三極管的工作原理講解

對三極管放大作用的理解，切記一點：能量不會無緣無故的產生，所以，三極管一定不會產生能量，但三極管厲害的地方在于：它可以通過小電流控制大電流。放大的原理就在于：通過小的交流輸入，控制大的靜態(tài)直流。

假設三極管是個大壩，這個大壩奇怪的地方是，有兩個閥門，一個大閥門，一個小閥門。小閥門可以用人力打開，大閥門很重，人力是打不開的，只能通過小閥門的水力打開。所以，平常的工作流程便是，每當放水的時候，人們就打開小閥門，很小的水流涓涓流出，這涓涓細流沖擊大閥門的開關，大閥門隨之打開，洶涌的江水滔滔流下。如果不停地改變小閥門開啟的大小，那么大閥門也相應地不停改變，假若能嚴格地按比例改變，那么，完美的控制就完成了。

在這里，Ube 就是小水流，Uce 就是大水流，人就是輸入信號。當然，如果把水流比為電流的話，會更確切，因為三極管畢竟是一個電流控制元件。

如果某一天，天氣很旱，江水沒有了，也就是大的水流那邊是空的。管理員這時候打開了小閥門，盡管小閥門還是一如既往地沖擊大閥門，并使之開啟，但因為沒有水流的存在，所以，并沒有水流出來。這就是三極管中的截止區(qū)。飽和區(qū)是一樣的，因為此時江水達到了很大很大的程度，管理員開的閥門大小已經沒用了。如果不開閥門江水就自己沖開了，這就是二極管的擊穿。

在模擬電路中，一般閥門是半開的，通過控制其開啟大小來決定輸出水流的大小。沒有信號的時候，水流也會流，所以，不工作的時候，也會有功耗。而在數(shù)字電路中，閥門則處于開或是關兩個狀態(tài)。當不工作的時候，閥門是完全關閉的，沒有功耗。

晶體三極管是一種電流控制元件。發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的 PN 結稱為發(fā)射結，而集電區(qū)與基區(qū)形成的 PN 結稱為集電結。晶體三極管按材料分常見的有兩種：鍺管和硅管。而每一種又有 NPN 和 PNP 兩種結構形式，使用最多的是硅 NPN 和 PNP 兩種，兩者除了電源極性不同外，其工作原理都是相同的，三極管工作在放大區(qū)時，三極管發(fā)射結處于正偏而集電結處于反偏，集電極電流 Ic 受基極電流 Ib 的控制，Ic 的變化量與 Ib 變化量之比稱作三極管的交流電流放大倍數(shù) β（β=?Ic/?Ib，? 表示變化量。）在實際使用中常常利用三極管的電流放大作用，通過電阻轉變?yōu)殡妷悍糯笞饔谩?/p>

要判斷三極管的工作狀態(tài)必須了解三極管的輸出特性曲線，輸出特性曲線表示 Ic 隨 Uce 的變化關系（以 Ib 為參數(shù)），從輸出特性曲線可見，它分為三個區(qū)域：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。

根據三極管發(fā)射結和集電結偏置情況，可以判別其工作狀態(tài)：

1.對于 NPN 三極管，當 Ube≤0 時，三極管發(fā)射結處于反偏工作，則 Ib≈0，三極管工作在截止區(qū)；

2.當晶體三極管發(fā)射結處于正偏而集電結處于反偏工作時，三極管工作在放大區(qū)，Ic 隨 Ib 近似作線性變化；

3.當發(fā)射結和集電結均處于正偏狀態(tài)時，三極管工作在飽和區(qū)，Ic 基本上不隨 Ib 而變化，失去了放大功能。

截止區(qū)和飽和區(qū)是三極管工作在開關狀態(tài)的區(qū)域。那么各種狀態(tài) Ube Ubc Uce 有沒有個固定的電壓值呢？不同的材料，PN 結的勢壘電壓不一樣，鍺管約 0.3V，硅管約 0.7V，不同的制造工藝，不同的型號也有少量差別，但是基本是這個量級。要知道準確值，必須查看輸入特性曲線（類似于二極管正向特性曲線）。三極管是電流放大器件，有三個極，分別叫做集電極 C，基極 B，發(fā)射極E。分成 NPN 和 PNP 兩種。我們僅以 NPN 三極管的共發(fā)射極放大電路為例來說明一下三極管放大電路的基本原理。

下面的分析僅對于 NPN 型硅三極管。如上圖所示，我們把從基極 B 流至發(fā)射極 E 的電流叫做基極電流 Ib；把從集電極 C 流至發(fā)射極 E 的電流叫做集電極電流 Ic。這兩個電流的方向都是流出發(fā)射極的，所以發(fā)射極 E 上就用了一個箭頭來表示電流的方向。三極管的放大作用就是：集電極電流受基極電流的控制（假設電源能夠提供給集電極足夠大的電流的話），并且基極電流很小的變化，會引起集電極電流很大的變化，且變化滿足一定的比例關系：集電極電流的變化量是基極電流變化量的 β 倍，即電流變化被放大了 β 倍，所以我們把 β 叫做三極管的放大倍數(shù)（β 一般遠大于 1，例如幾十，幾百）。如果我們將一個變化的小信號加到基極跟發(fā)射極之間，這就會引起基極電流 Ib 的變化，Ib 的變化被放大后，導致了 Ic 很大的變化。如果集電極電流 Ic 是流過一個電阻 R 的，那么根據電壓計算公式 U=R*I 可以算得，這電阻上電壓就會發(fā)生很大的變化。我們將這個電阻上的電壓取出來，就得到了放大后的電壓信號了。三極管在實際的放大電路中使用時，還需要加合適的偏置電路。這有幾個原因。首先是由于三極管 BE 結的非線性（相當于一個二極管），基極電流必須在輸入電壓大到一定程度后才能產生（對于硅管，常取 0.7V）。當基極與發(fā)射極之間的電壓小于 0.7V 時，基極電流就可以認為是 0。但實際中要放大的信號往往遠比 0.7V 要小，如果不加偏置的話，這么小的信號就不足以引起基極電流的改變（因為小于 0.7V 時，基極電流都是 0）。

如果我們事先在三極管的基極上加上一個合適的電流（叫做偏置電流，上圖中那個電阻 Rb 就是用來提供這個電流的，所以它被叫做基極偏置電阻），那么當一個小信號跟這個偏置電流疊加在一起時，小信號就會導致基極電流的變化，而基極電流的變化，就會被放大并在集電極上輸出。另一個原因就是輸出信號范圍的要求，如果沒有加偏置，那么只有對那些增加的信號放大，而對減小的信號無效（因為沒有偏置時集電極電流為 0，不能再減小了）。而加上偏置，事先讓集電極有一定的電流，當輸入的基極電流變小時，集電極電流就可以減小；當輸入的基極電流增大時，集電極電流就增大。這樣減小的信號和增大的信號都可以被放大了。

下面說說三極管的飽和情況。像上面那樣的圖，因為受到電阻 Rc 的限制（Rc 是固定值，那么最大電流為 U/Rc，其中 U 為電源電壓），集電極電流是不能無限增加下去的。當基極電流的增大，不能使集電極電流繼續(xù)增大時，三極管就進入了飽和狀態(tài)。一般判斷三極管是否飽和的準則是：Ib*β〉Ic。進入飽和狀態(tài)之后，三極管的集電極跟發(fā)射極之間的電壓將很小，可以理解為一個開關閉合了。這樣我們就可以拿三極管來當作開關使用：當基極電流為 0 時，三極管集電極電流為 0（這叫做三極管截止），相當于開關斷開；當基極電流很大，以至于三極管飽和時，相當于開關閉合。如果三極管主要工作在截止和飽和狀態(tài)，那么這樣的三極管我們一般把它叫做開關管。

如果我們在上面這個圖中，將電阻 Rc 換成一個燈泡，那么當基極電流為0 時，集電極電流為 0，燈泡滅。如果基極電流比較大時（大于流過燈泡的電流除以三極管的放大倍數(shù) β），三極管就飽和，相當于開關閉合，燈泡就亮了。由于控制電流只需要比燈泡電流的 β 分之一大一點就行了，所以就可以用一個小電流來控制一個大電流的通斷。如果基極電流從 0 慢慢增加，那么燈泡的亮度也會隨著增加（在三極管未飽和之前）。

對于 PNP 型三極管，分析方法類似，不同的地方就是電流方向跟 NPN 的剛好相反，因此發(fā)射極上面那個箭頭方向也反了過來——變成朝里的了。