什么是三極管？
三極管，全稱為半導(dǎo)體三極管、雙極型晶體管或者晶體三極管，是一種控制電流的半導(dǎo)體器件。其作用是把微弱信號放大成幅度值較大的電信號，也用作無觸點開關(guān)。
三極管是半導(dǎo)體基本元器件之一，具有電流放大作用，是電子電路的核心元件。晶體三極管是一種三端器件，內(nèi)部含有兩個相距很近的PN結(jié)（發(fā)射結(jié)和集電結(jié)），兩個PN結(jié)加上不同極性、不同大小的偏置電壓時，晶體三極管呈現(xiàn)不同的特性和功能。
晶體三極管由于結(jié)構(gòu)不同，可以分為NPN型三極管和PNP型三極管，NPN型三極管和PNP型三極管的邏輯符號如下圖1所示。
圖1 NPN型三極管和PNP型三極管邏輯符號
三極管的三種工作狀態(tài)是非常重要的，是無線電基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)。對此我是這樣理解的。無論是NPN型三極管還是PNP型三極管，當(dāng)發(fā)射結(jié)加正向偏置電壓，而集電結(jié)加反向偏置電壓時，那么該三極管就工作在放大模式；而當(dāng)其發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都加正向偏置電壓時，該三極管就工作在飽和模式；而當(dāng)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)同時加反向偏置電壓時，那么該三極管就工作在截止模式。為此我編了一句順口溜：發(fā)正集反是放大；全正飽和全反截，希望對大家理解有用。
既然晶體三極管那么重要，那么我們改如何正確理解三極管的工作原理，并正確使用三極管呢？小何下面就跟大家一一分享。
三極管的工作原理
三極管的放大原理如下圖2所示，晶體管中大小與輸入信號呈正比的輸出信號可以認為是從電源來的，他們的輸入信號從基級進入而從發(fā)射級出來，晶體管只是吸收此時輸入信號的振幅信息，由電源重新產(chǎn)生輸出信號，這就是放大的原理。
圖2 三極管放大原理
值得注意的是，對于三極管放大作用的理解，必須切記一點：根據(jù)能量守恒定律，能量不會無緣無故的產(chǎn)生，所以，三極管一定不會產(chǎn)生能量。
晶體管的內(nèi)部工作原理就是對流過基極與發(fā)射極之間的電流進行不斷地監(jiān)視，并控制集電極-發(fā)射極間電流源，使基極-發(fā)射極間電流的數(shù)十至數(shù)百倍（因晶體管種類而異）的電流在集電極與發(fā)射極之間流動。也就是說，晶體管是用基極電流來控制集電極-發(fā)射極電流的器件。晶體三級管的內(nèi)部工作原理如下圖3所示。
圖3 晶體三級管的內(nèi)部工作原理
換句話說，為了讓晶體管工作，只需要設(shè)計一種外部電路，使基極-發(fā)射極間的電流流動就可以了。晶體管都有一個箭頭方向，我們可以理解為晶體管的基極-發(fā)射極之間加入了一個二極管，而箭頭的方向就是二極管的方向，如下圖4所示。
當(dāng)晶體管進行工作時（基極和發(fā)射極之間有電流的流動，NPN型是從基極流向發(fā)射極，PNP型是從發(fā)射極流向基極），基極-發(fā)射極間的壓降與二極管的壓降相同，為0.6~0.7V。也就是說，在設(shè)計電路時，只要使晶體管的基極-發(fā)射極間的電壓設(shè)為Vbe＞＝0.6V，使基極-發(fā)射極之間的二極管導(dǎo)通，這樣三極管基極-發(fā)射極之間就有電流流動，然后再對電路的其他部分進行計算就可以了。
圖4 晶體管基極-發(fā)射極間的二極管
對于三極管的理解，可能有同學(xué)還不是很理解，下面就用生活中一個很常見的實物類比，這里以NPN型三極管為例進行說明，PNP型三極管類似，只是方向不同而已，結(jié)論都適用。
三極管就如同日常使用的水龍頭，如下圖5所示，三極管的集電極C可以看做水龍頭的進水口；發(fā)射極E可以看做可以看做水龍頭的出水口，基極B可以看做水龍頭的開關(guān)。
圖5 類比三極管的水龍頭
在使用水龍頭時，轉(zhuǎn)動開關(guān)B，當(dāng)向右轉(zhuǎn)動時，水流會慢慢增大，向右轉(zhuǎn)到最大位置時，水流最大，此時開關(guān)B無法再向右旋轉(zhuǎn)，即對應(yīng)三極管的飽和模式；
當(dāng)向左旋轉(zhuǎn)時，水流會逐漸減小，當(dāng)向左旋轉(zhuǎn)到最小時，此時水流為零，即對應(yīng)三極管的截止模式；這樣開關(guān)B在最左側(cè)時，就對應(yīng)三極管的截止模式，在最右側(cè)時，就對應(yīng)三極管的飽和模式，在中間位置時，則對應(yīng)三極管的放大模式。這樣就很好理解了，其實三極管并沒有起到放大作用，一直以來所謂的放大都是被誤解了。
從上面的分析可知，為了讓三極管能夠工作，需要在基極和發(fā)射極之間去驅(qū)動那個二極管，讓二極管導(dǎo)通，讓基級和發(fā)射極之間有電流的流動，在水龍頭的開關(guān)操作中，需要去旋轉(zhuǎn)這個開關(guān)，向右旋轉(zhuǎn)就相當(dāng)于告訴水龍頭，要開始放水了，這個向右的動作就相當(dāng)于是從管基極流向發(fā)射極的電流，兩者都有一個方向上的動作。
在現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計中，隨著集成電路集成度越來越高，在設(shè)計電路時，晶體三極管作為邏輯開關(guān)的使用非常廣泛。晶體三極管作為開關(guān)管使用時，是利用了讓三極管工作在飽和模式下，也即是在最左側(cè)時BE關(guān)閉，在最右側(cè)時CE導(dǎo)通。上面的水龍頭例子對三極管做了較為清晰的理解，在進行電路設(shè)計時，需要有一個可以量化的設(shè)計指標(biāo)，即基極電流和集電極電流的關(guān)系來做量化分析。在進行三極管的飽和狀態(tài)設(shè)計時，可以采用如下公式：
式中, 是基極流入發(fā)射極的電流； 是三極管的放大倍數(shù)； 是集電極的電流。
有時候需要用晶體三極管來對輸入的信號做放大處理，在電路設(shè)計中，晶體三極管想選型可以按照如下步驟進行。
(一) 、需要明確制作什么樣性能的電路，也即是說，要有一個系統(tǒng)的電路設(shè)計的規(guī)格書；
(二) 、確定要使用電源的電壓，來保證電路的正常工作；
(三) 、選擇所要使用的晶體管的類型，PNP或者NPN，一般NPN型三極管使用的要多一些。應(yīng)根據(jù)晶體三極管Datasheet里的最大額定值選擇，保證其不會在工作時損壞，在額定值內(nèi)查看其電氣特性，根據(jù)目標(biāo)信號放大倍數(shù)選定合適的三極管；
(四) 、確定發(fā)射極或集電極的最佳電流工作點，這個要根據(jù)晶體三極管的頻率特性曲線與發(fā)射集電極或集電極電流的關(guān)系來看；
(五) 、電路的電壓放大倍數(shù)是由接在電源和集電極C之間的電阻 和接在發(fā)射極和地之間的電阻 之間的電阻比值決定的；
(六) 、基極電位是 +0.6V，基極電位一般由電阻分壓得到。使用三極管作為開關(guān)時，有時候會出現(xiàn)電壓鉗位的問題，此時需要在合適的位置添加電阻進行處理。如下圖6所示，當(dāng)三極管導(dǎo)通后，三極管的基極電壓因為基極-發(fā)射極間二極管的原因，會被鉗位在0.6~0.7V，此時，因基極和發(fā)射極間的電阻很小，所以會有很大的電流流過，會損壞晶體三極管管子，可以在POWER_UP和1基極之間串聯(lián)電阻（如47K）。 注意：三極管的鉗位作用，就可以理解成二極管的鉗位作用。
圖6 三極管的輸入鉗制電壓電路
(七) 、三極管現(xiàn)在已經(jīng)逐漸被MOS管取代，同時三極管現(xiàn)在已經(jīng)主要變成一種開關(guān)了，一般來說三極管做最簡單的信號放大，高精度的放大工作主要由運放來完成。
總結(jié)
要完成高質(zhì)量放大電路的設(shè)計，有時候你按照步驟來設(shè)計電路，會發(fā)現(xiàn)為了滿足這個條件，而不得不去修改另外一個條件。很多情況下，只能采用權(quán)宜之計。因此，一個優(yōu)秀的電路，是一個優(yōu)秀的工程師重復(fù)設(shè)計，多次推演而設(shè)計出來的。
雖然現(xiàn)代的實際應(yīng)用中大部分都會采用集成的放大器來處理信號。但是作為一個技術(shù)的愛好者，做一些事情不需要考慮實際意義。有時候是因為艱難，所以喜歡。
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