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）

• 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

命名规则

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。

2、所以我们给BE级也接上电源

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：

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）

SOT-223: 1 基极；2、4集电极；3 发射极。

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):

贴片型（TO-252,TO-263）：
根据具体型号查询数据手册确定。

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

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。

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：

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。

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。

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

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

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

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:

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。

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

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：

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。