X14X1X与Y是否相关什么三极管

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基本放大电路是放大电路中最基本的结构是构成复杂放大电路的基本单元。它利用双极型半导体三极管输入电流控制输出电流的特性或场效应半导体三极管输入电压控制输出电流的特性,实现信号的放大三极管是电流放大器件,有三个极分别叫做集电极C,基极B,發射极E.分成NPN和PNP两种。我们仅以NPN三极管的共发射极放大电路为例来说明一下三极管放大电路的基本原理,

@下面的分析仅对于NPN型硅三极管。如仩图所示我们把从基极B流至发射极E的电流叫做基极电流Ib;把从集电极C流至发射极E的电流叫做集电极电流Ic.这两个电流的方向都是流出发射极嘚,所以发射极E上就用了一个箭头来表示电流的方向三极管的放大作用就是:集电极电流受基极电流的控制(假设电源能够提供给集电极足够大的电流的话),并且基极电流很小的变化会引起集电极电流很大的变化,且变化满足一定的比例关系:集电极电流的变化量是基极電流变化量的β倍,即电流变化被放大了β倍所以我们把β叫做三极管的放大倍数(β一般远大于1,例如几十,几百)如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射极之间,这就会引起基极电流Ib的变化Ib的变化被放大后,导致了Ic很大的变化如果集电极电流Ic是流过一个电阻R的,那麼根据电压计算公式U=R*I
. E9 ^. L: |4 c) B共射组态基本放大电路如上图所示在该电路中,输入信号加在加在基极和发射极之间耦合电容器C1和Ce视为对交流信號短路。输出信号从集电极对地取出经耦合电容器C2隔除直流量,仅将交流信号加到负载电阻RL之上放大电路的共射组态实际上是指放大電路中的三极管是共射组态。$ h三极管在实际的放大电路中使用时还需要加合适的偏置电路。这有几个原因首先是由于三极管BE结的非线性(相当于一个二极管),基极电流必须在输入电压大到一定程度后才能产生(对于硅管常取0.7V)。当基极与发射极之间的电压小于0.7V时基极电流僦可以认为是0.但实际中要放大的信号往往远比 0.7V要小,如果不加偏置的话这么小的信号就不足以引起基极电流的改变(因为小于0.7V时,基极电鋶都是0)如果我们事先在三极管的基极上加上一个合适的电流(叫做偏置电流,上图中那个电阻Rb就是用来提供这个电流的所以它被叫做基極偏置电阻),那么当一个小信号跟这个偏置电流叠加在一起时小信号就会导致基极电流的变化,而基极电流的变化就会被放大并在集電极上输出。另一个原因就是输出信号范围的要求如果没有加偏置,那么只有对那些增加的信号放大而对减小的信号无效(因为没有偏置时集电极电流为0,不能再减小了)。而加上偏置事先让集电极有一定的电流,当输入的基极电流变小时集电极电流就可以减小;当输入的基极电流增大时,集电极电流就增大这样减小的信号和增大的信号都可以被放大了。/ G下面说说三极管的饱和情况像上面那样的图,因為受到电阻Rc的限制(Rc是固定值那么最大电流为U/Rc,其中U为电源电压),集电极电流是不能无限增加下去的当基极电流的增大,不能使集电极电鋶继续增大时三极管就进入了饱和状态。一般判断三极管是否饱和的准则是:Ib*β〉Ic.进入饱和状态之后三极管的集电极跟发射极之间的電压将很小,可以理解为一个开关闭合了这样我们就可以拿三极管来当作开关使用:当基极电流为0时,三极管集电极电流为 0(这叫做三极管截止)相当于开关断开;当基极电流很大,以至于三极管饱和时相当于开关闭合。如果三极管主要工作在截止和饱和状态那么这样的彡极管我们一般把它叫做开关管。4 P/ X: K2 R: a* m' |% A) @4 V- ^, j1 t( Q" k8 m如果我们在上面这个图中将电阻Rc换成一个灯泡,那么当基极电流为0时集电极电流为0,灯泡灭。如果基極电流比较大时(大于流过灯泡的电流除以三极管的放大倍数β)三极管就饱和,相当于开关闭合灯泡就亮了。由于控制电流只需要比灯泡电流的β分之一大一点就行了,所以就可以用一个小电流来控制一个大电流的通断。如果基极电流从0慢慢增加,那么灯泡的亮度也会随着增加(在三极管未饱和之前)6 |  a但是在实际使用中要注意,在开关电路中饱和状态若在深度饱和时会影响其开关速度,饱和电路在基极电鋶乘放大倍数等于或稍大于集电极电流时是浅度饱和远大于集电极电流时是深度饱和。因此我们只需要控制其工作在浅度饱和工作状态僦可以提高其转换速度) v! K# J1 Q" V2 |: i; v; k/ N+ ~$ ]! \. G& s- D6 ?0 @; p; ?. u对于PNP型三极管,分析方法类似,不同的地方就是电流方向跟NPN的刚好相反因此发射极上面那个箭头方向也反了过来--變成朝里的了。 N在输入信号为零时直流电源通过各偏置电阻为三极管提供直流的基极电流和直流集电极电流,并在三极管的三个极间形荿一定的直流电压由于耦合电容的隔直流作用,直流电压无法到达放大电路的输入端和输出端$ E; n, t& ^; |' c% @8 b4 W' i
) F9 L. Q- [* Q
0 V5 `5 {2 \7 K7 V6 f( ~3 v当输入交流信号通过耦合电容C1和Ce加在三極管的发射结上时,发射结上的电压变成交、直流的叠加放大电路中信号的情况比较复杂,各信号的符号规定如下:! M8 I& q7 @; |# j由于三极管的电流放大作用ic要比ib大几十倍,一般来说只要电路参数设置合适,输出电压可以比输入电压高许多倍uCE中的交流量有一部分经过耦合电容到達负载电阻,形成输出电压完成电路的放大作用。& I% I- [$ a9 y1 a+ u
H
由此可见放大电路中三极管集电极的直流信号不随输入信号而改变,而交流信号随輸入信号发生变化在放大过程中,集电极交流信号是叠加在直流信号上的经过耦合电容,从输出端提取的只是交流信号因此,在分析放大电路时可以采用将交、直流信号分开的办法,可以分成直流通路和交流通路来分析+ U5 V8 h6 M2 C& r5

图1中,C1,C2为耦合电容,耦合就是起信号的传递作用,電容器能将信号信号从前级耦合到后级,是因为电容两端的电压不能突变,在输入端输入 交流信号后,因两端的电压不能突变因,输出端的电压会哏随输入端输入的交流信号一起变化,从而将信号从输入端耦合到输出端。但有一点要说明的是,电容两端

6 |4 L, D$ L' w% B7 y2 k% d+ @ 在电路的工作要求中,第一条件是要求要稳定,所以,电源一定要是直流电源,所以叫直流偏置为什么是通过电阻来供电?电阻就象是供水系统中的水 龙头,用调节电流大小的。所以,彡极管的三种工作 状态“:载止、饱和、放大”就由直流偏置决定,在图1中,也就是由R1、R2来决定了+ ^&

+ S2 @0 ]( _! p- d8 u4 A- S首先,我们要知道如何判别三极管的三种工作狀态,简单来说,判别工作于何种工作状态可以根据Uce的大小来判别,Uce接近于电源电压VCC, 则三极管就工作于载止状态,载止状态就是说三极管基本上不笁作,Ic电流较小(大约为零),所以R2由于没有电流流过,电压接近0V,所以Uce就接近于

放大电路,就是将输入信号放大后输出,(一般有电压放大,电流放大和功率放大几种,这个不在这讨论内)。先说我们要放大的信号,以正弦交流信号 为例说在分析过程中,可以只考虑到信号大小变化是有正有负,其它不說。上面提到在图1放大电路电路中,静态工作点的设置为Uce接近于电源电压的一半, 为什么?. S" p: C& B+ n: {0 S6 @- r)

: b' T9 v5 W. u: r# V  t 这是为了使信号正负能有对称的变化空间,在没有信号輸入的时候,即信号输入为0,假设Uce为电源电压的一半,我们当它为一水平线,作为一个参 考点当输入信号增大时,则Ib增大,Ic电流增大,则电阻R2的电压U2=Ic×R2會随之增大,Uce=VCC-U2,会变小。U2最大理论上能达到

# q4 }* |. T) N$ X1 H 同理,当输入信号减小时,则Ib减小,Ic电流减小,则电阻R2的电压U2=Ic×R2会随之减小,Uce=VCC-U2,会变大在输入信减 小时,Uce最大变囮是从1/2的VCC变化到VCC。这样,在输入信号一定范围内发生正负变化时,Uce以1/2VCC为准的话就有一个对称的正负变化 范围,所以一般图1静态工作点的设置为Uce接菦于电源电压的一半

候,老师很明显的没有告诉我们,Ic、Ib是多大才合适?这个问题比较难答,因为牵涉的东西比较的多,但一般来说,对于小功率管,┅般设Ic在零点几毫安 到几毫安,中功率管则在几毫安到几十毫安,大功率管则在几十毫安到几安。9 x: B8 M/ R* {, j0 U/ [! x5 b

(VCC-0.7V)/Ib=11.3V/20μA=56.5KΩ,但实际上,小功率管的β值远不止100,在150到400之間,或者更高,所以若按上 面计算来做,电路是有可能处于饱和状态的,所以有时我们不明白,计算没错,但实际不能用,这是因为还少了一点实际的指導,指出理论与实际的差别这种电路 受β值的影响大,每个人计算一样时,但做出来的结果不一定相同。也就是说,这种电路的稳定性差,实际应鼡较少但如果改为图2的分压式偏置电路,电路的分 析计算和实际电路测量较为接近。

在上面的分析计算中,多次提出假设什么的,这在实际应鼡中是必要的,很多时候需要一个参考值来给我们计算,但往往却没有,这里面一是我们对各种器件不熟悉,二是忘记了一件事,我们自己才是用电蕗的人,一些数据可以自己设定,这样可以少走弯路 d4 C( B' p! _: A! O- l* h  _0 v+ s" x4 K4 F- }& q& x三极管除了可以当做交流信号放大器之外,也可以做为开关之用严格说起来,三极管與一般的机械接点式开关在动作上并不完全相同但是它却具有一些机械式开关所没有的特点。6 M-

动作当三极管呈开启状态时,负载电流便被阻断反之,当三极管呈闭合状态时电流便可以流通。详细的说当Vin为低电压时,由于基极没有电流因此集电极亦无电流,致使連接于集电极端的负载亦没有电流而相当于开关的开启,此时三极管乃胜作于截止(cut off)区& j8 O# A0 g( y9 u

D& S* R/ p% \8 [) b+ F2 w( S6 e, s由于对硅三极管而言,其基射极接面之正向偏压徝约为0.6伏特因此欲使三极管截止,Vin必须低于0.6伏特以使三极管的基极电流为零。通常在设计时为了可以更确定三极管必处于截止状态起见,往往使Vin值低于 0.3伏特 (838电子资源)当然输入电压愈接近零伏特便愈能保证三极管开关必处于截止状态。欲将电流传送到负载上则三极管的集电极与射极必须短路,就像机械开关的闭合动作一样欲如此就必须使 Vin达到够高的准位,以驱动三极管使其进入饱和工作区工作彡极管呈饱和状态时,集电极电流相当大几乎使得整个电源电压Vcc均跨在负载电阻上,如此则VcE便接近于0而使三极管的集电极和射极几乎呈短路。在理想状况下根据奥姆定律三极管呈饱和时,其集电极电流应该为﹕) ^( K4 d, `; x/ X$ s5


; Q- Y& y' E8 Z( P( k9 w' @4 z) ?- @7 T, ]2 o上式表出了IC和IB之间的基本关系式中的β值代表三极管的直流电流增益,对某些三极管而言,其交流β值和直流β值之间有着甚大的差异。欲使开关闭合则其Vin值必须够高,以送出超过或等于(式1) 式所要求的最低基极电流值由于基极回路只是一个电阻和基射极接面的串联电路,故Vin可由下式来求解﹕
一旦基极电压超过或等于(式2) 式所求嘚的数值三极管便导通,使全部的供应电压均跨在负载电阻上而完成了开关的闭合动作。

+ ?2 d; B- M  E6 i. ?( ]' |5 |' ~0 e" q总而言之三极管接成图1的电路之后,它的莋用就和一只与负载相串联的机械式开关一样而其启闭开关的方式,则可以直接利用输入电压方便的控制而不须采用机械式开关所常鼡的机械引动(mechanical

R  K* g0 c/ _( w$ [4 C( M7 Q 试解释出在图2的开关电路中,欲使开关闭合(三极管饱和) 所须的输入电压为何﹖并解释出此时之负载电流与基极电流值解﹕由2式可知在饱和状态下,所有的供电电压完全跨降于负载电阻上因此

j  z由例题1-1得知,欲利用三极管开关来控制大到1.5A的负载电流之启闭动作只须要利用甚小的控制电压和电流即可。此外三极管虽然流过大电流,却不须要装上散热片因为当负载电流流过时,三极管呈饱和狀态其VCE趋近于零,所以其电流和电压相乘的功率之非常小根本不须要散热片。 h- i: @9 U7 T6 _8 z' T8 g8 h- \0 z- {8 @$ b1 D( w3 i9 r截至目前为止我们都假设当三极管开关导通时,其基極与射极之间是完全短路的事实并非如此,没有任何三极管可以完全短路而使VCE=0大多数的小信号硅质三极管在饱和时,VCE(饱和) 值约为0.2伏特纵使是专为开关应用而设计的交换三极管,其VCE(饱和) 值顶多也只能低到0.1伏特左右而且负载电流一高,VCE(饱和) 值还会有些许的上升现象虽嘫对大多数的分析计算而言,VCE(饱和) 值可以不予考虑但是在测试交换电路时,必须明白VCE(饱和) 值并非真的是0

虽然VCE(饱和)的电压很小,本身微鈈足道但是若将几个三极管开关串接起来,其总和的压降效应就很可观了不幸的是机械式的开关经常是采用串接的方式来工作的,如圖3(a)所示三极管开关无法模拟机械式开关的等效电路(如图3(b)所示)来工作,这是三极管开关的一大缺点

0 C0 C6 M3 s& L' l& l5 W幸好三极管开关虽然不适用于串接方式,却可以完美的适用于并接的工作方式如图4所示者即为一例。三极管开关和传统的机械式开关相较具有下列四大优点﹕

- P' |) X1 M3 e4 r1 T$ I. E' [# V/ q7 G/ Y6 k9 {(1)三极管開关不具有活动接点部份,因此不致有磨损之虑可以使用无限多次,一般的机械式开关由于接点磨损,顶多只能使用数百万 次左右洏且其接点易受污损而影响工作,因此无法在脏乱的环境下运作三极管开关既无接点又是密封的,因此无此顾虑

w三极管开关不像机械式开关可以光凭肉眼就判断出它目前的启闭状态,因此必须利用电表来加以测试在图5所示的标准三极管开关电路中,当开关导通时VEC的讀值应该为0,反之当开关切断时VCE应对于VCC。9 [; K6 H4 Z4 \( w+ U! L

F三极管开关在切断的状况下由于负载上没有电流流过,因此也没有压降所以全部的供应电壓均跨降在开关的两端,因此其VCE值应等于VCC这和机械式开关是完全相同的。如果开关本身应导通而未导通那就得测试Vin的大小了。欲保证彡极管导通其基极的Vin电压值就必须够高,如果Vin值过低则问题就出自信号源而非三极管本身了。假使在Vin的准位够高驱动三极管导通绝無问题时,而负载却仍未导通那就要测试电源电压是否正常了。6

在导通的状态下硅三极管的VBE值约为0.6伏特,假使Vin值够高而VBE值却高于和低于0.6伏特,例如VBE为1.5伏特或0.2伏特这表示基射极接面可能已经损坏,必须将三极管换掉当然这一准则也未必百分之百正确,许多大电流额萣的功率三极管其VBE值经常是超过1伏特的,因此即使 VBE的读值达到1.5伏特也未必就能肯定三极管的接面损坏,这时候最好先查阅三极管规格表后再下断言0 _6 P/ Y2 W( g7 _

+ [- T0 K# |7 I( Z! u 一旦VBE正常且有基极电流流动时,便必须测试VCE值假使VCE趋近于VCC,就表示三极管的集基接面损坏必须换掉三极管。假使VCE趋近於零伏特而负载仍未导通,这可能是负载本身有开路现象发生因此必须检换负载。- W0 {/ ?' P& R/


7 m3 C0 E0 K) v, H, l7 M2 ~3 X6 Y9 P5 Q* D当Vin降为低电压准位三极管理应截止而切断负载,洳果负载仍旧未被切断那可能是三极管的集基极和集射极短路,必须加以置换

有时候,我们所设定的低电压准位未必就能使三极管开關截止尤其当输入准位接近0.6伏特的时候更是如此。想要克服这种临界状况就必须采取修正步骤,以保证三极管必能截止图6就是针对這种状况所设计的两种常见之改良电路。* p0 y: W2 F) w" A  P) g) w# x


的电路在基射极间串接上一只二极管,因此使得可令基极电流导通的输入电压值提升了0.6伏特洳此即使Vin值由于信号源的误动作而接近0.6伏特时,亦不致使三极管导通因此开关仍可处于截止状态。图6(b)的电路加上了一只辅助-截止(hold-off)电阻R2適当的R1,R2及Vin值设计可于临界输入电压时确保开关截止。由图6(b)可知在基射极接面未导通前(IB0)R1和R2形成一个串联分压电路,因此R1必跨过固定(随Vin洏变) 的分电压所以基极电压必低于Vin值,因此即使Vin接近于临界值(Vin=0.6伏特) 基极电压仍将受连接于负电源的辅助-截止电阻所拉下,使低于0.6伏特由于R1,R2及VBB值的刻意设计只要Vin在高值的范围内,基极仍将有足够的电压值可使三极管导通不致受到辅助-截止电阻的影响。7 c! ~8 A+ u( H.

在要求快速切换动作的应用中必须加快三极管开关的切换速度。图7为一种常见的方式此方法只须在RB电阻上并联一只加速电容器,如此当Vin由零电压往上升并开始送电流至基极时电容器由于无法瞬间充电,故形同短路然而此时却有瞬间的大电流由电容器流向基极,因此也就加快了開关导通的速度稍后,待充电完毕后电容就形同开路,而不影响三极管的正常工作

t  r一旦输入电压由高准位降回零电压准位时,电容器会在极短的时间内即令基射极接面变成反向偏压而使三极管开关迅速切断,这是由于电容器的左端原已充电为正电压如图6-9所示,因此在输入电压下降的瞬间电容器两端的电压无法瞬间改变仍将维持于定值,故输入电压的下降立即使基极电压随之而下降因此令基射極接面成为反向偏压,而迅速令三极管截止适当的选取加速电容值可使三极管开关的切换时间减低至几十分之微秒以下,大多数的加速電容值约为数百个皮法(pF)

有时候三极管开关的负载并非直接加在集电极与电源之间而是接成图8的方式,这种接法和小信号交流放大器的电蕗非常接近只是少了一只输出耦合电容器而已。这种接法和正常接法的动作恰好相反当三极管截止时,负载获能而当三极管导通时,负载反被切断这两种电路的形式都是常见的,因此必须具有清晰的分辨能力2 X0 A* g"

k假使图8的三极管开关加上了电容性负载(假定其与RLD并联) ,那么在三极管截止后由于负载电压必须经由RC电阻对电容慢慢充电而建立,因此电容量或电阻值愈大时间常数(RC) 便愈大,而使得负载电压の上升速率愈慢在某些应用中,这种现象是不容许的因此必须采用图9的改良电路。8 N'

x图腾式电路是将一只三极管直接迭接于另一三极管の上所构成的它也因此而得名。欲使负载获能必须使Q1三极管导通,同时使Q2三极管截断如此负载便可经由Q1而连接至VCC上,欲使负载去能必须使Q1三极管截断,同时使Q2三极管导通如此负载将经由Q2接地。由于Q1的集电极除了极小的接点电阻外几乎没有任何电阻存在(如图9所示) ,因此负载几乎是直接连接到正电源上的也因此当Q1导通时,就再也没有电容的慢速充电现象存在了所以可说Q1“将负载拉起”,而称之為“挽起 (pull up) 三极管”Q2则称为“拉下(pull down) 三极管”。图9左半部的输入控制电路负责Q1和Q2三极管的导通与截断控制,但是必须确保Q1和Q2使不致同时导通否则将使VCC和地之间经由Q1和 Q2而形同短路,果真如此则短路的大电流至少将使一只三极管烧毁。因此图腾式三极管开关绝对不可如图6-4般哋采用并联方式来使用否则只要图腾上方的三极管Q1群中有任一只导通,而下方的Q2群中又恰好有一只导通电源便经由导通之Q1和Q2短路,而慥成严重的后果

?) O/ C2 ?2 Q0 R4 x5 T, `4 \ 晶体管开关最常见的应用之一,是用以驱动指示灯利用指示灯可以指示电路某特定点的动作状况,亦可以指示马达的控制器是否被激励此外亦可以指示某一限制开关是否导通或是某一数字电路是否处于高电位状态。

晶体管开关便被导通,而令指示灯發亮因此操作员只要一看指示灯,便可以知道正反器目前的工作状况而不须要利用电表去检测。! F* W# V- P# r' G2 @0 d

4 q. o6 i  ~+ C$ ?6 k 有时信号源(如正反器)输出电路之电流嫆量太小不足以驱动晶体管开关,此时为避免信号源不胜负荷而产生误动作便须采用图10(b) 所示的改良电路,当输出为高准位时先驱动射极随耦晶体管Q1做电流放大后,

s在工业设备中往往必须利用固态逻辑电路来担任控制的工作,有关数字逻辑电路的原理将在下一章详細加以介绍,在此为说明界面电路起见先将工业设备的控制电路分为三大部份﹕(1)输入部份,(2)逻辑部份(3)输出部份。

为达到可靠的运作笁业设备的输入与输出部份通常工作于较高的电压准位,一般为220伏特而逻辑部份却是操作于低电压准位的,为了使系统正常工作便必須使这两种不同的电压准位之间能够沟通,这种不同电压间的匹配工作就称做界面(inteace)问题担任界面匹配工作的电路,则称为界面电路三極管开关就经常被用来担任此类工作。4

_图11利用三极管开关做为由高压输入控制低压逻辑的界面电路之实例当输入部份的微动开关闭合时,降压变压器便被导通而使全波整流滤波电路送出低压的直流控制信号,此信号使三极管导通此时集电极电压降为0(饱和)伏特,此0伏特信号可被送入逻辑电路中以表示微动开关处于闭合状态。7 S2 C( _2

w反之若微动开关开启,变压器便不通电而使三极管截止,此时集电极电压便上升至VCC值此一VCC信号,可被送入逻辑电路中藉以表示微动开关处于开启状态。在图11之中逻辑电路被当作三极管的负载,连接于集电極和地之间(如图11) 因此三极管开关电路的R1,R2和RC值必须慎加选择以保证三极管只工作于截止区与饱和区,而不致工作于主动(线性) 区内

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