晶体管配置

任何晶体管都有三个端子，即发射极、基极和集电极。使用这三个端子，晶体管可以连接到电路中，其中一个端子共用输入和输出，有三种不同的可能配置。

三种配置类型是共基极、共发射极和共集电极配置。在每种配置中，发射极结都是正向偏置的，而集电极结是反向偏置的。

共基极 (CB) 配置

名称本身意味着基极端子被视为晶体管输入和输出的公共端子。 NPN 和 PNP 晶体管的公共基极连接如下图所示。

为了便于理解，我们考虑 CB 配置中的 NPN 晶体管。当施加发射极电压时，由于正向偏置，来自负极的电子会排斥发射极电子，电流会流过发射极和基极到集电极，从而产生集电极电流。集电极电压 V_CB 在整个过程中保持恒定。

在 CB 配置中，输入电流为发射极电流 I_E，输出电流为集电极电流 I_C。

电流放大系数 (α)

当集电极电压 V_CB 保持恒定时，集电极电流变化 (ΔI_C) 与发射极电流变化 (ΔI_E) 之比称为电流放大系数。它用 α 表示。

在恒定 V_CB

集电极电流的表达式

根据上述想法，让我们尝试绘制一些集电极电流的表达式。

随着发射极电流的流动，由于电子空穴复合，一定量的基极电流 I_B 流过基极端子。由于集电极-基极结反向偏置，由于少数电荷载流子，还有另一种电流流动。这就是漏电流，可以理解为 I_leakage。这是由于少数载流子引起的，因此非常小。

到达集电极端子的发射极电流为

$$\alpha I_E$$

总集电极电流

$$I_C = \alpha I_E + I_{leakage}$$

如果发射极-基极电压 V_EB = 0，那么即使这样，也会有小的漏电流流过，可以称为 I_CBO（输出开路时的集电极-基极电流）。

因此，集电极电流可以表示为

$$I_C = \alpha I_E + I_{CBO}$$

$$I_E = I_C + I_B$$

$$I_C = \alpha (I_C + I_B) + I_{CBO}$$

$$I_C (1 - \alpha) = \alpha I_B + I_{CBO}$$

$$I_C = \frac{\alpha}{1 - \alpha}I_B + \frac{I_{CBO}}{1 - \alpha}$$

$$I_C = \left ( \frac{\alpha}{1 - \alpha} ight )I_B + \left ( \frac{1}{1 - \alpha} ight )I_{CBO}$$

因此，上面推导出集电极电流的表达式。集电极电流的值取决于基极电流和漏电流以及所用晶体管的电流放大系数。

CB 配置的特性

• 此配置提供电压增益，但不提供电流增益。

• V_CB 恒定，发射极-基极电压 V_EB 略有增加，发射极电流 I_E 增加。

• 发射极电流 I_E 与集电极电压 V_CB 无关。

• 集电极电压 V_CB 仅在低电压下影响集电极电流 I_C，此时 V_EB 保持恒定。

• 输入电阻 R_i 是变化率在集电极基极电压 V_CB 恒定的情况下，发射极-基极电压 (ΔV_EB) 与发射极电流变化 (ΔI_E) 之间的关系。

在恒定 V_CB 时，$R_i = \frac{\Delta V_{EB}}{\Delta I_E}$

• 由于输入电阻非常低，较小的 V_EB 值足以产生较大的发射极电流 I_E。

• 输出电阻 R_o 是发射极电流 IE 恒定时集电极基极电压变化 (ΔV_CB) 与集电极电流变化 (ΔI_C) 之比。

在恒定时，$R_o = \frac{\Delta V_{CB}}{\Delta I_C}$ I_E

• 由于输出电阻值非常高，V_CB 的大幅变化只会导致集电极电流 I_C 发生很小的变化。

• 此配置可有效防止温度升高。

• CB 配置用于高频应用。

共发射极 (CE) 配置

名称本身意味着 发射极 端子被视为晶体管输入和输出的公共端子。 NPN 和 PNP 晶体管的共发射极连接如下图所示。

与 CB 配置一样，发射极结正向偏置，集电极结反向偏置。电子流以相同的方式控制。输入电流是基极电流 I_B，输出电流是集电极电流 I_C。

基极电流放大系数 (β)

集电极电流变化 (ΔI_C) 与基极电流变化 (ΔI_B) 之比称为 基极电流放大系数。它用 β 表示。

$$\beta = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_B}$$

β 之间的关系和 α

让我们尝试推导基极电流放大因子和发射极电流放大因子之间的关系。

$$\beta = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_B}$$

$$\alpha = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_E}$$

$$I_E = I_B + I_C$$

$$\Delta I_E = \Delta I_B + \Delta I_C$$

$$\Delta I_B = \Delta I_E - \Delta I_C$$

我们可以写成

$$\beta = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_E - \Delta I_C}$$

除以 ΔI_E

$$\beta = \frac{\Delta I_C/\Delta I_E}{\frac{\Delta I_E}{\Delta I_E} - \frac{\Delta I_C}{\Delta I_E}}$$

我们有

$$\alpha = \Delta I_C / \Delta I_E$$

因此，

$$\beta = \frac{\alpha}{1 - \alpha}$$

从上面的等式可以看出，当 α 接近 1 时，β 达到无穷大。

因此，共发射极连接中的电流增益非常高。这就是这种电路连接在所有晶体管应用中最常用的原因。

集电极电流的表达式

在共发射极配置中，I_B是输入电流，I_C是输出电流。

我们知道

$$I_E = I_B + I_C$$

并且

$$I_C = \alpha I_E + I_{CBO}$$

$$= \alpha(I_B + I_C) + I_{CBO}$$

$$I_C(1 - \alpha) = \alpha I_B + I_{CBO}$$

$$I_C = \frac{\alpha}{1 - \alpha}I_B + \frac{1}{1 - \alpha}I_{CBO}$$

如果基极电路开路，即如果 I_B = 0，

基极开路时集电极发射极电流为 I_CEO

$$I_{CEO} = \frac{1}{1 - \alpha}I_{CBO}$$

将此值代入上式，我们得到

$$I_C = \frac{\alpha}{1 - \alpha}I_B + I_{CEO}$$

$$I_C = \beta I_B + I_{CEO}$$

因此得到集电极电流方程。

拐点电压

在 CE 配置中，通过保持基极电流 I_B 恒定，如果V_CE 发生变化，I_C 增加到 V_CE 的近 1v，此后保持不变。集电极电流 I_C 随 V_CE 变化的 V_CE 值称为拐点电压。晶体管在 CE 配置下工作时，它们的工作电压高于此拐点电压。

CE 配置的特征

• 此配置提供良好的电流增益和电压增益。

• 保持 V_CE 恒定，V_BE 略有增加，基极电流 I_B 比 CB 配置中增加得更快。

• 对于高于膝点电压的任何 V_CE 值，I_C 约等于 βI_B。

• 输入电阻 R_i 是在集电极发射极电压 V_CE 恒定的情况下，基极发射极电压变化 (ΔV_BE) 与基极电流变化 (ΔI_B) 之比。

$R_i = \frac{\Delta V_{BE}}{\Delta I_B}$，V_CE 为常数

• 由于输入电阻非常低，V_BE 的较小值足以产生较大的基极电流 I_B。

• 输出电阻 R_o 是集电极发射极电压变化 (ΔV_CE) 与集电极电流变化 (ΔI_C) 之比，I_B 为常数

$R_o = \frac{\Delta V_{CE}}{\Delta I_C}$，I_B

• 由于 CE 电路的输出电阻小于CB 电路的。

• 此配置通常用于偏置稳定方法和音频应用。

共集电极 (CC) 配置

名称本身意味着 集电极 端子被视为晶体管输入和输出的公共端子。NPN 和 PNP 晶体管的公共集电极连接如下图所示。

与 CB 和 CE 配置一样，发射极结正向偏置，集电极结反向偏置。电子流以相同的方式控制。此处的输入电流为基极电流 I_B，输出电流为发射极电流 I_E。

电流放大系数 (γ)

在共集电极 (CC) 配置中，发射极电流变化 (ΔI_E) 与基极电流变化 (ΔI_B) 之比称为电流放大系数。它用 γ 表示。

$$\gamma = \frac{\Delta I_E}{\Delta I_B}$$

• CC 配置中的电流增益与 CE 配置中的电流增益相同。
• CC 配置中的电压增益始终小于 1。

γ 和 α 之间的关系

让我们尝试绘制 γ 之间的一些关系和 α

$$\gamma = \frac{\Delta I_E}{\Delta I_B}$$

$$\alpha = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_E}$$

$$I_E = I_B + I_C$$

$$\Delta I_E = \Delta I_B + \Delta I_C$$

$$\Delta I_B = \Delta I_E - \Delta I_C$$

代入 I_B 的值，我们得到

$$\gamma = \frac{\Delta I_E}{\Delta I_E - \Delta I_C}$$

除以ΔI_E

$$\gamma = \frac{\Delta I_E / \Delta I_E}{\frac{\Delta I_E}{\Delta I_E} - \frac{\Delta I_C}{\Delta I_E}}$$

$$= \frac{1}{1 - \alpha}$$

$$\gamma = \frac{1}{1 - \alpha}$$

集电极电流表达式

我们知道

$$I_C = \alpha I_E + I_{CBO}$$

$$I_E = I_B + I_C = I_B + (\alpha I_E + I_{CBO})$$

$$I_E(1 - \alpha) = I_B + I_{CBO}$$

$$I_E = \frac{I_B}{1 - \alpha} + \frac{I_{CBO}}{1 - \alpha}$$

$$I_C \cong I_E = (\beta + 1)I_B + (\beta + 1)I_{CBO}$$

以上是集电极电流的表达式。

CC 配置的特点

• 此配置提供电流增益，但不提供电压增益。

• 在 CC 配置中，输入电阻高，输出电阻低。

• 此电路提供的电压增益小于 1。

• 集电极电流和基极电流之和等于发射极电流。

• 输入和输出信号同相。

• 此配置用作非反相放大器输出。

• 此电路主要用于阻抗匹配。也就是说，从高阻抗源驱动低阻抗负载。