硬件工程师基本元器件类复习——三极管

三极管:

电流控元件

三极管的分类

​ 1)按PN结的组合方式可分为NPN型和PNP型;(左边NPN,右边PNP)

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  • 发射极(带箭头的那一极是发射极),用e来表示;
  • 集电极,用c来表示;
  • 基极,用b表示。

​ 2)按材料可分为锗三极管和硅三极管;

​ 3)按工作频率可分为低频管 <3MHz;中频管 3~30(MHZ);高频管 30~500 (MHZ);超高频管 >500MHZ。

​ 4)按功率可分为小功率 PCM <0.5W;中功率 0.51w

​ 5)按封装材料可分为金属封装、玻璃封装、陶瓷封装、塑料封装、薄膜封装(塑料封装为主流,金属封装成本较高)

常见型号
PNP

9012——低频放大——50V——0.5A——0.625W

9015——低噪放大——50V——0.1A——0.4W

8550——高频放大——40V——1.5A——1W

TIP42——音频功放开关——100V——6A——65W

D669——达林顿功放——70V——4A——40W

NPN

9013——低频放大——50V——0.5A——0.625W

9014——低噪放大——50V——0.1A——0.4W

8050——高频放大——40V——1.5A——1W

TIP41——音频功放开关——100V——6A——65W

2N2222——通用——60V——0.8A——0.5W

主要参数

三极管的主要参数:电流放大系数、极间反向电流、集电极最大允许电流、反向击穿电压、集电极最大允许耗散功率等

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命名规则

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工作原理

以NPN管为例

1、使其工作在放大状态要求简称为:发射机正偏、集电极反偏。

在b极和e极之间施加正向电压(此电压大小不能超过1V);
在c极和e极之间施加反向电压(此电压应比eb之间电压高几伏);
三极管可以看做由两个二极管组成,当接一个电源的时候,正接反接都不导通。

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2、所以我们给BE级也接上电源

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3、在BE加正向偏压,在所以发射极大量电子流向基极。

4、基极很薄,而且掺杂的浓度低,所以一时间无法接收这么多电子。只有少部分电子与基极空穴复合形成基极电流,大部分被吸引到了集电极区形成集电极电流(即输出电流)。只有BE加大于开启电压(硅0.7V、锗0.3V),才能让集电极的电流流下来。从而形成放大小信号的效果。

工艺制作

三个区的掺杂浓度:

E区大,掺杂高(确保有足够多的电子流向基区)。

B区薄,掺杂低(薄是为了让电子容易穿过基极,掺杂低是为了使基极电流尽可能小,使更多的电流流向集电区)。

C区大,掺杂最低。

NPN型三极管结构图如下:

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封装类型

三极管封装总结
现在主流的封装有SOT与TO两种,下面分别介绍:

SOT(Small Outline Transistor 小型晶体管)

这种封装一般用于管脚数小等于5的小型晶体管,三极管常用贴片封装,如SOT-23、SOT-223。
1.1引脚意义
SOT-23: 1 基极;2 发射极;3 集电极。(不分NPN与PNP)

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SOT-223: 1 基极;2、4集电极;3 发射极。

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TO(Transistor Out-line 晶体管外形封装)

此种封装早期主要为插件,后面随着贴装的需求增大,出现了贴装形式的TO封装。

引脚意义
直插型(TO-92,TO-247,TO-220):

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贴片型(TO-252,TO-263):
根据具体型号查询数据手册确定。

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常见功能

它最主要的功能是电流放大(模拟电路)和开关作用(数字电路)。

三个工作区

三极管有三个不同的工作区:放大区、饱和区、截止区

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工作在哪个区域主要是由集电结(Ubc)和发射结(Ube)的正偏反偏决定的。

**截止区(发射结和集电结均反偏):**当Ube不是正偏(Ub≤Ue),三极管处于截止区,Ib=0,Ic≈0,Rc两端几乎没有压降。Vout=Uc≈Vcc。

放大区(发射结正偏集电极反偏):

**饱和区(发射结集电结均正偏):**当Ube正偏(Ub-Ue≥开启电压Uon)且Ubc正偏(Ub>Uc),三极管处于饱和区,Ic几乎不随Ib的增大而增大,Vout=Uc=Vcc - Ic x Rc≈0。

测量三极管引脚对地电压,可判断管子的工作状态:

1) NPN管 —— Vc>Vb>Ve,
   PNP管 —— Vc<Vb<Ve。处于放大状态。
2) 若测的三极管的集电极对地电压Vc接近电源电压Vcc,则表明管子处于截止状态(开关断开)。
3) 若测的三极管的集电极对地电压Vc接近零(硅管小于0.7V,锗管小于0.3V),则表明管子处于饱和状态(开关闭合)。
电流放大功能

三极管放大区时发射结正偏,集电极反偏,都是正偏时饱和,都是反偏时截止。

共射电路放大UI,共基电路放大I跟随U、输入R大输出R小、用输入级和输出级,共基电路放大U跟随I,高频特性好。

当三极管工作在放大区时,三极管有电流的放大功能。

Ib x β = Ic(将基极小电流放大β倍)

Vout=Vcc - Ic x Rc。(输出电压等于VCC减去Rc电阻的分压)

例子分析:

设计一个信号为0.5V,直流电源为12V的共射放大电路。要求放大倍速为4倍,β约为120。

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1、共射放大电路先确定E极(发射极)的电流、因为BE之间存在温漂,大约2mV/°C,所以一般射极电流数量级是mA,保证射极电位点在V数量级。这里选1K电阻作为Re。

2、共射极放大电路的放大倍数可以由集电极与发射极的电阻比值决定:

img

由上述公式自由配比射极电阻和集电极电阻的阻值(R2、R4、R7),值得注意的是R7是旁路电阻,因为其与电容串联,所以它对电路中的直流分量没有影响,只影响交流分量。恰好共射极放大电路的放大的就是交流分量,所以R7对于配比放大倍速十分关键。这里旁路电阻去660Ω,在交流通路上与1KΩ并联约等效400Ω电阻,R2取1.6K,刚好满足公式约4倍的关系。

3、通过配比R5、R6稳定基极分压电位,稳定静态工作点。一般数量级为几十kΩ。设R5为39kΩ。此时通过计算可以算得Ib(基极静态电流为)=流经R5的电流减去流经R6的电流=约为20μA。Ie=β×Ib=2.6mA。计算得到射极静态电位Ueq为2.6V。

4、R6的阻值也能决定基极的静态电压,一般为Ueq+Uon(射极静态电压加上三极管be极开启电压约0.6V),这里R6取16KΩ。使基极电压稳定在3.2V左右。

5、至此所有电阻取值完成,在共射极电路中加上电容,可以有效的隔直通交,使交流通路与直流通路分开换句话说,电解电容用多大才够,和信号频率是有关的。

如图4所示,从滤波器的观点,电容C1和C2构成两个高通滤波器,只要保证两个高通滤波器截止频率低于信号频率的1/10就可以认为对信号阻抗为0,计算过程如式(3)~式(6)所示。

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式(4)和式(6)表明,不需要很大的电容就可以达到目的。**从经济的角度说,0.1μF的瓷片电容和10μF的电解电容都已经是白菜价。我们这里就选取取10μF的电解电容。**至此电路就设计完成啦。

如果文字不够直观,可以参考视频

1、(共射放大电路设计实战,教你如何用最小的电源做到最大的输出,时长11分钟)

https://www.bilibili.com/video/BV1Mz4y117H7?spm_id_from=333.337.search-card.all.click

2、(基本共射放大电路静态工作点怎么计算,如何判断是否饱和。时长7分钟)

https://www.bilibili.com/video/BV1Xt411M7F7?spm_id_from=333.337.search-card.all.click

3、(三极管分压偏置电路为啥能稳定静态工作点,射极电阻有啥用。时长10分钟)

https://www.bilibili.com/video/av62706737?spm_id_from=333.788.b_636f6d6d656e74.13

开关功能

三极管当做开关来使用时,是利用了其要么工作在饱和区(导通),要么工作在截止区(不导通,总之就是不能工作在放大区

因为如果工作在放大区,那么Vce的电压就很难确定了,这会导致当你想要高低电平的时候,结果得到一个中间态。

做开关控制LED灯

已知条件:输入控制电压高电平为3.3V,电源电压为5V,灯的导通电流10mA,灯导通电压2V。

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也就是说只要Rb<26K,三极管就工作在了饱和状态,像这种情况,我一般取Rb=2.2K,或者是1K,4.7K,10K,这样Ib更大,更能让三极管工作在饱和状态

常见电路
1、共射、共基、共集电路

如何判定一个基本的放大电路是共基、共射还是共集呢?

去掉输入、输出端,剩下的就是共端了

1、共发射极小信号放大器

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功能:放大小幅度电压信号

工作原理:Q1接成共射组态单管放大器,R1,R2提供基极偏置电压,R4稳定工作点,R3为集电极负载电阻。R5为负载,R6为信号源内阻。

信号源电压变化引起Q1的iB变化,引起iC变化,经过R3转换成vCE变化,经过C2交流耦合变化的电压输出到R5。

2、共集电极小信号放大器

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功能:电压信号阻抗变换

工作原理:Q1接成共集态单管放大器,R1,R2提供基极偏置电压,R4稳定工作点,R5为负载,R6为信号源内阻。

信号源电压变化引起Q1的iB变化,引起ie变化,由于ie远大于ib,因此可以实现电流放大(阻抗变换功能)。

3、共基极小信号放大器

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功能:宽带小信号电压放大

工作原理:Q1接成共基组态单管放大器,R1,R2提供基极偏置电压,R4稳定工作点,R3为集电极负载电阻。R5为负载,R6为信号源内阻。

信号源电压变化引起Q1的ie变化,引起iC变化,经过R3转换成vCE变化,经过C2交流耦合变化的电压输出到R5。

三种接法比较:

1、共射电路既能放大电流又能放大电压,输入输出电阻居三种电路之中,输出电阻较大,频带较窄。常用作为低频电压放大电路的单元电路;

2、共集电路只能放大电流不能放大电压,是三种接法中输入电阻最大、输出电阻最小的电路,具有电压跟随的特点,常用于电压放大电路的输入和输出级;

3、共基电路只能放大电压不能放大电流,输出电阻小,电压放大倍数、输出电阻与共射电路相当,是三种接法中高频特性最好的电路。常作为宽频带放大电路。

电平转换电路:

3.3V-5V电平转换电路:

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如上图,左端接3.3V CMOS电平,可以是STM32、FPGA等的IO口,右端输出为5V电平,实现3.3V到5V电平的转换。

分析其工作机理:

当输入为高电平,三极管导通,输出钳制在三极管的Vce,对电路测试结果仅0.1V
当输入为低电平,三极管不导通,输出相当于对下一级电路的输入使用10K电阻进行上拉,实际测试结果为5.0V(空载)

请注意:对于大电流的负载,上面电路的特性将表现的不那么好,因此这里一直强调——该电路仅适用于10几mA到几十mA的负载的电平转换。

现在来分析下各个电阻的作用(抓住的核心思路是三极管的Vbe导通时为恒定值0.7V左右):

假设没有R87,则当US_CH0的高电平直接加在三极管的BE上,>0.7V的电压要到哪里去呢?
假设没有R91,当US_CH0电平状态不确定时,默认是要Trig输出高电平还是低电平呢?因此R91起到固定电平的作用。同时,如果无R91,则只要输入>0.7V就导通三极管,门槛电压太低了,R91有提升门槛电压的作用(可参见第二小节关于蜂鸣器的分析)。

但是,加了R91又要注意了:R91如果太小,基极电压近似为0。

只有Vb>0.7V时才能使US_CH0为高电平时导通,上图的Vb=1.36V

假设没有R83,当输入US_CH0为高电平(三极管导通时),D5V0(5V高电平)直接加在三极管的CE级,而三极管的CE,三极管很容易就损坏了。

常见问题
1、由两个二极管反向相连可以形成三极管吗

答案肯定是不能,主要原因还是基区厚度的问题,就是说载流子有平均迁移长度,平均迁移长度就可以理解为是载流子在不同的区迁移的平均值(比如电子在P区),超过这个长度多数载流子会被复合,比如电子在P区只能移动很短的距离,超过这个距离电子就会被P区空穴复合。中间的P区要做的很薄,薄到基区宽度要小于载流子平均迁移长度,这样N区点子会穿过P区进入N区,并且大部分不被复合。集极的电子会漂移进射极这是三极管核心的要义。如果把两个二极管P端相连,则相当于npn管子基极P区很长,电子无法穿越P区,因此不能形成三极管。

2、NPN管与PNP管的区别

1、定义不同

**NPN型三极管:**由两块N型和一块P型半导体组成,P型半导体在中间,两块N型半导体在两侧。三极管是电子电路中最重要的器件,它最主要的功能是电流 放大和开关作用。

**PNP型三极管:**由2块P型半导体中间夹着1块N型半导体所组成的三极管,所以称为PNP型三极管。也可以描述成,电流从发射极E流入的三极管。

2、电流流向不同

三极管开关属于电流控制开关,Ib控制Ic。

NPN和PNP的电流方向、电压极性相反。

1)NPN :以B→E 电流控制C→E 电流。 正常放大时, 即VC > VB > VE

2)PNP :以E→B 电流控制E→C 电流。 正常放大时, 即VE > VB > VC

总之,VB在中间,VC 和 VE 在两边。而且BJT各极的电压与电流方向是一致的,不会出现电流从低电位处流行高电位的情况。

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NPN适合做低端驱动,即PN结在下面(低端),发射极E接地。

PNP适合做高端驱动,即PN结在上面(高端),发射极E接VCC。

如今流行的电路图画法,"阳上阴下”,也就是“正电源在上负电源在下”。那NPN电路中,E 最终都是接到地板(直接或间接),C 最终都是接到天花板(直接或间接)。PNP电路则相反,C 最终都是接到地板(直接或间接),E 最终都是接到天花板(直接或间接)。

对于共射组态,可以粗略理解为把VE当作“固定”参考点,通过控制VB来控制VBE(VBE=VB-VE),从而控制IB,并进一步控制IC(从电位更高的地方流进C极,你也可以把C极看作朝上的进水的漏斗)。

3、理论上NPN型更快,原因是半导体中电子的迁移率大概是空穴的三倍。

4、接法例子以蜂鸣器为例

使用PNP型三极管驱动蜂鸣器的电路图如下图所示

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R2为限流电阻,D1二极管称为续流二极管。

蜂鸣器是感性器件,当三极管导通给蜂鸣器供电时,就会有导通电流流过蜂鸣器。电感的一个特点就是电流不能突变,导通时电流是逐渐增大的,这点没问题,但是当关断时,经“电源-三极管-蜂鸣器-地”这条回路就截断了,过不了任何电流,储存的电流经D1和蜂鸣器自身的环路来消耗掉,避免了关断时由于电感电流造成的反向冲击,接续关断时的电流。

使用NPN型三极管驱动蜂鸣器的电路图如下图所示:

硬件工程师基本元器件类复习——三极管_第22张图片

在使用NPN型三极管驱动蜂鸣器时,不能将蜂鸣器接到发射极,如果串接在发射级上,蜂鸣器会产生负反馈,这有可能会导致三极管不能进入饱和导通状态,影响蜂鸣器正常鸣响。

在上图中,R1和R3起限流作用,R2起下拉作用,如此可以提高三极管的关断速度。工作中三极管是处于截止状态或饱和导通状态,即管子的非线性应用。

在电路关断之后,三极管be段端电压由0.7V缓慢下降,三极管没有完全关断,且处较长时间放大状态,会损坏三极管,所以需要加一个下拉电阻R2。

若是R2的阻值过大,会导致Vbe太大,也会损坏三极管。若是R2的值应该是刚好使三极管导通状态,电阻过小,会导致整体电路损耗加大。

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