電路設(shè)計(jì)之三極管的應(yīng)用

一、三極管

半導(dǎo)體三極管又稱“晶體三極管”或“晶體管”。在半導(dǎo)體鍺或硅的單晶上制備兩個(gè)能相互影響的PN結(jié)，組成一個(gè)PNP(或NPN)結(jié)構(gòu)。中間的N區(qū)(或P區(qū))叫基區(qū)，兩邊的區(qū)域叫發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，這三部分各有一條電極引線，分別叫基極B、發(fā)射極E和集電極C，是能起放大、振蕩或開關(guān)等作用的半導(dǎo)體電子器件。

注：以上兩個(gè)兩極管背靠背接起來時(shí)，僅僅起示意作用，否則如何來的三極管的放大功能呢。也就是說，三極管與背靠背接起來的兩個(gè)兩極管不一樣!

二、三極管的作用分析

1、開關(guān)作用

注：所有的三極管均能起開關(guān)作用，控制一段回路的斷開與閉合。三極管工作在開關(guān)狀態(tài)時(shí)，一定是在飽和和截至區(qū)之間轉(zhuǎn)換，不會(huì)在放大區(qū)。

分析：從NPN三極管管等效示意圖可知，BE之間就是一個(gè)二極管，以硅二極管導(dǎo)通電壓0.7V為例，只要VB>0.7V即可使BE間導(dǎo)通。

即當(dāng)MCU輸出高電平時(shí)，三極管處于飽和狀態(tài)，此時(shí)發(fā)射結(jié)與集電結(jié)均為正偏置，此時(shí)CE間電壓很小，比PN結(jié)的導(dǎo)通電壓還要低(硅管在0.5伏以下，標(biāo)準(zhǔn)為0.2伏)，CE間相當(dāng)“短路”，即呈“開”的狀態(tài)。

當(dāng)MCU輸出低電平時(shí)，三極管在截止?fàn)顟B(tài)，發(fā)射結(jié)與集電結(jié)均為反偏置，此時(shí)CE極間的電流極小(硅管基本量不到)，相當(dāng)于“斷開”，呈現(xiàn)“關(guān)的狀態(tài)”。

注：其中R2的作用起下拉作用，給予B端一個(gè)固定的電平，默認(rèn)使三極管處于斷開狀態(tài)。

三極管開關(guān)電路的特點(diǎn)：

① 開關(guān)速度極快，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比機(jī)械開關(guān)快;

② 沒有機(jī)械接點(diǎn)，不產(chǎn)生電火花;

③ 開關(guān)的控制靈敏，對(duì)控制信號(hào)的要求低;

④ 導(dǎo)通時(shí)開關(guān)的電壓降比機(jī)械開關(guān)大，關(guān)斷時(shí)開關(guān)的漏電流比機(jī)械開關(guān)大;

⑤ 不宜直接用于高電壓、強(qiáng)電流的控制

2、放大作用

放大電路的功能是利用三極管的電流控制作用，或場(chǎng)效應(yīng)管電壓控制作用，把微弱的電信號(hào)(簡(jiǎn)稱信號(hào)，指變化的電壓、電流、功率)不失真地放大到所需的數(shù)值，實(shí)現(xiàn)將直流電源的能量部分地轉(zhuǎn)化為按輸入信號(hào)規(guī)律變化且有較大能量的輸出信號(hào)。

放大電路的實(shí)質(zhì)，是一種用較小的能量去控制較大能量轉(zhuǎn)換的能量轉(zhuǎn)換裝置。

放大電路組成的原則：

① 必須有直流電源，而且電源的設(shè)置應(yīng)保證三極管或場(chǎng)效應(yīng)管工作在線性放大狀態(tài);

② 元件的安排要保證信號(hào)的傳輸，即保證信號(hào)能夠從放大電路的輸入端輸入，經(jīng)過放大電路放大后從輸出端輸出;

③ 元件參數(shù)的選擇要保證信號(hào)能不失真地放大，并滿足放大電路的性能指標(biāo)要求。

注：要使三極管能夠正常放大信號(hào)，發(fā)射結(jié)應(yīng)加正向電壓，集電結(jié)應(yīng)加反向電壓。

在此僅以NPN三極管的共發(fā)射極放大電路為例來說明一下三極管放大電路的基本原理。在實(shí)際放大電路中，除了共發(fā)射極聯(lián)接方式外，還有共集電極和共基極聯(lián)接方式。

共發(fā)射極接法 共基極接法 共集電極接法

① 三極管其射極放大電路

共發(fā)射極基本放大電路

② 各元件作用

(1) 三極管V：實(shí)現(xiàn)電流放大。

(2) 集電極直流電源UCC：確保三極管工作在放大狀態(tài)。

(3) 集電極負(fù)載電阻RC ：將三極管集電極電流變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓詫?shí)現(xiàn)電壓放大。

(4) 基極偏置電阻RB ：為放大電路提供靜態(tài)工作點(diǎn)。

(5) 耦合電容C1和C2 ：隔直流通交流。

③ 工作原理

(1) ui直接加在三極管V的基極和發(fā)射極之間，引起基極電流iB作相應(yīng)的變化 。

(2) 通過V的電流放大作用，V的集電極電流iC也將變化 。

(3) iC的變化引起V的集電極和發(fā)射極之間的電壓uCE變化。

(4) uCE中的交流分量uce經(jīng)過C2暢通地傳送給負(fù)載RL，成為輸出交流電壓uo,，實(shí)現(xiàn)了電壓放大作用。

④ 靜態(tài)分析

靜態(tài)分析就是要找出一個(gè)合適的靜態(tài)工作點(diǎn),通常由放大電路的直流通路來確定。如圖7.2所示。

​共發(fā)射極放大電路的直流通路和靜態(tài)工作點(diǎn)

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