NPN晶体管配置关系案例及电路

模拟对话 2019-06-25 9747

描述

NPN晶体管是三端子，三层器件，可用作放大器或电子开关

在上一个教程中，我们看到了标准的双极晶体管或BJT，有两种基本形式。NPN（Negative-Positive-Negative）类型和PNP（Positive-Negative-Positive）类型。

最常用的晶体管配置是NPN晶体管。我们还了解到双极晶体管的结可以以三种不同的方式偏置 -公共基极，公共发射极和公共集电极。

在本教程中，关于双极晶体管，我们将更详细地讨论使用双极NPN晶体管的“共发射极”配置，并举例说明NPN晶体管的构造以及晶体管电流特性如下所示。

双极NPN晶体管配置

晶体管

（注意：箭头定义了发射极和常规电流，双极NPN晶体管的“输出”。）

双极NPN晶体管的结构和端电压如上所示。基极和发射极之间的电压（ V BE ）在基极为正，在发射极为负，因为对于NPN晶体管，基极端子始终为正到发射器。此外，集电极电源电压相对于发射极为正（ V CE ）。因此，对于双极NPN晶体管来说，对于基极和发射极，集电极总是更积极。

晶体管

NPN晶体管连接

然后电压源连接到NPN晶体管，如图所示。集电极通过负载电阻 RL 连接到电源电压 V CC ，该电阻也用于限制流过器件的最大电流。基本电源电压 V B 连接到基极电阻 R B ，再次用于限制最大基极电流。

因此，在NPN晶体管中，负电流载流子（电子）通过基极区域的运动构成晶体管动作，因为这些移动电子提供了集电极和发射极电路之间的连接。输入和输出电路之间的这种连接是晶体管动作的主要特征，因为晶体管放大特性来自于Base对集电极发射电流的后续控制。

然后我们可以看到晶体管是一种电流操作装置（Beta型号），当晶体管“完全接通”时，大电流（ Ic ）在集电极和发射极端子之间自由流过器件。然而，这只发生在小的偏置电流（ Ib ）同时流入晶体管的基极端子时，从而允许Base作为一种电流控制输入。

双极性NPN晶体管中的电流是这两个电流的比值（ Ic / Ib ），称为器件的 DC电流增益，并给出了符号 hfe 或现在 Beta ，（β）。

β的值对于标准晶体管，可以大到200，并且在 Ic 和 Ib 之间的这个大比例使得双极NPN晶体管在其有源区域中使用时是一个有用的放大器件as Ib 提供输入， Ic 提供输出。请注意， Beta 没有单位，因为它是比率。

此外，晶体管从集电极端子到发射极端子的电流增益 Ic / Ie ，被称为 Alpha ，（α），并且是晶体管本身的函数（电子在结点上扩散）。由于发射极电流 Ie 是非常小的基极电流加上非常大的集电极电流之和，因此α（α）的值非常接近于1，并且对于典型的低功率信号晶体管，该值的范围为约0.950至0.999

α与NPN晶体管中的β关系

晶体管

通过组合两个参数α和β，我们可以产生两个数学表达式，给出晶体管中流动的不同电流之间的关系。

晶体管

Beta 的值从高电流功率晶体管的大约20到大于1000的大小超过1000高频低功率型双极晶体管。对于大多数标准NPN晶体管， Beta 的值可以在制造商数据表中找到，但通常在50 - 200之间。

上面的等式 Beta 也可以重新排列，使 Ic 作为主题，并使用零基极电流（ Ib = 0 ）得到的集电极电流 Ic 也将为零，（β * 0 ）。而且，当基极电流高时，相应的集电极电流也将很高，导致基极电流控制集电极电流。双极结型晶体管最重要的特性之一是，小的基极电流可以控制更大的集电极电流。请考虑以下示例。

NPN晶体管示例No1

双极性NPN晶体管的直流电流增益（ Beta ）值为200.计算基极当前 Ib 需要切换4mA的电阻负载。

晶体管

因此，β= 200，Ic = 4mA 且 Ib =20μA

关于双极NPN晶体管需要记住的另一点。集电极电压（ Vc ）必须大于相对于发射极电压的正值（ Ve ），以允许电流流过集电极 - 发射极结之间的晶体管。此外，由于NPN晶体管的输入特性是正向偏置二极管，因此硅器件的基极和发射极端子之间的电压降约为0.7V（一个二极管伏特压降）。

然后NPN晶体管的基极电压（ Vbe ）必须大于0.7V，否则晶体管将不会以给定的基极电流导通。

晶体管

其中： Ib 是基极电流， Vb 是基极偏置电压， Vbe 是基极 - 发射极电压降（0.7v）， Rb 是基极输入电阻。增加 Ib ， Vbe 缓慢增加至0.7V，但 Ic 呈指数上升。

NPN晶体管示例No2

NPN晶体管的直流基极偏压， Vb 为10v，输入基极电阻 Rb 为100kΩ。什么是进入晶体管的基极电流值。

晶体管

因此， Ib =93μA 。

公共发射极配置。

通过控制基极信号，将其用作半导体开关，将负载电流设为“ON”或“OFF”。在其饱和或截止区域中的晶体管，双极NPN晶体管也可用于其有源区域，以产生一个电路，该电路将放大施加到其基极端子的任何小交流信号，其中发射极接地如果首先将合适的DC“偏置”电压施加到晶体管Base端子，从而使其始终在其线性有源区域内工作，则产生称为单级共射极放大器的反相放大器电路。

NPN晶体管的一种这样的 Common Emitter Amplifier 配置称为A类放大器。 “A类放大器”操作是这样一种操作，其中晶体管基极端子被偏置，使得基极 - 发射极结正向偏置。

结果是晶体管始终在其截止和饱和区域之间运行，从而允许晶体管放大器精确地再现叠加在该DC偏置电压上的任何AC输入信号的正半部和负半部。

没有这个“偏置电压”，只有一半的输入波形会被放大。这种使用NPN晶体管的共发射极放大器配置有许多应用，但通常用于音频电路，如前置放大器和功率放大器级。

参考下面所示的共发射极配置，一系列曲线称为输出特性曲线，当不同的Base值时，输出集电极电流（ Ic ）与集电极电压（ Vce ）相关联当前，（ Ib ）。输出特性曲线应用于具有相同β值的晶体管的晶体管。

也可以在输出特性曲线上绘制DC“负载线”以显示所有可能的当施加不同的基极电流值时的操作点。正确设置 Vce 的初始值，以便在放大AC输入信号时允许输出电压上下变化，这称为设置工作点或静态点，Q-point简称如下所示。

单级公共发射极放大器电路

晶体管

典型双极晶体管的输出特性曲线

晶体管

需要注意的最重要因素是当 Vce 大于约1.0伏时， Vce 对集电极电流 Ic 的影响。我们可以看到 Ic 在很大程度上不受 Vce 在此值之上的变化的影响，而是几乎完全由基本电流 Ib 控制。当发生这种情况时，我们可以说输出电路代表“恒流源”。

从上面的公共发射极电路可以看出，发射极电流 Ie 是集电极电流之和 Ic 和基极电流 Ib ，加在一起所以我们也可以说 Ie = Ic + Ib 对于共发射极（CE）配置。

通过使用上面示例中的输出特性曲线以及欧姆定律，流过负载电阻的电流，（ R L ）等于集电极电流， Ic 进入晶体管，晶体管又对应电源电压，（ Vcc ）减去集电极和发射极端子之间的电压降（ Vce ），给出如下：

晶体管

此外，表示晶体管的动态负载线的直线可以直接绘制到上面的曲线图上当 Vce = 0 时，从“饱和度”（ A ）点到（ B ）时 Ic = 0 因此给出了晶体管的“工作”或Q点。这两个点通过直线连接在一起，沿该直线的任何位置代表晶体管的“有源区”。特征曲线上的载荷线的实际位置可以如下计算：

晶体管

然后，收集器或公共发射极NPN晶体管的输出特性曲线可用于预测集电极电流 Ic ，当给定 Vce 和基极电流时，<跨度>磅。还可以在曲线上构建载荷线以确定合适的操作或Q点，其可以通过调节基础电流来设置。该负载线的斜率等于负载电阻的倒数，其给出如下： -1 / R L

然后我们可以定义aNPN晶体管通常为“OFF”，但其基极（ B ）相对于其发射极的输入电流和正电压较小（ E ）将其设置为“ON”，允许更大的集电极 - 发射极电流流动。当 Vc 远大于 Ve 时，NPN晶体管会导通。

在下一个关于双极晶体管的教程中，我们将会看到在 NPN晶体管的相反或互补形式称为PNP晶体管，并表明PNP晶体管具有与双极NPN晶体管非常相似的特性，除了电流和电压方向的极性（或偏置）相反。

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