雙極性晶體管（三極管）的應用舉例

結型晶體管是三明治結構，下圖是NPN型三極管的半導體結構及其電路符號。

其中，B為基極（Base)，E為發(fā)射極（Emitter)，C為集電極（Collector）。前文中我們提到，三極管是為了實現(xiàn)運算放大功能而發(fā)明的。那么，三極管實現(xiàn)的是什么樣的放大功能呢？

我們在B和E之間，提供一個0.7V的正向偏置電壓，即Vbe=0.7V（這可以通過電壓源加限流電阻的方式實現(xiàn)），這個0.7V的電壓即為PN結的壓降。此時從B極注入了一定的電流Ib進入到三極管，這個電流被稱為基極電流。三極管的作用，就是要將這個基極電流放大，以滿足運算放大的需求。

當我們把電路接成下圖中的這種形式后，在一定的R2范圍內，會發(fā)現(xiàn)流進三極管的集電極電流Ic和基極電流Ib成比例地增大或減小，并且Ic/Ib遠大于1，這個比例與電阻R2的阻值無關。也就是說，通過Ib控制了Ic，集電極電流Ic即為基極電流Ib的放大。

這樣的放大特性，能幫我們完成很多事情，我們會在接下來的應用中介紹。在此之前，我們需要先理解三極管的工作狀態(tài)。

三極管的工作狀態(tài)，并非一成不變的。也就是說，三極管能夠用來實現(xiàn)電流放大，是有條件的。

下圖左邊是三個工作區(qū)劃分，右邊是典型的NPN三極管S8050（Fairchild生產）的輸出特性曲線，一般三極管的輸出特性曲線都會在第一張圖里給出。

在模電中我們學過，只有當三極管處于放大區(qū)時才處能實現(xiàn)成比例放大。那么，我們如何理解上圖中的三個工作區(qū)呢？

以NPN三極管為例，給出我的理解，具體請參考模電教材。

1）截止區(qū)。b,e之間的PN結處于阻斷狀態(tài)。流進基極的電流為零。集電極和發(fā)射極自然也不會有電流，故稱為截止區(qū)。此時CE之間必須承受正向電壓。即Vc高于Ve，否則會造成三極管的反向電壓擊穿。

2）放大區(qū)和飽和區(qū)。一般的模電教材會把這兩個區(qū)分開講解，提出所謂的“發(fā)射極正偏，集電極反偏就是放大區(qū)。發(fā)射極正偏，集電極正偏就是飽和區(qū)”這種說法。實際上，這種說法顛倒了事情的因果，只是為了方便做題用的。當基極電流和外部電路條件都給定后，三極管的PN結的正向偏置與反向偏置只是外部電壓表現(xiàn)，并不是造成三極管工作在這個區(qū)的原因。

我們根據(jù)三極管的三種工作狀態(tài)，可以知道它至少具有以下功能：

1）截止時阻斷電壓，be正偏時導通電流，這種特性完全可以用來做開關器件，并且是可控的主動型開關器件。我們上一篇文章中講的被動器件二極管能實現(xiàn)的功能，理論上用三極管也都能實現(xiàn)。

2）三極管工作在放大區(qū)時，通過外部電路可將電流的比例關系線性地轉化為電壓的比例關系，用來做信號傳輸和處理。

3）三極管的電流放大能力，使得其可以實現(xiàn)功率放大功能。

下面針對這三點，一一舉例說明：

實例1---開關器件

事實上，在場效應晶體管MOSFET還沒有問世之前，一些基本的電力電子線路都是基于雙極性功率晶體管的。包括電力電子電路中的Buck、反激等電路。開關器件也不只局限于功率電路中，任何一個信號調理電路中，都比較容易見到三極管的身影。當然，目前三極管用途最廣泛的還是在集成電路中。

這里，我們考慮現(xiàn)在使用非常頻繁的有源器件---比較器。相信很多工程師都接觸過這個器件。那么這個器件和三極管有什么關系呢？

我們給大家介紹比較器的兩種輸出結構（圖片來自Ti官網(wǎng)資料）。

第一種輸出結構被稱為集電極開路結構（OC結構），第二種輸出結構為推挽集電極結構。對于OC結構，比較器的輸出必須要有上拉電阻。對于推挽結構，外部則不必加上拉。

出一個思考題，哪種結構的輸出可以直接并聯(lián)實現(xiàn)邏輯“或”的功能？

我們重點想講解的，是比較器的OC輸出狀態(tài)。

比較器的OC輸出狀態(tài)靠OC三極管實現(xiàn)，理論上只有兩種狀態(tài)，高電平（電源正軌）和低電平（電源負軌），此時OC三極管要么工作在截止區(qū)，要么工作在飽和區(qū)。

但在某些場合，由于設計疏忽或者某些工況對上拉電阻進行了并聯(lián)，比較器的輸出上拉電阻可能存在阻值較小的情況。當比較器的反相輸入端電壓高于同向輸出端時，此時OC三極管的基極為高電平，OC三極管的CE電壓理應被拉低至電源負軌。

然而，由于上拉電阻的阻值配置得過小，超出了三極管的sink current 能力，OC三極管退飽和，進入了放大區(qū)。此時比較器的輸出電平就不再是低電平（電源負軌），而是電源負軌電壓加上三極管的CE電壓(Vo=Vee+Vce)。這個輸出電平可能會被系統(tǒng)認為是高電平，從而比較功能失效。例如在下圖例子中，當電流Io=30mA時，比較器的輸出不再是0V附近，而是到了10V左右。

實例2---信號傳輸

三極管為三端口元件，當輸入輸出的地共用某個端口時，另外兩個端口即可用作信號的輸入與輸出。最典型的是下圖中的共射極連接方式。

其中C1,C2為隔直電容（有些地方將其稱為耦合電容），承擔三極管直流偏置電壓。這樣，輸入的VAC信號就被傳遞到了輸出RL的電壓信號。Rs為電源內阻和線路電阻。

要使得這樣的放大電路能正常工作，必須注意如下兩點：

第一點是信號強度一定要在三極管的放大區(qū)。無論是靜態(tài)工作點，還是疊加信號分量的工作點，都必須處于三極管放大區(qū)，否則就會造成信號失真（截止失真和飽和失真，相關概念可以查閱模電教材）。

第二點是阻抗的匹配。當我們需要對放大電路進行級聯(lián)時，就必須考慮放大器的輸入輸出阻抗。最理想的阻抗特性，當然是輸出阻抗為零，這樣輸出信號就可以無損地傳遞到后級輸入了，輸入阻抗為無窮大，這樣本級的電路就不會對前級的電路產生影響。這樣的阻抗如何求取呢？--根據(jù)電路的交流小信號模型。對于交流小信號模型，隔直電容可以看做短路。我們知道，電容容值越大，其高頻阻抗越低，因此工程上可以這樣做短路處理。同樣，電壓源也可以看做對地短路，這與電容是一個道理。

那么上面的電路就等效成了下面的交流小信號電路。

這樣電路就變得很簡單了，只剩下一個三極管需要處理。對于三極管，模電教材中有專門的小信號模型，只需要將其套用到這里的電路即可。這個電路的輸入輸出阻抗留給讀者自行求取。

針對傳輸特性，我們還需考慮實際器件的關鍵參數(shù)。

第一個是電流增益β，也即是集電極電流與基極電流之比，這個參數(shù)并非是一個固定的常數(shù)，它和溫度以及集電極電流相關，而且即使是同一廠家生產出來的同一批次器件，增益參數(shù)β的離散度也不容忽視。廠商的Datasheet中通常給出與之相關的另一個參數(shù)hfe隨集電極電流的變化曲線

第二點是三極管的頻域特性，往往用增益帶寬積表示。因為高頻情況三極管內部的一些結電容影響了三極管的高頻特性。增益帶寬積，是頻率可用空間與增益能力的綜合體現(xiàn)，除了三極管需要關心這個參數(shù)外，其他主動器件，比如集成運放，傳感器等等器件，都需要注意這一點。

實例3---功率驅動

由功率三極管，可以搭建非常多的功放電路。所謂功放，本質上還是利用的三極管電流放大能力。模電教材里面給出了很多例子，比如甲類，甲乙類等等，這里我們不再重復講解。我們再從工程應用的角度舉一個例子--圖騰柱驅動。

在一些功率電路里面，高頻開關器件（例如IGBT）需要有一定的門極驅動電壓電流才能開通器件，而一般集成IC或者MCU提供的拉電流能力是比較有限的，并且芯片Pin角的輸出電平為MCU的驅動電平只有5V或3.3V。這時需要采用一個中間過渡環(huán)節(jié)，提高驅動脈沖電壓，同時加強輸出電流能力，電平移位加圖騰柱的驅動方案就是一個選擇。

上圖中，MCU的供電為5V，MCU的驅動脈沖高電平為5V，且拉電流能力為mA級別，完全不足以驅動右邊的IGBT門極。但如果中間加上電平移位（Level Shifter)和圖騰柱（Totem pole)結構,就可以解決這個問題。

當MCU Driver信號為高時，Q1導通，圖騰柱Q2，Q3的基極電壓被拉到零，此時，此時Q3開，Q2關，IGBT門極通過R4和Q3放電。Q3的灌電流（Sink Current)能力要遠大于MCU的pin角。IGBT門極電壓能迅速降至零并維持，IGBT關斷。

當MCU Driver信號為低時，Q1截止，圖騰柱Q2，Q3的基極電壓被拉到Vcc,Q2開啟，Q3關斷，此時驅動電流從Vcc出發(fā)，經(jīng)過Q2，R3，R4后到IGBT門極。此時門極的驅動電壓為Vdriver=Vcc-R2壓降-Q2的BE之間的PN結壓降-R3，R4壓降，總壓降基本可以控制在1V左右，同時Q2的電流是MCU電流經(jīng)過兩級放大后得到的，所以驅動IGBT的開通完全沒有問題。

這里再出一個思考題，圖騰柱中的三極管工作在哪個區(qū)呢？

以上我們就用三種實例講解了三極管的各種用法。事實上，三極管作為模擬電路的基礎，用途遠遠不止這些，今天舉的例子只是九牛一毛。三極管的控制特性，也決定了它可以用來做反饋，例如線性穩(wěn)壓源；模電教材中三極管夠成的鏡像電流源，在集成電路中使用非常廣泛。這里我們就不一一細講了，后面的專題中我們有機會再給大家介紹，感興趣的讀者可以自行總結，他們分別利用了三極管的哪些特性。