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晶体三极管放大的简单原理
晶体三极管放大的简单原理
三极管自身并不能把小电流变成大电流,它仅仅起着一种控制作用,控制着电路里的电源,按确定的比例向三极管提供 Ib、Ic 和 Ie 这三个电流。为了容易理解,我们还是用水流比喻电流(见图 1 )。这是粗、细两根水管,粗的管子内装有闸门,这个闸门是由细的管子中的水量控制着它的开启程度。如果细管子中没有水流,粗管子中的闸门就会关闭。注入细管子中的水量越大,闸门就开得越大,相应地流过粗管子的水就越多,这就体现出“以小控制大,以弱控制强”的道理。由图可见,细管子的水与粗管子的水在下端汇合在一根管子中。三极管的基极 b 、集电极 c 和发射极 e 就对应着图 4 中的细管、粗管和粗细交汇的管子。电路见图 5 ,若给三极管外加一定的电压,就会产生电流 Ib 、 Ic 和 Ie 。调节电位器 RP 改变基极电流 Ib , Ic 也随之变化。由于 Ic = βIb ,所以很小的 Ib 控制着比它大 β 倍的 Ic 。 Ic 不是由三极管产生的,是由电源 VCC 在 Ib 的控制下提供的,所以说三极管起着能量转换作用。
图1
对三极管放大作用的理解,切记一点:能量不会无缘无故的产生,所以,三极管一定不会产生能量。
但三极管厉害的地方在于:它可以通过小电流去控制大电流。
放大的原理就在于:通过小的交流输入,控制大的静态直流。
假设三极管是个大坝,这个大坝奇怪的地方是,有两个阀门,一个大阀门,一个小阀门。小阀门可以用人力打开,大阀门很重,人力是打不开的,只能通过小阀门的水力打开。
所以,平常的工作流程便是,每当放水的时候,人们就打开小阀门,很小的水流涓涓流出,这涓涓细流冲击大阀门的开关,大阀门随之打开,汹涌的江水滔滔流下。 如果不停地改变小阀门开启的大小,那么大阀门也相应地不停改变,假若能严格地按比例改变,那么,完美的控制就完成了。
在这里,Ube就是小水流,Uce就是大水流,人就是输入信号。当然,如果把水流比为电流的话,会更确切,因为三极管毕竟是一个电流控制元件。
如果某一天,天气很旱,江水没有了,也就是大的水流那边是空的。管理员这时候打开了小阀门,尽管小阀门还是一如既往地冲击大阀门,并使之开启,但因为没有水流的存在,所以,并没有水流出来。这就是三极管中的截止区。
饱和区是一样的,因为此时江水达到了很大很大的程度,管理员开的阀门大小已经没用了。如果不开阀门江水就自己冲开了,这就是二极管的击穿。
在模拟电路中,一般阀门是半开的,通过控制其开启大小来决定输出水流的大小。没有信号的时候,水流也会流,所以,不工作的时候,也会有功耗。
而在数字电路中,阀门则处于开或是关两个状态。当不工作的时候,阀门是完全关闭的,没有功耗。 单纯从“放大”的角度来看,我们希望 β 值越大越好。可是,三极管接成共发射极放大电路(图 2)时,从管子的集电极 c 到发射极 e 总会产生一有害的漏电流,称为穿透电流 Iceo ,它的大小与 β 值近似成正比, β 值越大, Iceo 就越大。 Iceo 这种寄生电流不受 Ib 控制,却成为集电极电流 Ic 的一部分, Ic = βIb + Iceo 。值得注意的是, Iceo 跟温度有密切的关系,温度升高, Iceo 急剧变大,破坏了放大电路工作的稳定性。所以,选择三极管时,并不是 β 越大越好,一般取硅管 β 为 40 ~ 150 ,锗管取 40 ~ 80 。
图2
在常温下,锗管的穿透电流比较大,一般由几十微安到几百微安,硅管的穿透电流就比较小,一般只有零点几微安到几微安。 Iceo 虽然不大,却与温度有着密切的关系,它们遵循着所谓的“加倍规则”,这就是温度每升高 10℃ , Iceo 约增大一倍。例如,某锗管在常温 20℃ 时, Iceo 为 20μA ,在使用中管芯温度上升到 50℃ , Iceo 就增大到 160μA 左右。测量 Iceo 的电路很简单(图 3),三极管的基极开路,在集电极与发射极之间接入电源 VCC ( 6V ),串联在电路中的电流表(可用万用表中的 0.1mA 挡)所指示的电流值就是 Iceo 。
图3
如图4,假设三极管的β=100,RP=200K,此时的Ib=6v/(200k+100k)=0.02mA,Ic=βIb=2mA 当RP=0时,Ib=6v/100k=0.06mA,Ic=βIb=2mA。以上两种状态都符合Ic=βIb,我们说,三极管处于放大区。假设RP=0,Rb=1k,此时,Ib=6v/1k=6mA按Ic=βIb计算,Ic应等于600mA,而实际上,由于图中300欧姆限流电阻(Rc)的存在,实际上Ic=(6v/300)≈20mA,此时,Ic≠βIb,而且,Ic不再受Ib控制,即处于饱
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