NPN晶体管配置关系案例及电路

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

电压

(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。

电压

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

电压

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。

电压

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。

电压

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。

电压

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。

电压

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

电压

典型双极晶体管的输出特性曲线

电压

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:

电压

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:

电压

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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