且一定时,当输出端C电压小于一定阈值时,随C端电压升高,C端电流迅速增加。当C端电压到一定值之后,随着C端电压增加,C端电流基本不再变化,将输出端C电压小于一定阈值、不同电流IB组成的区叫做饱和区,将C端电压增大但电流基本不变的区域叫做放大区。
3.饱和区时,可以任务C端有多少电流都可以完全流进三极管里面,限制电流的是C端电压。放大区时,无论C端电压多高,C端电流都是被IB电流控制。

共基极连接时,
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I-V特性曲线如下:
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此时B端电压为参考电压,输入端E电压低于B,输出端C电压高于B。
对于输入端E,有以下特点:
1.当E端电压低于B的值小于0.4V时,输入端电流IE为0。当E低于B的差值高过0.4V时,随差值的增大,IE增大。
2.当E端电压一定且小于B端电压的差值大于0.4V时,随C端电压增大,IE稍微增大。

对于输出端,有以下特点:
1.当输入电流IE=0时,即使C端电压再高,C端电流也为0.
2.当C端电压为负且超过一定阈值时,即使输入端电流再大,输出端电流也上升不大,称为截止区。
3.当VCB大于阈值时,输出端电流随输入端电流成比例增大,称为放大区。

当三极管工作在不同的状态时,其各PN结的状态如下:
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2.2 极限参数解释

如图,在BJT数据手册上有如下极限参数:
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解释如下
IC:集电极最大允许电流,当IC过大时,β值将下降。当工作电流大于该值时,BJT不一定会烧坏,但放大能力很小。
PC:集电极最大允许耗散功率,PC=IC*VCE,BJT上允许功率较大的地方主要是集电极上,该参数为集电极允许的最大功率,当工作条件高于该功率时,BJT将升温烧坏。
各反向击穿电压:
VEBO:当集电极C开路时,发射极-基极间反向击穿PN结时电压,小功率BJT一般为几伏。
VCBO:当发射极E开路时,集电极-基极间反向击穿PN结的电压,通常为几十伏。
VCEO:当基极B开路时,集电极-发射极间的反向击穿PN结的电压,通常为几十伏。

BJT正常工作条件主要要求:
1.C极功率小于PC
2.VCE小于小于VCEO
3.基极-发射极反向电压小于VEBO

2.3 基本共射极放大电路

在这里插入图片描述
如上图所示,大写代表直流,小写代表交流信号。vs是输入小信号,vce是输出信号。
当VS=0时,三极管工作在直流静态状态Q,此时的电流记为IBQ、ICQ,电压记为VBEQ、VCEQ,该状态对应着输入特性曲线和输出特性曲线上一个固定的点,称为三极管的静态工作点。
求静态工作点:
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当VS变化时,比如其是正弦交流信号,按以下原则分析电路中的通路:
1.对于一定频率内的交流信号,容量较大的电容视为短路。
2.对于交流信号,内阻很小能提供很大电流的电压源视为短路,内阻很大的电流源视为开路。

则基本共射极放大电路的交流通路如下:
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当输入信号vs变化时,三极管电流ib会变化,导致ic、vce变化,三极管在特性曲线上的点相对于静态工作点Q发生移动。
因此对于放大电路,需要选取合适的静态工作点Q,使得在vs作用下,三极管相对于Q移动后的工作范围区始终处于放大区。

上面是解析法求静态工作点,还可以使用图解法求Eolink静态工作点。
在这里插入图片描述
在输入回路上,有方程:VBE=VBB-IB * RB,将其画在输入特性曲线上,与曲线的交点即为静态工作点。
在输出回路上,有方程:VCE=VCC-IC * RC,将其花在输出特性曲线上,与曲线IB=IBQ的交点即为静态工作点。

当加上交流输入信号vs后,交流动态工作点如下图:
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
由图可见,共射极放大电路输出相位相反。
如果静态工作点选择不当,使Q’落入了饱和区造成的失真叫作饱和失真,使Q’'落入截止区造成的失真叫作截止失真。

2.4 小信号模型

BJT是一个非线性器件,高频特性和低频特性存在很大差异。
当输入信号为低频信号时,可以把BJ配置文件T静态工作点小范围附近的I-V特性曲线当作直线,就可以用线性化的小信号模型来代替BJT进行电路分析。
对于电路网络,一般只关心输入端口和输出端口,即二端口网络,模型如下:
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可以通过vi、vo、i1、i2来研究该网络特性。
在这四个变量中,选两个为自变量,如果存在函数关系,使得另外两个变量可以由自变量精准描述,则该网络就被确定了。
将BJT看作一个黑盒,三个引脚组gwt成二端口网络。经过人们研究,最终找到了H参数来描述BJT共射极电路小信号模型,如下:
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图中的菱形符号分别表示受控电流源和受控电压源

则有函数关系:
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hie是交流信号输入电阻,单位为欧姆。
hfe是交流状态下电流放大系数。
hre是交流状态下反向电压传输比,反映了输出电压对BJT输入端电压的反作用程度。
hoe是交流状态下BJT的输出电导率,反应输出电压xmlvce对电流ic的影响程度。

只需要确定一个三极管的H参数,就可以精准描述该三极管交流状态下的特性。但不能用小信号模型求三极管静态工作点。

一般的BJT在共射极连接时,其H参数大小范围大致如下,可以忽略部分参数对小信号模型进行简化:
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使用简化模型,可以使用β估算rbe,
在这里插入图片描述
我们只需要β一个参数即可。式中rbb’是输入三极管B端的电阻。
在实际的BJT数据手册中,我们能找到的参数一般只有hfe,
如下:
在这里插入图片描述

并且我们前面说到,当C极负载电流过大时,其放大系数会降得很低,在数据手册中可以看到下图:
在这里插入图片描述
并且C极电流还会影响BJT传输频率,如下图:
在这里插入图片描述
我们一般信号不高于50MHZ,可以忽略该影响。

2.5 用小信号模型分析基本共射极放大电路

如下题:
在这里插入图片描述
图 小信号模型分析基本共射极放大电路

3 三极管实际模拟电路应用图

3.1 共射极放大电路

3.1.1 基本共射极放大电路

如下图所示电路:
在这里插入图片描述
图中电路设计的静态工作点IBQ=50uA,ICQ=β * 50uA=5mA,VBEQ=0.7V,VCEQ=5V-1K *单元测试 5mA=0V,三极管输出特性曲线如下:
在这里插入图片描述
图中红色圆点近似为静态工作点.
可见工作点离饱和区很近,很容易产生饱和失真,根据slowfast仿真结果,确实在输入信号正半周发生了失真,为饱和失真。
因此,可以选择增大VCEQ,即降低电阻R8,如下:
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此时VCEQ=5V-100 * 5mA=4.5V,失真情况明显改善,但是放大倍数有所降低,此时输入信号幅值20mV。输出信号幅值0.7V,放大倍数35,比之前小了很多。
此即为基本共射极放大电路的实际应用电路,我们可以通过proteus对相应电路进游戏引擎行仿真,这样方便我们查找电路问题。

3.1.2 基极分压式射极偏置电路

在实际应用中,由于温度升高、电源噪声会带来BJT静态工作点移动的问题,而基本共射极放大电路不能解决。下面的电路可以有效解决该问题。
在这里插入图片描述
选择RB1和RB2,使I1>>IB,I1约等于I2,此时VBQ为定值,与环境温度无关。
偏置电阻的选取要求:使VBQ约为1/3的VCC,I1=(5~10)IBQ,令RB=RB1//RB2,RE * (1+β)=10 * RB。

求静态工作点Q:
VBQ=RB2/(RB1+RB2) * VCC,ICQ=IEQ=(VBQ-0.7V)/RE,IBQ=ICQ/β,VCEQ=VCC-ICQ * (RC+RE)。

在交流信号下,小信号等效模型为:
在这里插入图片描述
由于电阻RE会降低电路的电压增益,因此可以在RE旁边并联大电容,叫作射极旁路电容,
此时电压增益为:AV=-β * R’L/rbe。

仿真电路图如下:
在这里插入图片描述
此时BJT的静态工作点:VBQ=1.6V,IBQ=50uA,ICQ=7.5mA,VCEQ=4V。
此电路电压增益约为5倍,输入电阻600R,输出电阻30R。但若不加旁路电容C5,或C5电容太小,则电压增益会迅速下降。
在这里插入图片描述
通过减小VCEQ和增大输出电阻的代价,可以提高电路增益。如上图&#声音可视化xff0c;电路增益约为20,VCEQ=3V,输出电阻150R左右。
可见,用单个BJT做的放大电路增益一般有限,几十上百左右。而放大器做放大电路,增益轻轻松松可达上百。但是BJT是基础,掌握BJT放大电路是电子工程师的基本技能。

3.2 共集电极放大电路(射极输出器)

电路如下&#全部分类xff1a;
在这里插入图片描述
其小信号模型如下:
在这里插入图片描述
特点是电压增益接近1,同相,无电压放大作用,但有电流放大作用。输入电阻高,输出电阻小。可用作多极放大电路的输入级或输出极java stream,或在各极之间做缓冲极,隔离各极之间的影响。

3.3 共基极放大电路

在这里插入图片描述
该电路图直流通路整体与基极分压式射极偏置电路一样,因此其静态工作点硬件工程求法一样。
其小信号模型为:
在这里插入图片描述
电压增益为:
在这里插入图片描述
该电路具有同向电压放大作用,输入电阻小(当输入信号来自于电流源时是优点),输出电阻近似等于RC。高频和宽频带特性好。高频时应选用小容值耦合电容。

在这里插入图片描述
此时频率为500HZ,随着频率的提高,其放大倍数会提高。当10KHZ时,如下:
在这里插入图片描述
可见增益已经从4变成了25。

3.4 各类型电路总结

在这里插入图片描述

3.5 多级放大电路

多级放大前一级的输出是后一级的输入,整个电路放大增益等于各级放大增益相乘,输入电阻等于第一级放大电路的输入电阻,输出电阻等于最后一级电路的输出电阻。

3.5.1 共射-共基放大电路:

电路图如下:
在这里插入图片描述
共射-共基放大电路的鍓嶇电压增益与单个共射极放大电路的电压增益相近,但是其高频特性更好,具有较高的频宽。

3.5.2 共集-共集放大电路

在这里插入图片描述
多个BJT按共集-共集方式连接起来,其整个的电压增益更接近于1,电流增益更大,可以看作是一个性能更好的BJT,因此又叫复合管。

3.5.3 共源-共基放大电路

将BJT和MOS连接起来,如下图:
在这里插入图片描述
特点是输入电阻高,高频特性好,频带宽。

4 最后

总结不易,有问题欢迎一起交流学习!
2022年5月12日

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