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proteus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，PN结处于导通状态。
如下：

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。
如下图：

1.2 三极管

我们常说的三极管，是双极结型三极管（Bipolar 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


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：

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：

三引脚内部电流关系如下：

从每个引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

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：

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：

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，

I-V特性曲线如下：

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：

2.2 极限参数解释

如图，在BJT数据手册上有如下极限参数：

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

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：

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：

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静态工作点。

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：


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BJT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：

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：

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：

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vce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：

使用简化模型，可以使用β估算rbe，

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：

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：

并且C极电流还会影响BJT传输频率，如下图：

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：

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：

图中电路设计的静态工作点IBQ=50uA，ICQ=β * 50uA=5mA，VBEQ=0.7V，VCEQ=5V-1K * 5mA=0V，三极管输出特性曲线如下：

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：

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。

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：

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：

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。

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，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：

其小信号模型如下：

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，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

该电路图直流通路整体与基极分压式射极偏置电路一样，因此其静态工作点求法一样。
其小信号模型为：

电压增益为：

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。

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：

可见增益已经从4变成了25。

3.4 各类型电路总结

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：

共射-共基放大电路的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

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：

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