三极管及其放大电路详解
三极管及其放大电路详解
三极管（BJT）是电子工程中一种重要的半导体器件，广泛应用于信号放大、开关控制等领域。本文将详细介绍三极管的结构、工作原理及其在共射极放大电路中的应用，帮助读者深入理解这一基础而关键的电子元件。
一、BJT（三极管）
1、BJT的结构简介
（1）半导体三极管（Bipolar Junction Transistor: BJT）是指通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件。
（2）两种类型BJT的结构示意图如下所示。BJT结构上的特点是基区很薄、掺杂浓度很低，发射区比集电区的掺杂浓度高，集电区的面积比发射区大。
（3）两种类型BJT的电路符号：
2、放大状态下BJT的工作原理
（1）根据发射结和集电结所受的偏压不同，BJT有四种工作状态：
工作状态 发射结偏压 集电结偏压
饱和 正偏 正偏
放大 正偏 反偏
倒置 反偏 正偏
截止 反偏 反偏
（2）以NPN管为例，说明放大状态下BJT中载流子的传输过程（对于PNP管，仅仅是两者偏压的极性、电流的方向相反，其余内容基本一样）：
①发射区向基区扩散载流子，形成发射极电流
。
②载流子在基区扩散与复合，形成复合电流
。
③集电区收集载流子，形成集电极电流
。
（3）BJT的电流分配关系：
（4）BJT有三个电极，在放大电路中可有三种连接方式——共基极、共发射极（简称共射极）和共集电极，即分别把基极、发射极、集电极作为输入和输出端口的共同端。
（5）BJT管的放大作用举例：
（6）综上所述，三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。实现这一传输过程的两个条件是：
①内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。
②外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。
3、BJT的伏安特性曲线（以共射极放大电路为例）
（1）输入特性曲线：
（2）输出特性曲线：
4、BJT的主要参数
（1）电流放大系数：
（2）极间反向电流：
①集电极基极间反向饱和电流
：发射极开路时，集电结的反向饱和电流。
②集电极发射极间的反向饱和电流
：
。
（3）极限参数：
①反向击穿电压：
[1]
：发射极开路时的集电结反向击穿电压。
[2]
：基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。
[3]
：集电极开路时发射结的反向击穿电压。
②集电极最大允许电流——
。
③集电极最大允许功率损耗——
。
5、温度对BJT参数及特性的影响
（1）温度对BJT参数的影响：
①温度对
的影响：温度每升高10℃，
约增加一倍。
②温度对
的影响：温度每升高1℃，
值约增大0.5%~1%。
（2）温度对BJT特性曲线的影响：
①对输入特性的影响：温度升高时，BJT共射极连接的输入特性曲线将向左移动，温度每升高1℃，
减小2mv~2.5mV。
②对输出特性的影响：温度升高时，BJT的
、
、
都增大，结果导致BJT的输出特性曲线向上移动，而且各条曲线间的距离加大。
二、基本共射极放大电路
1、基本共射极放大电路的组成
下图是基本共射极放大电路的原理图，其中BJT是核心元件，起放大作用。
直流电源
通过电阻
给BJT的发射结提供正偏电压，并产生基极直流电流
（常称为偏流，而提供偏流的电路称为偏置电路）。直流电源
通过电阻
，并与
和
配合，给集电结提供反偏电压，使BJT工作于放大状态。电阻
的另一个作用是将集电极电流的变化转换为电压的变化，再送到放大电路的输出端。
是待放大的时变输入信号，加在基极与发射极间的输入回路中，输出信号从集电极-发射极间取出（
），发射极是输入回路与输出回路的共同端（称为“地”），所以称为共发射极放大电路。
2、基本共射极放大电路的工作原理
（1）静态（直流工作状态）：
输入信号
时，放大电路的工作状态称为静态或直流工作状态，此时电路中的电压、电流都是直流量。
静态时，BJT各电极的直流电流及各电极间的直流电压分别用
、
、
、
表示，这些电流、电压的数值可用BJT特性曲线上的一个确定的点表示，该点习惯上称为静态工作点Q，因此常将上述四个电量写成
、
、
、
。
在放大电路中设置静态工作点是必不可少的，因为放大电路的作用是将微弱的输入信号进行不失真地放大，为此电路中的BJT必须始终工作在放大区域。如果没有直流电压和电流，如设
，当输入电压
的幅值小于发射结的门坎电压
时，则在输入信号的整个周期内BJT始终是截止的，因而输出电压没有变化量，即使输入电压幅值足够大，BJT也只能在输入信号正半周大于
的时间内导通，这必然使输出电压出现严重失真，所以必须要给放大电路设置合适的静态工作点。
静态工作点可以由放大电路的直流通路（直流电流流通的路径）用近似计算法求得，具体步骤如下：
①令输入信号
，画出放大电路的直流通路（电感视为短路，电容视为断路），标出各支路电流。
②使用基尔霍夫定律，由基级-发射极回路求
。（
常被认为是已知量，硅管约为0.60.7V，锗管约为0.20.3V）
③由BJT的电流分配关系求得
④由集电极-发射极回路求
。
（2）动态：
输入正弦信号
后，电路将处在动态工作情况，此时BJT各极电流及电压都将在静态值的基础上随输入信号作相应的变化。
基极-发射极间的电压
，
是
在发射结上产生的交流电压。当
的幅值小于
，且使发射结上所加正向电压仍然大于
时，
随
的变化必然导致受其控制的基极电流
、集电极电流
产生相应变化，即
、
，其中
是交流电流。与此同时，集电极-发射极间的电压
也将发生变化，
。
需要说明的是，在
的正半周，
、
、
都将在静态值的基础上增加，电阻
上的电压降也在增加，因此，电压
在静态
的基础上将减小，而在
的负半周情况则相反，于是
和
是反相的。
将
用适当方式取出来，作为该放大电路的输出电压。只要选择合适的电路参数，就可以使输出电压的幅度比输入电压的幅度大得多，实现电压放大作用。
如果只分析放大电路的交流参数，一般要画出交流通路（交流电流流通的路径）。画交流通路的原则是：
①对交流信号，电路中内阻很小的直流电压源可视为短路，内阻很大的电流源或恒流源可视为开路。
②对一定频率范围内的交流信号，容量较大的电容可视为短路。
（3）只要在电路中设置合适的静态工作点，并在输入回路加上一个能量较小的信号，利用发射结正向电压对各极电流的控制作用，就能将直流电源提供的能量，按输入信号的变化规律转换为所需要的形式供给负载。因此，放大作用实质上是放大器件的控制作用，放大器是一种能量控制部件。
3、放大电路静态工作点的稳定问题
（1）温度对静态工作点的影响：
（2）基极分压式射极偏置电路：
①基极分压式射极偏置电路的完整电路图如下所示。
②基极分压式射极偏置电路稳定工作点的原理：
③Q点的估算：
三、放大电路模型及主要性能指标
1、放大器的符号
（1）如下图所示，A所标识的器件即放大器的符号。
（2）下图虚线框内的是放大器的简化表示方法。
2、放大器的主要性能指标
（1）输入电阻：
（2）输出电阻：
（3）增益：反映放大电路在输入信号控制下，将供电电源能量转换为输出信号能量的能力。（计算增益时，所使用的电流量和电压量均有正负之分，这也意味着增益的值可能为负，但是增益为负仅代表输入输出的方向不同，而增益的大小仅取决于增益的绝对值）
3、两个放大电路模型
（1）电压放大模型：
（2）电流放大模型：