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基础电子学 - 晶体管配置

晶体管有 3 个端子，即发射极、基极和集电极。使用这 3 个端子，晶体管可以连接到电路中，其中一个端子与输入和输出共用，有 3 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，发射极结正向偏置，集电极结反向偏置。

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。

CB 配置

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 VCB 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 IE，输出电流为集电极电流 IC。

电流放大因子 (α)

当集电极电压 VCB 保持恒定时，集电极电流变化 ($\Delta I_{C}$) 与发射极电流变化 ($\Delta I_{E}$) 之比称为 电流放大因子。它用 α 表示。

$$\alpha\:=\:\frac{\Delta I_{C}}{\Delta I_{E}}\:\:at\:constant\:V_{CB}$$

集电极电流表达式

根据上述想法，让我们尝试绘制一些集电极电流表达式。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 IB 流过基极端子。由于集电极-基极结反向偏置，少数电荷载流子会产生另一种电流。这就是漏电流，可以理解为 Ileakage。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

$$\mathbf{\mathit{\alpha I_{E}}}$$

总集电极电流

$$I_{C}\:=\:\alpha I_{E}\:+\:I_{leakage}$$

如果发射极-基极电压 VEB = 0，那么即使这样，也会有小的漏电流流过，可以称为 ICBO（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

$$I_{C}\:=\:\alpha I_{E}\:+\:I_{CBO}$$

$$I_{E}\:=\:I_{C}\:+\:I_{B}$$

$$I_{C}\:=\:\alpha(I_{C}\:+\:I_{B})\:+\:I_{CBO}$$

$$I_{C}(1\:-\:\alpha)\:=\:\alpha I_{B}\:+\:I_{CBO}$$

$$I_{C}\:=\:(\frac{\alpha}{1\:-\:\alpha})\: I_{B}\:+\:(\frac{I_{CBO}}{1\:-\:\alpha})$$

$$I_{C}\:=\:(\frac{\alpha}{1\:-\:\alpha})\: I_{B}\:+\:(\frac{1}{1\:-\:\alpha})I_{CBO}$$

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。

  • 当 VCB 恒定时，随着发射极-基极电压 VEB 的轻微增加，发射极电流 IE 会增加。

  • 发射极电流 IE 与集电极电压 VCB 无关。

  • 集电极电压 VCB 仅在低电压下（当 VEB 保持不变时）才会影响集电极电流 IC常数。

  • 输入电阻 ri 是集电极基极电压 VCB 恒定时，发射极-基极电压变化 ($\Delta{V_{EB}}$) 与发射极电流变化 ($\Delta{I_{E}}$) 之比。

    $$\eta\:=\:\frac{\Delta{V_{EB}}}{\Delta{I_{E}}}\:\:at\:constant\:V_{CB}$$

  • 由于输入电阻值非常低，因此较小的 VEB 值足以产生较大的发射极电流 IE。

  • 输出电阻 ro 是集电极基极电压变化 ($\Delta{V_{CB}}$) 与集电极电流变化之比($\Delta{I_{C}}$) 在恒定发射极电流 IE 时。

    $$r_{o}\:=\:\frac{\Delta{V_{CB}}}{\Delta{I_{C}}}\: at\: constant\:l_{E}$$

  • 由于输出电阻值非常高，VCB 的大幅变化只会导致集电极电流 IC 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 端子被视为输入和输出的公共端子晶体管。NPN 和 PNP 晶体管的共发射极连接如下图所示。

CE 配置

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 IB，输出电流是集电极电流 IC。

基极电流放大系数 (β)

集电极电流变化 ($\Delta{I_{C}}$) 与基极电流变化 ($\Delta{I_{B}}$) 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 和 α 之间的关系

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。

$$\beta\:=\:\frac{\Delta{I_{C}}}{\Delta{I_{B}}}$$

$$\alpha\:=\:\frac{\Delta{I_{C}}}{\Delta{I_{E}}}$$

$$I_{E}\:=\:I_{B}\:+\:I_{C}$$

$$\Delta I_{E}\:=\:\Delta I_{B}\:+\:\Delta I_{C}$$

$$\Delta I_{B}\:=\:\Delta I_{E}\:-\:\Delta I_{C}$$

We can write

$$\beta\:=\:\frac{\Delta{I_{C}}}{\Delta I_{E}\:-\:\Delta I_{C}}$$

Dividing by $$

$$\beta\:=\:\frac{\frac{\Delta I_{C}}{\Delta I_{E}}}{\frac{\Delta I_{E}}{\Delta I_{E}}\:-\:\frac{\Delta I_{C}}{\Delta I_{E}}}$$

$$\alpha\:=\:\frac{\Delta I_{C}}{\Delta I_{E}}$$

We have

$$\alpha\:=\:\frac{\Delta I_{C}}{\Delta I_{E}}$$

Therefore,

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

从上面的等式可以看出，当 α 趋近于 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，IB 是输入电流，IC 是输出电流。

我们知道

$$I_{E}\:=\:I_{B}\:+\:I_{C}$$

And

$$I_{C}\:=\:\alpha I_{E}\:+\:I_{CBO}$$

$$=\:\alpha (I_{B}\:+\:I_{C})\:+\:I_{CBO}$$

$$I_{C}(1\:-\:\alpha)\:=\:\alpha I_{B}\:+\:I_{CBO}$$

$$I_{C}\:=\:\frac{\alpha}{1-\alpha}I_{B}\:+\:\frac{1}{1-\alpha}\:I_{CBO}$$

If base circuit is open, i.e. if IB = 0,

The collector emitter current with base open is ICEO

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

Substituting the value of this in the previous equation, we get

$$I_{C}\:=\:\frac{\alpha}{1-\alpha}I_{B}\:+\:I_{CEO}$$

$$I_{C}\:=\:\beta I_{B}\:+\:I_{CEO}$$

由此可得到集电极电流的方程。

拐点电压

在 CE 配置中，通过保持基极电流 IB 恒定，如果 VCE 发生变化，IC 将增加至 VCE 的近 1v，此后保持不变。集电极电流 IC 随 VCE 变化的 VCE 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 配置的特性

  • 此配置提供良好的电流增益和电压增益。

  • 保持 VCE 恒定，VBE 略有增加，基极电流 IB 比 CB 配置下增加得更快。

  • 对于高于拐点电压的任何 VCE 值，IC 约等于 βIB。

  • 输入电阻 ri 是基极发射极电压变化（$\Delta{V_{BE}}$）与基极发射极电压变化（$\Delta{V_{BE}}$）之比。基极电流 ($\Delta{I_{B}}$) 在集电极发射极电压 VCE 恒定时的变化。

    $$r_{i}\:=\:\frac{\Delta{V_{BE}}}{\Delta{I_{B}}}\:at\:constant\:V_{CE}$$

  • 由于输入电阻非常低，VBE 的小值足以产生较大的基极电流 IB。

  • 输出电阻 ro 是集电极发射极电压变化 ($\Delta{V_{CE}}$) 与集电极电流变化 ($\Delta{I_{C}}$) 在恒定时的变化之比。 IB。

    $$r_{o}\:=\:\frac{\Delta{V_{CE}}}{\Delta{I_{C}}}\:at\:constant\:I_{B}$$

  • 因为 CE 电路的输出电阻小于 CB 电路的输出电阻。

  • 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。

CC 配置

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。输入电流是基极电流 IB，输出电流是发射极电流 IE。

电流放大系数 (γ)

发射极电流变化 ($\Delta{I_{E}}$) 与基极电流变化 ($\Delta{I_{B}}$) 之比在共集电极 (CC) 配置中称为电流放大因子。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 IB 的值，我们获取

$$\gamma\:=\:\frac{\Delta{I_{E}}}{\Delta{I_{E}}\:-\:\Delta I_{C}}$$

除以 $\Delta I_{E}$

$$\gamma\:=\:\frac{\frac{\Delta I_{E}}{\Delta I_{E}}}{\frac{\Delta I_{E}}{\Delta I_{E}}\:-\:\frac{\Delta I_{C}}{\Delta I_{E}}}$$

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

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

收集器的表达式当前

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 配置的特性

  • 此配置提供电流增益，但无电压增益。

  • 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。

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