詳解三極管的電流放大作用

1 前言

這期的內(nèi)容是接繼上一篇三極管文章展開(kāi)的，上期主要講了如何判斷三極管的三個(gè)工作區(qū)，通過(guò)上節(jié)內(nèi)容，我想大家應(yīng)該能判斷三極管的截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)了吧。那么這期我就要和大家說(shuō)說(shuō)三極管最重要的功能——電流的放大作用(三極管放大區(qū)的運(yùn)用)。

圖 1 三極管的放大區(qū)

三極管的電流放大作用是指：基極電流Ibe與集電極電流Ic之間的關(guān)系，即滿足Ic=β*Ibe;β系數(shù)是大于1的一個(gè)數(shù)，這個(gè)數(shù)不同型號(hào)的三極管是不一樣的，通常介于幾十到幾百之間。

2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

演示的電路圖如圖所示，電路圖還是上次的那幅圖，只不過(guò)的唯一區(qū)別就是添加了兩個(gè)電流表U3和U4。U3的目的是測(cè)試三極管的基極電流，U4的目的是測(cè)試三極管集電極的電流。

圖 2三極管放大區(qū)作用演示電路

為了方便演示三極管的特性，我們這里把三極管的放大倍數(shù)β設(shè)置為100，也就是電流能放大100倍。

圖 3三極管的放大倍數(shù)β設(shè)置

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

仿真過(guò)程：讓連著基極的電壓源V1從0V開(kāi)始輸出，直到0.7V停止輸出，在這個(gè)過(guò)程中記錄基極電流Ibe和集電極電流Ic，根據(jù)讀取的Ibe和Ic數(shù)值算出在三極管截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)不同區(qū)域的電流放大倍數(shù)β，計(jì)算三極管的放大倍數(shù)的方式為β=Ic/Ibe;

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照上面描述的操作方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果如圖所示，縱坐標(biāo)是電流(單位是安培(A))橫坐標(biāo)是基極電壓(單位是伏特(V))，綠色線是基極電壓從0V到0.7V的集電極電流Ic的輸出，紅色線是基極電壓從0V到0.7V的基極電流Ibe的輸出，截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)已在圖中大概的標(biāo)識(shí)出。

圖 4 仿真的基極電流和集電極電流數(shù)據(jù)

從仿真的結(jié)果初步可以看出：

截止區(qū)時(shí)，Ibe與Ic之間的差距不大，幾乎是重合曲線;

放大區(qū)時(shí)，Ibe與Ic之間的差距隨著基極電壓的變大而變大;

飽和區(qū)時(shí)，Ibe與Ic之間的差距隨著基極電壓的變大而變小;

5 仿真結(jié)果分析

5.1 截止區(qū)放大倍數(shù)分析

從上面的仿真結(jié)果隨便抓取截止區(qū)中的一組數(shù)據(jù)，如圖所示：

圖 5 截止區(qū)基極電流和集電極電流

我們只需看y1對(duì)應(yīng)的基極電流Ibe和集電極電流Ic即可，如圖5中紅色圈對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，截止區(qū)的基極電流Ibe為29.8023nA，而集電極電流Ic為1.9073uA，此時(shí)的放大倍數(shù)β大概為63(根據(jù)β=Ic/Ibe計(jì)算)，也就是說(shuō)電流放大倍數(shù)為63，然而這個(gè)截止區(qū)放大倍數(shù)只是仿真結(jié)果，仿真不代表實(shí)際存在，現(xiàn)實(shí)中這個(gè)電流放大倍數(shù)無(wú)效的，因?yàn)槿龢O管此時(shí)的放大能力不能把電流噪聲區(qū)別開(kāi)，故認(rèn)為截止區(qū)放大倍數(shù)為0。

從截止區(qū)的仿真數(shù)據(jù)我們可以總結(jié)如下：截止區(qū)沒(méi)有放大作用。

5.2 放大區(qū)放大倍數(shù)分析

從上面的仿真結(jié)果中隨便抓取剛進(jìn)入放大區(qū)的一組數(shù)據(jù)，如圖所示：

圖 6 剛進(jìn)放大區(qū)的基極電流和集電極電流

如圖6中紅色圈對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，截止區(qū)的基極電流Ibe為1.0133uA，而集電極電流Ic為86.3810uA，此時(shí)的大概為85，也就是說(shuō)電流放大倍數(shù)為85。

從上面的仿真結(jié)果中隨便抓取剛進(jìn)入放大區(qū)靠右區(qū)域的一組數(shù)據(jù)，如圖所示：

圖 7 剛進(jìn)放大區(qū)靠右區(qū)域的基極電流和集電極電流

如圖7中紅色圈對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，截止區(qū)的基極電流Ibe為6.0170uA，而集電極電流Ic為556.1994uA，此時(shí)的大概為92，也就是說(shuō)電流放大倍數(shù)為92，比剛進(jìn)放大區(qū)的放大倍數(shù)變大了。

緊接著在從上面的仿真結(jié)果中隨便抓取放大區(qū)中間偏下區(qū)域的一組數(shù)據(jù)，如圖所示：

圖 8 中間偏下放大區(qū)的基極電流和集電極電流

如圖8中紅色圈對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，截止區(qū)的基極電流Ibe為36.0530uA，而集電極電流Ic為3.2909mA，此時(shí)的大概為91，也就是說(shuō)電流放大倍數(shù)為91，比剛進(jìn)放大區(qū)靠右區(qū)域的放大倍數(shù)變小了。

緊接著在從上面的仿真結(jié)果中隨便抓取放大區(qū)中間區(qū)域的一組數(shù)據(jù)，如圖所示：

圖 9 中間放大區(qū)的基極電流和集電極電流

如圖9中紅色圈對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，截止區(qū)的基極電流Ibe為51.3486uA，而集電極電流Ic為4.6551mA，此時(shí)的大概為90，也就是說(shuō)電流放大倍數(shù)為90，比進(jìn)中間偏下放大區(qū)的放大倍數(shù)變小了。

在從上面的仿真結(jié)果中隨便抓取進(jìn)入深度放大區(qū)的一組數(shù)據(jù)，如圖所示：

圖 10 深度放大區(qū)的基極電流和集電極電流

如圖10中紅色圈對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，截止區(qū)的基極電流Ibe為127.8475uA，而集電極電流Ic為10.9909mA，此時(shí)的大概為85，也就是說(shuō)電流放大倍數(shù)為85，此時(shí)的放大倍數(shù)比之前在放大區(qū)中間區(qū)域的放大倍數(shù)減小。

三極管由“截止區(qū)進(jìn)入放大區(qū)，在由放大區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)”的這個(gè)過(guò)程中，從放大區(qū)的仿真數(shù)據(jù)我們可以總結(jié)如下：

①　處于放大區(qū)的三極管的放大倍數(shù)先增加后減小;

②　處于放大區(qū)域的中間區(qū)域附近的放大倍數(shù)最大且最接近三極管規(guī)定的標(biāo)稱放大倍數(shù)(說(shuō)具體點(diǎn)就是：放大區(qū)仿真的放大倍數(shù)接近我們實(shí)驗(yàn)開(kāi)始設(shè)定的三極管放大倍數(shù)100);

③　三極管剛從截止區(qū)進(jìn)入放大區(qū)，或者三極管進(jìn)入深度放大區(qū)時(shí)，兩種情況的放大倍數(shù)都是很小的;

5.3 飽和區(qū)放大倍數(shù)分析

從上面的仿真結(jié)果中隨便抓取剛進(jìn)飽和區(qū)附近的一組數(shù)據(jù)，如圖所示：

圖 11 剛進(jìn)飽和區(qū)附近的基極電流和集電極電流

如圖11中紅色圈對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，截止區(qū)的基極電流Ibe為247.5798uA，而集電極電流Ic為11.9142mA，此時(shí)的大概為48，也就是說(shuō)電流放大倍數(shù)為48，此時(shí)的放大倍數(shù)比之前在深度放大區(qū)區(qū)域的放大倍數(shù)減小了很多。

從上面的仿真結(jié)果中隨便抓取進(jìn)入深度飽和區(qū)的一組數(shù)據(jù)，如圖所示：

圖 12 深度飽和區(qū)的基極電流和集電極電流

如圖12中紅色圈對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，截止區(qū)的基極電流Ibe為784.1842uA，而集電極電流Ic為11.9645mA，此時(shí)的大概為15，也就是說(shuō)電流放大倍數(shù)為15，此時(shí)的放大倍數(shù)比之前在剛進(jìn)入飽和區(qū)的放大倍數(shù)還要小很多，此時(shí)基極電流變化將不會(huì)導(dǎo)致集電極電流較大的變化，因?yàn)榫褪チ朔糯蟮淖饔?，故我們可以認(rèn)為飽和區(qū)沒(méi)有放大倍數(shù)，即飽和區(qū)的放大倍數(shù)為0。

從截止區(qū)的仿真數(shù)據(jù)我們可以總結(jié)如下：飽和區(qū)沒(méi)有放大作用。

6 總結(jié)

①三極管的電流放大作用只在三極管的放大區(qū)有效，截至區(qū)和飽和區(qū)都沒(méi)有電流放大能力;

②“截止區(qū)進(jìn)入放大區(qū)，在由放大區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)”這個(gè)過(guò)程中，放大區(qū)的放大倍數(shù)先增加后減小;