三极管的电流放大原理

2）．放大状态：uB＞0，发射结正偏，集电结反偏，iC=βiB。
3）．饱和状态：uB＞0，两个PN结均为正偏，iB≥IBS(基极临界饱和电流)≈UCC/βRc,此时iC=ICS(集电极饱和电流)≈UCC/Rc。三极管呈现低阻抗，类似于开关接通。
在数字逻辑电路中，三极管被作为开关元件工作在饱和与截止两种状态，相当于一个由基极信号控制的无触点开关，其作用对应于触点开关的"闭合"与"断开"
（3）集成电路的选择
由于集成电路可以实现很多单元电路甚至整机电路的功能，所以选用集成电路来设计单元电路和总体电路既方便又灵活，它不仅使系统体积缩小，而且性能可靠，便于调试及运用，在设计电路时颇受欢迎。
集成电路又模拟集成电路和数字集成电路。国内外已生成出大量集成电路，其器件的型号，原理，功能，特征可查阅有关手册。
一．明确系统的设计任务要求
对系统的设计任务进行具体分析，充分了解系统的性能，指标，内容及要求，以明确系统应完成的任务。
二．方案选择
这一步的工作要求是把系统要完成的任务分配给若干个单元电路，并画出一个能表示各单元功能的整机原理框图。
方案选择的重要任务是根据掌握的知识和资料，针对系统提出的任务，要求和条件，完成系统的功能设计。在这个过程中要敢于探索，勇于创新，力争做到设计方案合理，可靠，经济，功能齐全，技术先进。并且对方案要不断进行可行性和有缺点的分析，最后设计出一个完整框图。框图必须正确反映应完成的任务和各组成部分的功能，清楚表示系统的基本组成和相互关系。
三．单元电路的设计，参数计算和期间选择
根据系统的指标和功能框图，明确各部分任务，进行各单元电路的设计，参数计算和器件选择。
1．单元电路设计
单元电路是整机的一部分，只有把各单元电路设计好才能提高整机设计水平。
每个单元电路设计前都需明确各单元电路的任务，详细拟定出单元电路的性能指标，与前后级之间的关系，分析电路的组成形式。具体设计时，可以模仿传输的先进的电路，也可以进行创新或改进，但都必须保证性能要求。而且，不仅单元电路本身要设计合理，各单元电路间也要互相配合，注意各部分的输入信号，输出信号和控制信号的关系。
假如在图3.5(a)所示电路的输入端输入一个理想的矩形波电压，那么，在理想情况下，iC和UCE的波形应该如图3.7(a)所示。但实际转换过程中iC和UCE的波形如图3.7(b)所示，无论从截止转向导通还是从导通转向截止都存在一个逐渐变化的过程。
图3.6三极管截止与饱和状态下的等效电路
晶体三极管在截止与饱和这两种稳态下的特性称为三极管的静态开关特性。
经过延迟时间td后，发射区不断向基区注入电子，电子在基区积累，并向集电区扩散，形成集电极电流iC。随着基区电子浓度的增加，iC不断增大。iC上升到最大值的90%所需要的时间称为上升时间tr。
开通时间ton=td+tr
开通时间的长短取决于晶体管的结构和电路工作条件。
2．关闭时间
关闭时间：三极管从饱和状态到截止状态所需要的时间称为关闭时间。
基区存储的多余电荷全部消失后，基区中的电子在反向电压作用下越来越少，集电极电流iC也不断减小，并逐渐接近于零。集电极电流由0.9ICS降至0.1ICS所需的时间称为下降时间tf。
关闭பைடு நூலகம்间toff=ts+tf
同样，关闭时间的长短取决于三极管的结构和运用情况。
开通时间ton和关闭时间toff的大小反映了三极管由截止到饱和与从饱和到截止的开关速度，它们是影响电路工作速度的主要因素。
进入饱和状态后，集电极收集电子的能力减弱，过剩的电子在基区不断积累起来，称为超量存储电荷，同时集电区靠近边界处也积累起一定的空穴，集电结处于正向偏置。
当输入电压ui由+U2跳变到-U1时，存储电荷不能立即消失，而是在反向电压作用下产生漂移运动而形成反向基流，促使超量存储电荷泄放。在存储电荷完全消失前，集电极电流维持ICS不变，直至存储电荷全部消散，晶体管才开始退出饱和状态，iC开始下降。这个过程所需要的时间称为存储时间ts。
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图3.6（a）、（b）给出了图3.5所示电路在三极管截止与饱和状态下的等效电路。
图3.5晶体三极管电路及其输出特性曲线
2、动态特性
晶体三极管在饱和与截止两种状态转换过程中具有的特性称为三极管的动态特性。
三极管的开关过程和二极管一样，管子内部也存在着电荷的建立与消失过程。因此，饱和与截止两种状态的转换也需要一定的时间才能完成。
如果某一天，天气很旱，江水没有了，也就是大的水流那边是空的。管理员这时候打开了小阀门，尽管小阀门还是一如既往地冲击大阀门，并使之开启，但因为没有水流的存在，所以，并没有水流出来。这就是三极管中的截止区。
饱和区是一样的，因为此时江水达到了很大很大的程度，管理员开的阀门大小已经没用了。如果不开阀门江水就自己冲开了，这就是二极管的击穿。
三极管的电流放大原理
一、三极管的电流放大原理
晶体三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和PNP两种三极管，两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。
图一:晶体三极管（NPN）的结构
图一是NPN管的结构图，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，从图可见发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极。当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源Ec要高于基极电源Ebo。
三极管放大原理(形象)
对三极管放大作用的理解，切记一点：能量不会无缘无故的产生，所以，三极管一定不会产生能量，。
但三极管厉害的地方在于：它可以通过小电流控制大电流
放大的原理就在于：通过小的交流输入，控制大的静态直流。
假设三极管是个大坝，这个大坝奇怪的地方是，有两个阀门，一个大阀门，一个小阀门。小阀门可以用人力打开，大阀门很重，人力是打不开的，只能通过小阀门的水力打开。
2．参数计算
为保证单元电路达到功能指标要求，就需要用电子技术知识对参数进行计算。例如，放大电路中各电阻值，放大倍数的计算；振荡器中电阻，电容，振荡频率等参数的计算。只有很好的理解电路的工作原理，正确利用计算公式，计算的参数才能满足设计要求。
参数计算时，同一个电路可能有几组数据，注意选择一组能完成电路设计要求的功能，在实践中能真正可行的参数。
（2）分立元件的选择
分立元件包括二极管，晶体三极管，场效应管，光电二（三）极管，晶闸管等。根据其用途分别进行选择。
选择的期间种类不同，注意事项也不同。例如选择晶体三极管时，首先注意是选择NPN型还是PNP型管，是高频管还是低频管，是大功率管还是小功率管，并注意管子的参数PCM，ICM，BVCEO，ICBO，β，T和β是否满足电路设计指标的要求，高频工作时，要求T=（5～10），为工作频率。
在模拟电路中，一般阀门是半开的，通过控制其开启大小来决定输出水流的大小。没有信号的时候，水流也会流，所以，不工作的时候，也会有功耗。
而在数字电路中，阀门则处于开或是关两个状态。当不工作的时候，阀门是完全关闭的，没有功耗。
电子电路的设计方法
设计一个电子电路系统时，首先必须明确系统的设计任务，根据任务进行方案选择，然后对方案中的各个部分进行单元的设计，参数计算和器件选择，最后将各个部分连接在一起，画出一个符合设计要求的完整的系统电路图。
选择的集成电路不仅要在功能和特性上实现设计方案，而且要满足功耗，电压，速度，价格等多方面的要求。
四．电路图的绘制
为详细表示设计的整机电路及各单元电路的连接关系，设计时需绘制完整电路图。
电路图通常是在系统框图，单元电路设计，参数计算和器件选择的基础上绘制的，它是组装，调试和维修的依据。绘制电路图时要注意一下几点：
（1）布局合理，排列均匀，图片清晰，便于看图，有利于对图的理解和阅读。
有时一个总电路由几部分组成，绘图时应尽量把总电路图画在一张图纸上。如果电路比较复杂，需绘制几张图，则应把主电路画在同一张图纸上，二把一些比较独立和次要的部分画在另外的图纸上，并在图的断口两端做上标记，标出信号从一张图到另一张图的引出点和引入点，以此说明各图纸在电路连线之间的关系。
1．开通时间
开通时间：三极管从截止状态到饱和状态所需要的时间称为开通时间。
三极管处于截止状态时，发射结反偏，空间电荷区比较宽。当输入信号ui由-U1跳变到+U2时，由于发射结空间电荷区仍保持在截止时的宽度，故发射区的电子还不能立即穿过发射结到达基区。这时发射区的电子进入空间电荷区，使空间电荷区变窄，然后发射区开始向基区发射电子，晶体管开始导通。这个过程所需要的时间称为延迟时间td。
二、晶体三极管的开关特性
1、静态特性
晶体三极管由集电结和发射结两个PN结构成。根据两个PN结的偏置极性，三极管有截止、放大、饱和3种工作状态。图3.5(a)和(b)分别给出了一个用NPN型共发射极晶体三极管组成的简单电路及其输出特性曲线。
该电路工作特点如下：
1）．截止状态：uB＜0，两个PN结均为反偏，iB≈0,iC≈0,uCE≈UCC。三极管呈现高阻抗，类似于开关断开。
在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这样，一旦接通电源后，由于发射结正确，发射区的多数载流子（电子）及基区的多数载流子（控穴）很容易地截越过发射结构互相向反方各扩散，但因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的电流基本上是电子流，这股电子流称为发射极电流Ie。由于基区很薄,加上集电结的反偏，注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电集电流Ic，只剩下很少（1-10%）的电子在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补纪念给，从而形成了基极电流Ibo根据电流连续性原理得：Ie=Ib+Ic这就是说，在基极补充一个很小的Ib，就可以在集电极上得到一个较大的Ic，这就是所谓电流放大作用，Ic与Ib是维持一定的比例关系，即：β1=Ic/Ib式中：β--称为直流放大倍数，集电极电流的变化量△Ic与基极电流的变化量△Ib之比为：β= △Ic/△Ib式中β--称为交流电流放大倍数，由于低频时β1和β的数值相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分，β值约为几十至一百多。三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。
计算电路参数时应注意下列问题：
（1）元器件的工作电流，电压，频率和功耗等参数应能满足电路指标的要求；
（2）元器件的极限参数必须留有足够充裕量，一般应大于额定值的1．5倍；
（3）电阻和电容的参数应选计算值附近的标称值。
3．器件选择
（1）元件的选择
阻容电阻和电容种类很多，正确选择电阻和电容是很重要的。不同的电路对电阻和电容性能要求也不同，有解电路对电容的漏电要求很严，还有些电路对电阻，电容的性能和容量要求很高。例如滤波电路中常用大容量（100ｕF～3000uF）铝电解电容，为滤掉高频通常还需并联小容量（0．01uF～0．1uF）瓷片电容。设计时要根据电路的要求选择性能和参数合适的阻容元件，并要注意功耗，容量，频率和耐压范围是否满足要求。
所以，平常的工作流程便是，每当放水的时候，人们就打开小阀门，很小的水流涓涓流出，这涓涓细流冲击大阀门的开关，大阀门随之打开，汹涌的江水滔滔流下。
如果不停地改变小阀门开启的大小，那么大阀门也相应地不停改变，假若能严格地按比例改变，那么，完美的控制就完成了。
在这里，Ube就是小水流，Uce就是大水流，人就是输入信号。当然，如果把水流比为电流的话，会更确切，因为三极管毕竟是一个电流控制元件。
有时为了强调并便于看清各单元电路的功能关系，每一个功能单元电路的元件应集中布置在一起，并尽可能按工作顺序排列。
（2）注意信号的流向，一般从输入端和信号源画起，由左至右或由上至下按信号的流向依次画出各单元电路，而反馈通路的信号流向则与此相反。
（3）图形符号要标准，图中应加适当的标注。图形符号表示器件的项目或概念。电路图中的中，大规模集成电路器件，一般用方框表示，在方框中标出它的型号，在方框的变新两侧标出每根线的功能名称和管脚号。图中，大规模器件外，其余元器件符号应当标准化。