硬件工程师基本元器件类复习——三极管
时间：2022-10-07 19:00:00
三极管：
电流控元件
三极管的分类
1)按PN结的组合可分为NPN型和PNP型；（左边NPN，右边PNP）
- 发射极(带箭头的极是发射极)，用
e来表示；- 集电极，用
c来表示；- 基极，用
b表示。
2)根据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 0.5
5)可分为金属包装、玻璃包装、陶瓷包装、塑料包装、薄膜包装(塑料包装为主流，金属包装成本较高)
常见型号
PNP
9012-低频放大-5000V——0.5A——0.625W
9015-低噪放大-5000V——0.1A——0.4W
850-高频放大-4000V——1.5A——1W
TIP42——音频功放开关——100V——6A——65W
D669-达林顿功放-700V——4A——40W
NPN
9013-低频放大-5000V——0.5A——0.625W
9014-低噪放大-5000V——0.1A——0.4W
8050-高频放大-4000V——1.5A——1W
TIP41-音频功放开关-1000V——6A——65W
2N2222-通用-6000V——0.8A——0.5W
主要参数
三极管主要参数：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.放大工作的要求简称:发射机正偏，集电极反偏。
在b极和e极之间施加正电压V）；
反向电压应用于c极和e极之间eb电压高几伏)；
三极管可以看作是由两个二极管组成的，当连接到一个电源时，正反接都不导通。
所以我们给BE等级也连接到电源
3、在BE加上正偏压，因此发射大量电子流向基极。
4.基极很薄，混合浓度低，一时接收不了这么多电子。只有少数电子与基极空穴复合形成基极电流，大部分被吸引到集电极区形成集电极电流(即输出电流)。BE增加开启电压(硅0).7V、锗0.3V），集电极的电流可以流下来。从而形成放大信号的效果。
工艺制作
三个区域的混合浓度：
E区域大，掺杂高(确保有足够的电子流向基区)。
B区薄，掺杂低(薄是为了让电子容易穿过基极，低掺杂是为了让基极电流尽可能小，让更多的电流流向集电区)。
C区大，掺杂最少。
NPN三极管结构图如下：
封装类型
三极管封装总结
现在主流包装有SOT与TO下面分别介绍两种：
SOT（Small Outline Transistor 小晶体管)
这种封装一般用于管脚数小于5的小晶体管，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 晶体管外形包装)
这种封装早期主要是插件，随着对贴装需求的增加，出现了贴装形式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
其主要功能是电流放大(模拟电路)和开关(数字电路)。
三个工作区
三极管有三个不同的工作区：放大区、饱和区和截止区
集电结主要在哪个区域工作(Ubc)和发射结(Ube)正偏偏偏偏决定。
**截止区(发射结和集电结均反偏):**当Ube不是正偏(Ub≤Ue)，三极管在截止区，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增加而增加，Vout=Uc=Vcc - Ic x Rc≈0。
测量三极管引脚对地电压，可判断管道的工作状态：
1) NPN管 —— Vc＞Vb＞Ve， PNP管 —— Vc＜Vb＜Ve。放大。 2) 如果测量三极管的集电极对地电压Vc接近电源电压Vcc，说明管道处于截止状态(开关断开)。 3) 如果测量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），说明管道饱和(开关闭合)。 电流放大功能
三极管放大区域发射结正偏，集电极反偏，正偏时饱和，反偏时截止。
放大共射电路UI，放大I跟随共基电路U、输入R大输出R小，输入级和输出级，共基电路放大U跟随I，高频特性好。
当三极管在放大区域工作时，三极管具有放大电流的功能。
Ib x β = Ic(放大基极小电流β倍）
Vout=Vcc - Ic x Rc。(输出电压等于VCC减去Rc电阻分压)
例子分析：
为0设计信号.5V，直流电源为12V共射放大电路。要求放大倍速为4倍，β约为120。
1.由于E极(发射极)的电流，共射放大电路首先确定BE之间有温漂，约2mV/°C，因此，一般射极电流的数量级是mA，保证射极电位点在V数量级。这里选1K电阻作为Re。
2.共射极放大电路集电极和发射极之间的电阻比可以放大倍数决定：
射极电阻和集电极电阻的电阻值由上述公式自由匹配（R2、R4、R7)，值得注意的是R7是旁路电阻，因为它与电容串联，所以它不影响电路中的直流重量，只影响交流重量。交流重量正好放大了共射极的电路，所以R7对于配比放大倍速至关重要。旁路电阻660Ω，与1交流通道KΩ并联约等效400Ω电阻，R2取1.6K，正好符合公式约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。一般数量级是几十个。kΩ。设R5为39kΩ。这个时候可以通过计算来计算Ib（基极静态电流为）=流经R5.电流减去流经R6的电流=约为20μA。Ie=β×Ib=2.6mA。计算射极静态电位Ueq为2.6V。
4、R6的电阻也可以决定基极的静态电压，通常是Ueq Uon(射极静态电压加三极管be极开启电压约0.6V），这里R6取16KΩ。稳定基极电压3.2V左右。
5.到目前为止，所有电阻值都已完成。在共射极电路中添加电容器可以有效地分离直接交通，使交流通路与直流通路分开。换句话说，电解电容器的使用量与信号频率有关。
如图4所示，从滤波器的角度来看，电容C1和C2形成两个高通滤波器。只要两个高通滤波器的截止频率低于信号频率的1/10，就可以认为信号阻抗为0，计算过程如(3)~类型(6)所示。
和式(4)和式(6)表目的可以在没有大电容的情况下实现。**从经济的角度来看，0.1μF瓷片电容和10μF电解电容已经是卷心菜的价格了。我们在这里选择10个μF电解电容。**至此，电路设计完成。
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，教你如何用最小电源最大输出，持续11分钟)
https://wwwbilibili.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。
