基于晶體三極管的放大電路分析

袁龍剛

（蘭州鐵路技師學院，甘肅 蘭州 730050）

三極管是電子電路設計中的重要元件，其電路起著電壓電流放大的作用。三極管中有3個工作區，在放大區選擇合適的靜態工作點q，使輸入信號失真并穩定放大。同時，三極管對不同的信號頻率有不同的響應，高頻電子電路主要工作在三極管的飽和區。

1 三極管放大電路概述

半導體晶體管被稱為雙極晶體管，三極是發射極、集電極以及基極。在三極NPN的情況下，通過在硅片上生長的摻雜工藝在三極管上形成兩個PN結，并在不同的偏壓下控制兩個PN結的開關控制。電壓和電流放大效應大大加快了電子技術的發展。

晶體的三極管分為不同的類型，根據制造材料分為鍺管和硅管，根據結構不同可分為PNP管和NPN管。把微弱的電信號按一定倍數放大。它還具有開關作用，用來構成多種脈沖與數字電路。它體積小、能耗低、價格便宜，已廣泛應用于電子線路中。

2 不同組態的三極管放大電路

根據三極管電路中的連接方式可知，三極管有多種不同的電路設計模式。在電路設計中，三極管的工作方式有放大、飽和以及截止，這與三極管的外部偏置電壓有關。當集流結反向偏置時，發光結正向偏置，三極管在放大區工作。當發光結和集電極結同時被正向偏壓時，三極管會產生飽和應變。當發光結反向偏壓時，即使三極管的集流結偏壓，三極管也處于關斷狀態。晶體三極管有兩種類型，一種是NPN型(多為硅管，硅管比較穩定，應用較廣泛)，另一種是PNP型(多為鍺管)。每種類型都有兩個PN結(發射結和集電結)，三個區(發射區，基區和集電區)。發射區和集電區雖然半導體類型相同，但發射結比集電結的面積小，發射區比集電區摻雜濃度大，所以兩區的作用是不同的。使用時發射極與極電極一般不能互換。兩種類型三極管工作原理相似，僅使用時外加電源的極性不同。外加電源的極性，根據發射極上邊的箭頭方向來決定，NPN型發射極接負，PNP型發射極接正極。

3 晶體三極管的電流放大作用

NPN型三極管的實驗電路如圖所示，有兩個電流回路。輸入回路(又稱基極回路)，輸出回路(又稱集電極回路)。其中發射極是公共端，這種接法就稱為三極管的共發射極接法。

NPN型三極管集電極回路電源電壓要大于基極回路電源電壓，這樣才有可能是發射結正偏，集電結反偏，三極管起到放大作用。改變基極電流，集電極電流和發射極電流都發生變化。

對于NPN型三極管，實驗得出如下結論：（1）發射極電流等于基極電流和集電極電流之和。（2）基極電流很小，集電極電流與發射極電流接近相等。（3）較小的基極電流變化能引起較大的集電極電流變化。而且比值在一定范圍內基本不變，這一變化規律稱之為三極管的電流放大作用。集電極電流的變化量與對應基極電流的變化量的比值叫做三極管的電流放大系數。用符號β表示。當β值不在保持基本不變而是下降較大時，基極電流對集電極電流就失控了，這時三極管是處于飽和狀態。對于PNP型三極管具有電流放大作用，同樣必須使其發射結加上正向偏置，集電結加上反向偏置。

4 晶體三極管的特性曲線

4.1 輸入特性

主要可從以下幾個層面做好簡要分析：

（1）當集射極電壓為固定值時，輸入回路中基極電流與基射極電壓之間的關系。①當集射極電壓為零伏時，三極管的輸入特性與二極管的正向伏安特性相似。②當集射極電壓≥1v時，輸入特性右移。大于1V和等于1V的輸入特性曲線接近重合。

（2）當基極電流為恒定值時，輸出電路中集電極電流與集射極電壓之間的關系。①放大區。輸出特性曲線的近于水平部分是放大區。在放大區集電極電流受基極電流的控制而與集射極電壓幾乎無關，具有電流放大的作用。在不同的基極電流值下，各條輸出特性曲線近乎平行。當所取的基極電流值間隔相同時，所得的輸出特性曲線的間隔的大小反映了管子的電流放大系數β值的大小。此時集電極電流與基極電流成正比關系，故放大區又稱為線性區。三極管工作在放大狀態時，發射結處于正向偏置，集電結處于反向偏置。②截止區。基極電流等于零的曲線以下的區域稱為截止區。基極電流等于零，集電極電流不等于零，而是一個較小值，通常稱它為穿透電流I CEO。在常溫下穿透電流數值很小，三極管極射極間接近開路，處于截止狀態。③飽和區。集射極電壓很小(硅管約小于0.5v)的區域稱為飽和區(飽和區跟集電極電壓相關)。在飽和區集電極電流的大小幾乎只決定于集電極的外部電路，基極電流的進一步增大不會引起集電極電流的顯著增大。一般稱三級管處于飽和狀態。此時三極管在輸出回路中相當于接通狀態下的開關。在飽和區發射結集電結均處于正向偏置。三極管組成放大電路是工作在放大區處于放大狀態，組成數字電路是工作在飽和區和截止區，處于飽和與截止狀態。

5 基本放大電路

5.1 原理

三極管：能量較小的輸入信號是通過三極管的控制作用去控制電源所提供的能量，以便在輸出端獲得一個能量較大的輸出信號。三極管也可以說是一個以小電流控制大電流的控制元件。

集電極負載電阻Rc：主要是將集電極電流的變化變換為電壓的變化，以實現電壓放大。阻值一般為幾千歐到幾十千歐。

直流電壓源：為放大電路提供能量，并使集電結處于反向偏置，發射結處于正向偏置。三極管工作在放大區時直流電壓源一般為幾伏到幾十伏。

基極偏置電阻Rb：電源通過基極偏置電阻使三極管的發射結處于正偏。改變基極偏置電阻的數值就可以改變三極管的基極電流，從而相應的改變集電極電流和管壓降，使放大電路建立起合適的直流工作狀態，并工作于三極管的線性區，通常這種工作狀態稱為靜態工作點。即基極電阻是確定放大電路靜態工作點的關鍵元件，通常稱之為偏置電阻。

耦合電容：(隔直電容)交流信號可以順利的通過耦合電容，而放大電路的直流靜態工作電流卻被耦合電容隔斷，使三者之間無直流聯系。在放大電路工作頻率范圍內，耦合電容的容抗很小，對交流信號視作短路。耦合電容的電容值要取的較大，低頻放大時一般使用幾微法到幾十微法的電解電容器，連接時注意電解電容器的極性。

5.2 估算法

（1）概述。①靜態估算主要是對電路中的直流分量—基極電流、集電極電流以及集射極電壓的計算，即對靜態工作點的計算。②動態是指有交流信號輸入放大電路時該電路的傳輸特性。動態估算是在靜態工作點確定后進行的。它可以給出放大電路的交流輸出電壓，放大倍數，輸入電阻和輸出電阻等的估算值。用簡化微變等效電路(在小信號微變量的條件下，在靜態工作點附近的小范圍內，近似的用直線來代替曲線，將三極管線性化)分析法進行動態估算。

（2）輸入電阻的計算：一個放大電路總是要與其他電路相聯系的，輸入端或是連接信號源或是連接上一級放大電路。輸出端或是連接負載，或是連接下一級放大電路。放大電路和它們之間是相互聯系、相互影響的。放大電路對于信號源來說是一個負載，可以用一個電阻，等效代替這個電阻就是放大電路的輸入電阻。放大電路的輸入電阻基本上等于三極管的輸入電阻。通常希望放到電路的輸入電阻大一些。第一，電阻大從信號源取較小的電流，減輕信號源的負擔。第二，輸入電阻分壓使實際加到放大電路的輸入電壓增大，從而增大電路的輸出電壓。第三，后級放大電路的輸入電阻大(前級負載電阻大)，將會提高前級放大電路的電壓放大倍數。

（3）輸出電阻的計算。放大電路對于負載來說，可將它等效為一個理想電壓源與內阻相串聯的電路。這個內阻就是放大電路的輸出電阻。一個信號源，它的內阻越小，損耗越小，輸出特性越強。所以一般希望放大電路的輸出電阻越小越好。輸出電阻可以這樣來計算，將負載端開路求出放大電路的開路電壓。再將負載端短路，求出放大電路的短路電流。然后用開路電壓除以短路電流就得到內阻輸出電阻。求輸出電阻的另一種方法是在放大電路的信號源短路和負載開路的條件下，在放大電路的輸出端加一個已知電壓。計算出流入放大電路的電流，然后通過電壓除電流計算出內阻。應用簡化為變等效電路分析法，可以方便的估算放大電路的電壓放大倍數，輸入電阻和輸出電阻。微變等效電路只能作為交流信號的動態分析，不適用于靜態分析。

6 結語

綜上所述，現階段相關部門逐步重視晶體三極管的放大電路分析工作，為進一步保障工作實效，需要根據實際情況明確其整體情況，制定有效的舉措，促進各項工作的持續性開展。