解析三極管的基本放大電路設計

三極管是電流放大器件，有三個(gè)極，分別叫做集電極C，基極B，發(fā)射極E。分成NPN和PNP兩種。我們僅以NPN三極管的共發(fā)射極放大電路為例來(lái)說(shuō)明一下三極管放大電路的基本原理。

下面的分析僅對于NPN型硅三極管。如上圖所示，我們把從基極B流至發(fā)射極E的電流叫做基極電流Ib；把從集電極C流至發(fā)射極E的電流叫做集電極電流Ic。這兩個(gè)電流的方向都是流出發(fā)射極的，所以發(fā)射極E上就用了一個(gè)箭頭來(lái)表示電流的方向。三極管的放大作用就是：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(huà))，并且基極電流很小的變化，會(huì )引起集電極電流很大的變化，且變化滿(mǎn)足一定的比例關(guān)系：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叫做三極管的放大倍數(β一般遠大于1，例如幾十，幾百)。如果我們將一個(gè)變化的小信號加到基極跟發(fā)射極之間，這就會(huì )引起基極電流Ib的變化，Ib的變化被放大后，導致了Ic很大的變化。如果集電極電流Ic是流過(guò)一個(gè)電阻R的，那么根據電壓計算公式U=R*I 可以算得，這電阻上電壓就會(huì )發(fā)生很大的變化。我們將這個(gè)電阻上的電壓取出來(lái)，就得到了放大后的電壓信號了。

三極管在實(shí)際的放大電路中使用時(shí)，還需要加合適的偏置電路。這有幾個(gè)原因。首先是由于三極管BE結的非線(xiàn)性(相當于一個(gè)二極管)，基極電流必須在輸入電壓大到一定程度后才能產(chǎn)生(對于硅管，常取0.7V)。當基極與發(fā)射極之間的電壓小于0.7V時(shí)，基極電流就可以認為是0。但實(shí)際中要放大的信號往往遠比 0.7V要小，如果不加偏置的話(huà)，這么小的信號就不足以引起基極電流的改變(因為小于0.7V時(shí)，基極電流都是0)。如果我們事先在三極管的基極上加上一個(gè)合適的電流(叫做偏置電流，上圖中那個(gè)電阻Rb就是用來(lái)提供這個(gè)電流的，所以它被叫做基極偏置電阻)，那么當一個(gè)小信號跟這個(gè)偏置電流疊加在一起時(shí)，小信號就會(huì )導致基極電流的變化，而基極電流的變化，就會(huì )被放大并在集電極上輸出。另一個(gè)原因就是輸出信號范圍的要求，如果沒(méi)有加偏置，那么只有對那些增加的信號放大，而對減小的信號無(wú)效(因為沒(méi)有偏置時(shí)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(shí)，集電極電流就可以減??；當輸入的基極電流增大時(shí)，集電極電流就增大。這樣減小的信號和增大的信號都可以被放大了。

下面說(shuō)說(shuō)三極管的飽和情況。像上面那樣的圖，因為受到電阻Rc的限制(Rc是固定值，那么最大電流為U/Rc，其中U為電源電壓)，集電極電流是不能無(wú)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(shí)，三極管就進(jìn)入了飽和狀態(tài)。一般判斷三極管是否飽和的準則是：Ib*β〉Ic。進(jìn)入飽和狀態(tài)之后，三極管的集電極跟發(fā)射極之間的電壓將很小，可以理解為一個(gè)開(kāi)關(guān)閉合了。這樣我們就可以拿三極管來(lái)當作開(kāi)關(guān)使用：當基極電流為0時(shí)，三極管集電極電流為 0(這叫做三極管截止)，相當于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)；當基極電流很大，以至于三極管飽和時(shí)，相當于開(kāi)關(guān)閉合。如果三極管主要工作在截止和飽和狀態(tài)，那么這樣的三極管我們一般把它叫做開(kāi)關(guān)管。

如果我們在上面這個(gè)圖中，將電阻Rc換成一個(gè)燈泡，那么當基極電流為0時(shí)，集電極電流為0，燈泡滅。如果基極電流比較大時(shí)(大于流過(guò)燈泡的電流除以三極管的放大倍數β)，三極管就飽和，相當于開(kāi)關(guān)閉合，燈泡就亮了。由于控制電流只需要比燈泡電流的β分之一大一點(diǎn)就行了，所以就可以用一個(gè)小電流來(lái)控制一個(gè)大電流的通斷。如果基極電流從0慢慢增加，那么燈泡的亮度也會(huì )隨著(zhù)增加(在三極管未飽和之前)。

但是在實(shí)際使用中要注意，在開(kāi)關(guān)電路中，飽和狀態(tài)若在深度飽和時(shí)會(huì )影響其開(kāi)關(guān)速度，飽和電路在基極電流乘放大倍數等于或稍大于集電極電流時(shí)是淺度飽和，遠大于集電極電流時(shí)是深度飽和。因此我們只需要控制其工作在淺度飽和工作狀態(tài)就可以提高其轉換速度。

對于PNP型三極管，分析方法類(lèi)似，不同的地方就是電流方向跟NPN的剛好相反，因此發(fā)射極上面那個(gè)箭頭方向也反了過(guò)來(lái)——變成朝里的了。