3.4 晶体三极管及应用
3.4.1 晶体三极管简介
(1)晶体三极管的结构
晶体三极管的核心是两个互相联系的PN结,按照PN结的组合方式不同,有PNP和NPN型两大类。晶体三极管有2个PN结,3个区,3个电极,如图3-26所示。PNP型晶体三极管是因其半导体排列顺序为P-N-P而得名,它的中间层为N型半导体,上下层为P型半导体。在晶体三极管的符号中,发射极上标的箭头代表其电流方向。
图3-26 晶体三极管的结构
晶体三极管的结构特点如下:
①基区很薄,且掺杂浓度低;
②发射区掺杂浓度比基区和集电区高得多;
③集电结的面积比发射结大。
(2)晶体三极管的外形及封装
常用晶体三极管的外形及封装如图3-27所示。一般来说,小、中功率的晶体三极管多采用塑料封装。大功率晶体三极管多采用金属封装,通常做成扁平形状并有螺栓安装孔,有的大功率晶体三极管做成螺栓形状,这样能使晶体三极管的外壳和散热器连接成一体,便于散热。
图3-27 常用晶体三极管的外形及封装
(3)晶体三极管的分类
晶体三极管的分类很多,见表3-13。
表3-13 晶体三极管的分类
(4)晶体三极管的主要参数
晶体三极管的主要参数有直流参数(晶体三极管在正常工作时需要的直流偏置,也称为直流工作点)、交流参数β(放大倍数)和工作频率f等。
晶体三极管的参数反映了晶体三极管各种性能的指标,是分析晶体三极管电路和选用晶体三极管的依据。这些参数是正确使用晶体三极管的依据。使用时,如果对某个晶体三极管的参数不了解,在晶体管手册中就可查找到该晶体三极管的型号、主要用途、主要参数和器件外形等资料。
(5)晶体三极管的电流放大原理
工作于放大状态的晶体管,基极电流IB远小于集电极电流IC和发射极电流IE,只要发射结电压UBE有微小变化,造成基极电流IB有微小变化,就能引起集电极电流IC和发射极电流IE大的变化,这就是晶体管的电流放大作用。即
IC=βIB
晶体三极管的电流分配规律如下:
IE=IB+IC
晶体三极管的电流流向是确定的,但不同极性的晶体三极管不同,如图3-28所示。
图3-28 晶体三极管电流流向
晶体三极管的主要作用是放大信号,用晶体三极管组成的电路可以放大电流、电压、功率。
(6)晶体三极管的工作状态
根据晶体三极管的输出特性曲线(如图3-29所示),可分为放大区、截止区和饱和区3个工作区。晶体管在不同工作状态下的特点见表3-14。
图3-29 晶体三极管的输出特性曲线
表3-14 晶体三极管放大、截止、饱和的条件及特点
3.4.2 万用表检测晶体三极管
(1)指针式万用表检测晶体三极管
①判断基极和管型 由于晶体三极管的基极对集电极和发射极的正向电阻都较小,据此,可先找出基极,其方法是用万用表的黑笔接基极、红笔接另外两个极,阻值都很小,则为NPN型晶体三极管的基极;如果红笔接基极、黑笔接另外两个极,阻值都很小,则为PNP型晶体三极管的基极,如图3-30所示。
图3-30 判断基极和管型
②判断集电极和发射极 在晶体三极管的类型和基极确定后,将红、黑表笔分别接待测的集电极和发射极,基极通过20~100Ω的电阻与集电极相接。根据晶体三极管共发射极电流放大原理可知,PNP型晶体三极管集电极接红笔(电池负极),表针偏转角将变大;对于NPN型晶体三极管,则集电极接黑笔时,表针偏转角变大。这样就可判断出集电极和发射极。
也用手捏住基极与另一个电极,利用人体电阻代替基极与集电极相接的那个20~100Ω的电阻,则同样可以判别出集电极和发射极,如图3-31所示。
图3-31 判断集电极和发射极
(2)数字万用表检测晶体三极管
利用数字万用表不仅能判定晶体管电极、测量管子的电流放大系数hFE,还可鉴别硅管与锗管。
①判定基极 将数字万用表的量程开关置于二极管挡,红表笔固定任接某个引脚,用黑表笔依次接触另外两个引脚,如果两次显示值均小于1V或都显示溢出符号“1”,则红表笔所接的引脚就是基极b。如果在两次测试中,一次显示值小于1V,另一次显示溢出符号“1”,表明红表笔接的引脚不是基极b,此时应改换其他引脚重新测量,直到找出基极b为止。
②判定NPN管与PNP管 仍使用数字万用表的二极管挡。按上述操作确认基极b之后,将红表笔接基极b,用黑表笔先后接触其他两个引脚。如果都显示0.500~0.800V,则被测管属于NPN型;若两次都显示溢出符号“1”,则表明被测管属于PNP管。
③判定集电极c与发射极e(兼测hFE值)区分晶体管的集电极c与发射极e,需使用数字万用表的hFE挡。如果假设被测管是NPN型管,则将数字万用表拨至hFE挡,使用NPN插孔。把基极b插入B孔,剩下两个引脚分别插入C孔和E孔中。若测出的hFE为几十至几百,说明管子属于正常接法,放大能力较强,此时C孔插的是集电极c,E孔插的是发射极e,如图3-32(a)所示。
图3-32 晶体三极管c、e极的判定
若测出的hFE值只有几至十几,则表明被测管的集电极c与发射极e插反了[如图3-32(b)所示],这时C孔插的时发射极e,E孔插的是集电极c。
为了使测试结果更可靠,可将基极b固定插在B孔不变,把集电极c与发射极e调换复测1~2次,以仪表显示值大(几十~几百)的一次为准,C孔插的引脚即是集电极c,E孔插的引脚则是发射极e。
(3)判定硅管和锗管
硅管和锗管的PN结正向电阻是不一样的,即硅管的正向电阻大,锗管的小。利用这一特性就可以用指针式万用表来判别一只晶体三极管是硅管还是锗管。判断方法如下。
①将指针式万用表拨到R×100挡或R×1k挡,并调零。
②测量NPN型的晶体三极管时,万用表的黑表笔接基极,红表笔接集电极或发射极;测量PNP型的晶体三极管时,万用表的红表笔接基极,黑表笔接集电极或发射极。
③如果测得的阻值小于1kΩ,则所测的管子是锗管;如果测得的阻值在5~10kΩ,则所测的管子是硅管。
(4)判定高频管和低频管
①用指针式万用表测量晶体三极管发射极的反向电阻,如果是测量PNP型管,万用表的黑表笔接基极,红表笔接发射极;如果是测量NPN型管,万用表的红表笔接基极,黑表笔接发射极。
②用万用表的R×1k挡测量,此时万用表的表针指示的阻值应当很大,一般不超过满刻度值的1/10。
③再将万用表转换到R×10k挡,如果表针指示的阻值变化很大,超过满刻度值的1/3,则此管为高频管;反之,如果万用表转换到R×10k挡后,表针指示的阻值变化不大,不超过满刻度值的1/3,则所测的管子为低频管。
3.4.3 晶体三极管放大电路
放大电路的功能是把微弱的电信号放大成较强的电信号。放大电路必须由直流电源供电才能工作,其实质是一种能量转换器,它将直流电能转换为交流信号电能输出给负载。
三极管放大电路可以放大电流、电压、功率等。
(1)构成放大电路的条件
一个完整的放大电路必须具有放大元件,同时还须满足直流条件和交流条件。
①放大元件是放大电路的核心器件,它可以是三极管,也可以是场效应管或集成电路。如果放大元件是三极管,要求其工作在放大区,并能够对信号进行不失真的放大。
②直流条件是指必须达到放大元件的供电要求,包括电压的大小、极性等。对于由三极管构成的放大电路而言,直流条件就是必须满足三极管的放大条件:发射结正偏,集电结反偏。
③交流条件是指放大器的输入信号源到负载之间,交流通路必须要畅通。一般常用电容器的“隔直通交”作用来耦合传递交流信号,或者用变压器的电磁耦合来传递交流信号等。
(2)三极管基本放大电路
三极管基本放大电路如图3-33所示。其信号从基极和射极之间输入,放大后由集电极和发射极之间输出。发射极是输入输出信号的公共端,所以该电路为共发射极放大电路,属于固定偏置放大电路。
图3-33 共发射极基本放大电路
NPN管共发射极放大电路元件名称及作用见表3-15。
表3-15 NPN管共发射极放大电路元件名称及作用
三极管基本放大电路有三种连接方式,除了共发射极连接方式外,还有共集电极、共基极连接方式。不同的连接方式各有特点,可根据需要选择,见表3-16。
表3-16 放大器的三种连接方式比较
(3)分压式偏置放大电路
如图3-34所示为分压式偏置放大电路,该电路与三极管基本放大电路比较,增加了三个元件。
图3-34 分压式偏置放大电路
Rb1和Rb2分别为上、下偏置电阻,电源电压经过Rb1、Rb2串联分压后为三极管提供基极电位VBQ。
Re为发射极电阻,自动使Ie稳定,起到稳定静态工作点IEQ的作用。
发射极旁路电容Ce的作用:为交流信号提供通路(因它的容量较大,对交流信号相当于短路),避免交流信号在Re上的损耗。
分压式偏置放大电路自动稳定工作点的过程如图3-35所示。
图3-35 分压式偏置放大电路自动稳定工作点的过程
因为,I2≥IBQ,所以I1≈I2,则
从上式可知,Vb的大小与三极管的参数无关,只由偏置电阻的分压来决定。要调整静态工作点,只调整Rb1或Rb2均可。