晶体三极管的应用.docx

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晶体三极管的应用

第二章晶体三极管和其应用

教学重点

1．掌握晶体三极管的结构、工作电压、基本连接方式和电流分配关系。

2．熟练掌握晶体三极管的放大作用；共发射极电路的输入、输出特性曲线；主要参数和温度对参数的影响。

教学难点

1．晶体三极管的放大作用

2．输入、输出特性曲线和主要参数

第一节晶体三极管

一、晶体三极管的结构、分类和符号

（一）、三极管的基本结构

1．三极管的外形：

如图2-1所示。

三极管通常有三个电极，功率大小不同的三极管体积和封装形式各不相同，近年来生产的小、中功率管多采用硅酮塑料封装，大功率三极管采用金属封装，通常做成扁平形状并有螺钉安装孔，有的大功率管干脆制成螺栓形状，这样能够使三极管的外壳和散热器连成一体，便于散热。

图2-1三极管外形

图2-2三极管的结构图

2．三极管的结构：

三极管的核心是两个PN结，按照两个PN结的组合方式不同，可分为PNP型管和NPN型两类，如图2-2所示。

3．晶体三极管有三个区――发射区、基区、集电区；

发射区掺杂浓度较大；基区很薄且掺杂最少；集电区比发射区体积大且掺杂少。

两个PN结――发射区和基区之间的PN结称为发射结（BE结）、集电区和基区之间的PN结称为集电结（BC结）；三个电极――发射极e（E）、基极b（B）和集电极c（C）；

（二）、晶体三极管的符号

晶体三极管的符号如图2-3所示。

图2-3三极管符号

箭头：

表示发射结加正向电压时的电流方向。

文字符号：

V

（三）、晶体三极管的分类

1．三极管有多种分类方法。

按内部结构分：

有NPN型和PNP型管；

按工作频率分：

有低频和高频管；

按功率分：

有小功率和大功率管；

按用途分：

有普通管和开关管；

按半导体材料分：

有锗管和硅管等等。

2．国产三极管命名法：

例如：

3DG表示高频小功率NPN型硅三极管；3CG表示高频小功率PNP型硅三极管；3AK表示PNP型开关锗三极管等。

二、三极管的基本连接方式

（a）共发射极接法（b）共基极接法（c）共集电极接法

图2-4三极管在电路中的三种基本联接方式

如图2-4所示，晶体三极管有三种基本连接方式：

共发射极、共基极和共集电极接法。

最常用的是共发射极接法。

第二节晶体三极管的电流放大和分配作用

一、晶体三极管的电流放大作用

（一）三极管的工作电压

三极管能够正常放大信号的工作条件是：

发射结加正向偏压，集电结加反向偏压。

如图2-5所示。

V为三极管，GC为集电极电源、GB称偏置电源，Rb为基极电阻，Rc为集电极电阻。

图2-6三极管三个电流的测量

图2-5三极管电源的接法

（二）三极管的电流放大作用

表2-1三极管电流放大作用测量数据

IB/mA

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

IC/mA

0.01

0.56

1.14

1.74

2.33

2.91

IE/mA

0.01

0.57

1.16

1.77

2.37

2.96

测量电路如图2-6所示：

调节电位器

，测得发射极电流

、基极电流

和集电极电

流

的对应数据如表2-1所示。

由表2-1，

结论：

1．当基极电流IB的微小变化，就能引起集电极电流IC的较大变化，这种现象称为三极管的电流放大作用。

2．晶体三极管是一种利用输入电流控制输出电流的电流控制型器件。

其特点是管内有两种载流子参与导电。

3．电流放大系数

⑴交流电流放大系数β――表示三极管放大交流电流的能力

⑵直流电流放大系数

――表示三极管放大直流电流的能力

4．通常，

，所以

可表示为

二、三极管的电流分配关系

由表2-1得出，三极管中电流分配关系如下：

因IB很小，则

IC≈IE

图2-7ICBO和ICEO示意图

说明：

1．

时，IC=-IB=ICBO。

ICBO称为集电极――基极反向饱和电流，见图2-7（a）。

一般ICBO很小，与温度有关。

2．

时，

。

图2-8共发射极输入特性曲线

ICEO称为集电极――发射极反向电流，又叫穿透电流，见图2-7（b）。

ICEO越小，三极管温度稳定性越好。

硅管的温度稳定性比锗管好。

三、三极管的输入和输出特性

（一）共发射极输入特性曲线

图2-9三极管的输出特性曲线

输入特性曲线：

集射极之间的电压VCE一定时，发射结电压VBE与基极电流IB之间的关系曲线，如图2-8所示。

由图可见：

1．当VCE≥2V时，特性曲线基本重合。

2．当VBE很小时，IB等于零，三极管处于截止状态；

3．当VBE大于门槛电压（硅管约0.5V，锗管约0.2V）时，IB逐渐增大，三极管开始导通。

4．三极管导通后，VBE基本不变。

硅管约为0.7V，锗管约为0.3V。

5．VBE与IB成非线性关系。

（二）晶体三极管的输出特性曲线

输出特性曲线：

基极电流

一定时，集、射极之间的电压

与集电极电流

的关系曲线，如图2-9所示。

由图可见：

输出特性曲线可分为三个工作区。

1．截止区

条件：

发射结反偏或两端电压为零。

特点：

。

2．饱和区

条件：

发射结和集电结均为正偏。

特点：

称为饱和管压降，小功率硅管约0.3V，锗管约为0.1V。

3．放大区

条件：

发射结正偏，集电结反偏。

特点：

受

控制，即

。

在放大状态，当IB一定时，IC不随VCE变化，三极管的这种特性称为恒流特性。

四、三极管主要参数

三极管的参数是表征管子的性能和适用范围的参考数据。

（一）、共发射极电流放大系数

1．直流放大系数

。

2．交流放大系数

。

电流放大系数一般在10~100之间。

太小，放大能力弱，太大易使管子性能不稳定。

一般选30~80为比较合适。

（二）、极间反向饱和电流

1．集电极――基极反向饱和电流ICBO。

2．集电极――发射极反向饱和电流ICEO。

反向饱和电流随温度增加而增加，是管子工作状态不稳定的主要因素。

因此，常把它作为判断管子性能的重要依据。

硅管反向饱和电流远小于锗管，在温度变化范围大的工作环境应选用硅管。

（三）、极限参数

1．集电极最大允许电流ICM

三极管工作时，当集电极电流超过ICM时，管子性能将显著下降，并有可能烧坏管子。

2．集电极最大允许耗散功率PCM

当管子集电结两端电压与通过电流的乘积超过此值时，管子性能变坏或烧毁。

3．集电极―发射极间反向击穿电压V（BR）CEO

图2-10共发射极基本放大电路

管子基极开路时，集电极和发射极之间的最大允许电压。

当电压越过此值时，管子将发生电压击穿，若电击穿导致热击穿会损坏管子。

五、电压放大原理

（一）电路形式

如图2-10所示为晶体三极管共发射极基本放大电路，放大电路中，输入交流信号vi通电容C1的耦合送到三极管的基极和发射极。

电源VCC通过偏置电阻Rb提供VBEQ，基-射极间电压为交流信号vi与直流电压VBEQ的叠加。

基极电流iB产生相应的变化。

画电路图时，往往省略电源的图形符号，而用其电位的极性和数值来表示，图中+VCC表示该点接电池或直流电源的正极，而电源的负极就接在电位为零的公共端“⊥”上。

图2-11共发射极基本放大电路中各点波形

（二）元件作用

1．V：

晶体三极管，起电源放大使用。

2．+VCC：

直流供电电源，为电路提供工作电压和电流。

3．Rb：

基极偏置电阻，电源电压通过Rb向基极提供合适的偏置电流IB。

4．C1：

输入耦合电容，耦合输入交流信号vi，并起隔离直流电的作用。

5．C2：

输出耦合电容，耦合输入交流信号v0，并起隔离直流的作用。

6．RC：

集电极负载电阻，电源VCC通过RC为集电极供电，另一个作用是将放大的电流iC转换为放大的电压输出。

（三）电路原理

iB电流经放大后获得对应的集电极电流，如图2-11所示。

iC电流大时,负载电阻RC的压降也相应大，使集电极对地的电位降低，如图2-11（e）所示；反之iC电流变小时，集电极对地的电位升高。

因此集-射极间的电压UCE波形与iC变化情况相反。

集电极的信号经过耦合电容C2后隔离了直流成分VCEQ，输出的只是大信号的交流成分，波形如图2-11（f）所示。

综上分析可知，在共发射极放大电路中，输出电压v0与输入信号电压vi频率相同，相位相反，幅度得到放大。

六、分压偏置电路基本交流电压放大电路

图2-12三极管分压偏置放大电路

图2-13射极输出器

如图2-12所示为三极管分压偏置放大电路，与前面的固定偏置电路相比较，多用了三个元件。

上偏置电阻Rb1和下偏置电阻Rb2构成一个分压电路，以固定三极管基极的电位VB，再利用发射极回路中的电阻Re获得反映集电极电流变化的电压VE，使之与VB相比较得它们的差值来控制IB以维持IC的基本稳定。

Ce则称作发射极旁路电容，它的存在使得在考虑交流信号时不必考虑Re的影响。

七、射极输出器

射极输出器的电路如图2-13所示，从图中可以看到，它与前面介绍的电路不同，它的输出端是从发射极引出的，故该电路称为射极输出器。

射极输出器电路的特点是：

输入电阻大、输出电阻小，因此在电路中常常起阻抗变换作用；共集电极放大电路具有电流放大作用，带负载能力强、因此又常作为多级放大电路的输出级；共集电极放大电路的电压放大倍数恒小于1，而又十分接近1，并且输出电压与输入电压同相，所以又称为射极跟随器（简称射随。

）

第三节晶体三极管的开关特性

三极管具有三种工作状态、放大状态、饱和状态和截止状态。

在放大电路中，三极管主要工作在放大状态，因此，偏置电路和其参数的设置要令电路的工作点处于合适的位置，

图2-14三极管的开关特性

而在脉冲电路中，三极管主要工作在饱和状态和截止状态，并且经常在这两种状态之间快速转换，只有在转换时才以极短的时间迅速通过放大区，三极管的这种工作状态通常称为

“开关状态”。

如图2-14所示，当输入电压低于晶体三极管死区电压或反向偏置时管子集电极—发射极之间基本上无电流流通，相当于断开的开关。

当输入电压增大，三极管进入放大状态，当输入电压足够大时，管子进入饱和状态，相当于接通的开关。

第四节晶体三极管应用举例

一、汽车晶体管调节器电路

图2-15汽车晶体管调节器电路

图2-15所示电路可用来取代汽车上传统的电磁振动式电压调节器（节压器），它几乎可在任何一种负极搭铁的电系中与其发电机配合使用。

当充电系输出电压小于13V时，稳压管D1和晶体三极管T1截止，T1集电极电位升高使T2导通，于是将全压加于发电机激磁绕组，使其输出电压逐渐升高，与此同时，发电机也向蓄电池进行定电压充电。

当发电机输出电压达到13.6V时，D1和T1导通，T1集电极电位降低使T2截止，发电机激磁电流减小，输出电压下降，以实现将其电压限制在13~13.6V的范围之内，从而达到调压之目的。

二、汽车光电式电子点火控制器

图2-16汽车光电式电子点火控制器电路

图2-16所示是汽车光电式电子点火控制器电路，发动机工作时，遮光盘随分电器转动，当遮光盘缺口通过光源时，红外光照射到光敏三极管V2上，使其产生基极电流而导通，三极管V3也随之导通，V3导通后，通过R4给V4提供基极电流使V4导通，V5基极电位接近零而截止，此时V6通过R6和R7的分压获得基极电流而导通，于是接通了点火线圈初级电路，点火线圈铁芯中产生磁场；当遮光盘档住光线时，V2、V3、V4截止，V5导通，V6截止，建立将点火线圈初级绕组切断，磁场迅速消失，点火线圈次级绕组产生高压电。

C1的作用是抗自激干扰。

图2-17汽车制动灯故障监视器

三、汽车制动灯故障监视器

汽车制动灯状况的好坏，直接影响到尾随车辆的安全。

为了减少交通事故，保证行车安全，制动灯故障监视器可以给司机和时提醒。

图2-17所示是汽车制动灯故障监视器，电路原

图2-18汽车挡风玻璃洗涤液液位过低报警器电路

理如下：

常态情况下，制动灯开关是断开的。

由于1.5K电阻大，制动灯内阻很小，三极管T1和T2的基极电位偏低，T1和T2管截止，指示灯不亮。

若此时指示灯发亮，表明制动灯烧断或灯头有故障。

汽车制动时，制动灯开头接通，三极管T1和T2的基极电位升高，T1和T2管导通，指示灯亮，表示正常，如果制动时指示灯不亮，则说明制动灯烧断或灯头有故障或电路有搭铁等故障。

四、挡风玻璃洗涤液液位过低报警器

汽车挡风玻璃由于被泥土、灰尘或雪花遮挡，朦朦胧胧看不清楚，势必造成能见度低，影响汽车的安全行驶。

图2-18所示是汽车挡风玻璃洗涤液液位过低报警器电路，该报警器电路是靠装在贮水器内的两根控针导电时，微小电流使T1复合管导通，使其集电极电位下降，报警指示灯失电不亮，表示洗涤液液位正常，如果液位过低，两根控针无微小电流使T1复合管截止，其集电极电位升高，报警指示灯电得电而亮，表示洗涤液液位过“低”。

五、汽车光电式车速传感器

（a）（b）

图2-19汽车光电式车速传感器外形和其光电转换电路

图2-19（a）所示是汽车光电式车速传感器外形，图2-19（b）是车速传感器光电转换电路。

当遮光板不能遮断光束时，光敏晶体管受到发光二极管的照射，光敏晶体管因光照而导通，晶体管T的基极电位升高，晶体管处于导通状态，当遮光板遮断光束时，光敏晶体管截止，晶体管T的基极电位为零，晶体管T截止，从而Si端子输出幅值约5V的矩形脉冲信号。

技能训练三：

三极管的测试

一、硅管或锗管的判别：

图2-20判别硅管或锗管的测试电路

图2-21估测β的电路

判别电路如图2-20所示。

当V=0.6~0.7V时，为硅管；当V=0.1~0.3V时，为锗管。

二、估计比较β的大小

图2-22的估测

NPN管估测电路如图2-21所示。

万用表设置在R⨯1kΩ挡，测量并比较开关S断开和接通时的电阻值。

前后两个读数相差越大，说明管子的β越高，即电流放大能力越大。

估测PNP管时，将万用表两只表笔对换位置。

三、估测ICEO

NPN管估测电路如图2-22所示。

所测阻值越大，说明管子的ICEO越小。

若阻值无穷大，三极管正常；若阻值为零，三极管短路。

测PNP型管时，红、黑表笔对调，方法同前。

四、NPN管型和PNP管型的判断

图2-23基极b的判断

如图2-23（a）所示，将万用表设置在R⨯1kΩ或R⨯100Ω挡，用黑表笔和任一管脚相接（假设它是基极b），红表笔分别和另外两个管脚相接，如果测得两个阻值都很小，则黑表笔所连接的就是基极，而且是NPN型的管子。

如图2-23（b）所示，如果按上述方法测得的结果均为高阻值，则黑表笔所连接的是PNP管的基极。

五、e、b、c三个管脚的判断

首先确定三极管的基极和管型，然后采用估测β值的方法判断c、e极。

如图2-31所示，（以NPN型管9014为例），先假定一个待定电极为集电极（另一个假定为发射极）接入电路，记下欧姆表的摆动幅度，然后再把两个待定电极对调一下接入电路，并记下欧姆表的摆动幅度。

摆动幅度大的一次，黑表笔所连接的管脚是集电极c，红表笔所连接的管脚为发射极e，测PNP管时，只要把图2-21电路中红、黑表笔对调位置，仍照上述方法测试。

本章小结

１．能把微弱的电信号（电压、电流等）转换为所需数值电信号的电路称为放大电路，简称放大器。

晶体三极管由两个PN结构成，有NPN型和PNP型两种基本类型。

它们的工作原理基本相同，但各极间所接电源的极性恰好相反，因此流过各极的电流和极间电压的方向也相反。

2．三极管是由两个PN结构成的半导体器件，在发射结正偏、集电结反偏的条件下，具有电流放大作用；在发射结与集电结均正偏时，处于饱和状态，相当于开关的闭合；在发射结与集电结均反偏时，处于截止状，相当于开关的断开；在实际电路中，三极管的放大功能和开关功能得到广泛应用。

基本放大电路的组成原则是：

使发射结正向偏置，集电结反向偏置。

为保证基本放大电路正常放大输入信号，必须合理地设置静态工作点。

3．三极管的输入特性类似二极管，输出特性曲线分为截止区、放大区、饱和区和击穿区。

三极管的特性受温度的影响较大。

放大体现了信号对能量的控制作用，放大电路输出信号的能量是由电源提供的。

β值表示电流放大能力的大小；ICBO、ICEO反映了管子温度稳定性；

4．晶体三极管的工作状态有三种：

截止、放大和饱和。

（1）截止状态

条件：

发射结和集电结都接反向偏置。

特点：

IB≈0，IC≈0，UCE≈E。

（2）放大状态

条件：

发射结接正向偏置，集电结接反向偏置

特点：

△IC≈β△IB

（3）饱和状态

条件：

发射结和集电结都接正向偏置。

特点：

IC≈EC/RC；IC不再随IB的增加而增加。

5．三极管是一种电流控制器件，即通过基极电流去控制集电极电流。

三极管的放大作用，实质上是一种电流控制作用。

三极管的输入、输出特性曲线都是非线性的，因此不能随便应用欧姆定律来进行计算。

6．要保证三极管放大电路能正常工作，要设置合适的静态工作点，除了常见的基本交流电压放大电路外，还有分压偏置放大电路和射极输出电路。

思考题与习题

2-1三极管的主要特性是什么？

放大的实质是什么？

2-2三极管三个电极的电流哪个最大？

哪个最小？

哪两个相接近？

2-3某三极管①脚流出电流为3mA，②脚流进电流是2.95mA，③脚流进电流为0.05A，判断各管脚名称，并指出管型。

2-4测得工作在放大电路中的PNP型三极管两个电极的电流如习题图2-24所示。

（1）求另一个电极的电流并在图中标出实际方向。

（2）在图中标出e、b、c极。

（3）估算β值。

图2-24

2-5测得工作在放大电路中的NPN型三极管三个电极的电压分别为：

U1=3.5V、U2=2.8V、U3=15V。

（1）判断该三极管是硅管，还是锗管？

（2）确定该三极管的e、b、c极。

2-6如何用万用表判别晶体三极管的管脚和管型？

又如何判断是硅管和锗管？

2-7测得某电路中几个三极管的各极电位如图2-25所示，试判断各管工作在什么状态？

图2-25

2-8为什么在交流电压放大电路中必须设置合适的静压工作点？

否则输出电压信号将会出现什么现象？

2-9放大器的基本功能是什么？

放大的实质是什么？

对放大器有哪些基本要求？

2-10晶体三体管在放大电路中的作用是什么？

它的直流静态工作点对放大有影响？

图2-26

2-11试判断图2-26所示的电路能否放大交流电压信号？

若不能，请加以改正。

图2-27

2-12射极输出器输出电压小于输入电压，是不是没有放大作用？

在电子线路中主要应用它的什么性能？

2-13图2-27所示是汽车用国产JKF667型电子点火控制器电路，分析电路的工作原理。

2-14分析图2-15汽车制动灯故障监视器电路的工作原理。

2-15分析图2-18汽车挡风玻璃洗涤液液位过低报警器电路的工作原理。

2-16分析图2-19汽车光电式车速传感器的工作原理。