這一期中主要聊聊三極管，談及三極管，但凡學過模電的都知道，先學了PN結，然后根據二極管單向導通性學的是二極管，緊接著學的就是三極管了。

三極管在模電中常常被用作放大的作用，但是在實際中也常常被用作開關作用，但是很多人在學了三極管后，就沒有在實際中接觸到三極管，同時也使用的是課本中“理想”的方法分析三極管電路，所以在應用中對三極管就非常“迷”，這一期首先通過課本的方式溫習一遍由三極管組成的“共射電路”，然后通過查看datasheet的方式了解三極管的常用參數，接著通過實際應用的方式，設計三極管放大電路與開關電路

01

基本共射電路結構

圖26 基本共射電路

如圖26所示，這是由NPN三極管組成的基本的共射電路，首先一個問題它為什么叫做共射電路？這是由于輸入回路由基極和發射極組成，輸出回路由集電極和發射極組成，由于發射極是兩個回路的公共端，所以稱該電路為共射放大電路，同理共基電路、共集電路也是這個原理起名的。

這里就不介紹三極管內部工藝，直接看共射電路常見的題目。

下圖所示電路，已知Vcc=15V，β=100，Ube=0.7V。請問：

（1）、Rb=50kΩ時，輸出電壓Uo為多少？

（2）、若T臨界飽和，那么Rb至少為多少？

圖27 共射電路問題

（1）

首先求得基極電流：

再求得集電極電流：

所以電阻Rc兩端電壓為：

最后求得輸出電壓Uo為：

那么怎么根據以上信息判斷三極管T處于截止、飽和、放大區域呢？

可以根據以下結論判斷：

截止區：發射結電壓小于開啟電壓（反向偏置）且集電極反向偏置（集電結電壓大于發射結電壓）：

放大區：發射結正向偏置且集電極反向偏置：

飽和區：發射結和集電結處于正向偏置：

這里要注意發射結正偏和集電結正偏是不一樣的，切勿搞混淆了。

這里三極管的發射結電壓Ube=0.7V,集電結電壓Uce=2V,所以：

所以發射結正向偏置且集電結反向偏置，那么可以判斷三極管處于放大區域。

（2）

假設三極管T臨界飽和，那么發射結電壓以及集電結電壓都剛好等于三極管BE之間開啟電壓：

那么求得此時集電極電流為：

那么基極電流可以根據放大倍數求得：

最后根據基極電流可以求得最大基極電阻Rb為：

此時三極管T處于臨界飽和，當基極電阻Rb=45.45kΩ時，增加基極電阻Rb可以使三極管T進入放大狀態，減小基極電阻可以使三極管T進入飽和狀態。

02

三極管常見參數

那么在實際中要實際用三極管設計一個放大電路和一個開關電路，那該怎么考慮。在設計前要知道三極管常見的參數，這個參數一般可以從三極管的datasheet中知道，以下是某公司的SS8050具體參數：

圖28 三極管極限參數

如圖28所示，這是SS8050這款三極管的極限電氣參數，在設計時一定要考慮不能超過這個值。

圖中：

Vceo是加在c和e之間的最高的極間電壓；

Vcbo是加在c和b之間的最高的極間電壓；

Vebo是加在e和b之間的最高的極間電壓；

Ic是指通過集電極和發射極最高電流；

Pc是三極管能承受的最高功率；

Tj是三級管可以工作的最高溫度；

Tstg是三極管使用和儲存的溫度范圍；

圖29 三極管工作參數表

如圖29所示，這是SS8050工作參數表，在設計時三極管時用作放大功能常常考慮Hfe（直流增益）和Vce（sat）c-e之間飽和電壓：

圖中：

Hfe表示在不同的Ic的放大倍數，這個不是固定值；

Vce（sat）表示三極管飽和狀態下C和E之間的電壓，這里測試的是最高飽和電壓為0.5V，實際中常為0.3V左右；

除了三極管極限參數和工作參數外，還要適當看看三極管的特性曲線，這里取了三極管BE電壓與溫度關系曲線、Vce（sat）與溫度關系曲線、直流增益與Ic關系曲線等：

圖30 三極管BE電壓與溫度關系曲線圖

如圖30所示，當三極管溫度上升后，BE之間的電壓降低了且隨著Ic之間電流增大而增大，這個主要原因就是BE之間相當于二極管，有著負溫度系數，當溫度上升，開啟電壓降低。

圖31 三極管CE飽和電壓與集電極電流Ic關系曲線圖

如圖31所示，溫度的變化對三極管CE之間的飽和電壓影響不大，在不是很精密的場合，可以不考慮。

圖32 三極管直流增益與集電極電流Ic關系曲線圖

如圖32所示，溫度上升可以提高三極管直流增益，且隨著集電極電流Ic上升到一定程度，直流增益明顯下降，所以在設計時集電極電流不能太大。

03

實際應用設計分析

以下是實際應用中將三極管配置成開關作用。

首先我們要學會算，根據如下圖中所示電路以及參數，計算：

（1）、當三極管開關斷開時，如果Vin=0V,那么Vce為多少？

（2）、如果想讓三極管開關完全閉合，那么Ib至少為多大？

（3）、如果Vin=5V，那么Rb最大值為多少？

圖33 三極管開關電路

如圖33所示，這是用NPN三極管設計的一個開關電路，實際應用中三極管的發射極直接接地，而集電極處接電阻Rc用作限流。

（1）、

當三極管開關斷開時，即三極管截止，那么集電極電流ic=0A,所以：

（2）、

當三極管完全閉合時，三極管CE之間就為飽和電壓，一般可以設Vce(sat)=0.2V，那么此時集電極電流Ic（sat）為：

在飽和區，三極管直流增益hfe就要“打折”，假設hfe=50，那么求得基極電流：

Ib此時已經可以令三極管達到飽和狀態了，Ic=Ic(sat)。如果此時繼續提高Ib就會讓三極管進入深度飽和狀態，Ic就不會增加了。

那么在選型時，要注意是否超過三極管極限參數中的Ic電流。

（3）、

三極管飽和時，Vbe=0.7V,于是可以根據Ib(min)求得基極電阻最大值為：

在實際選型時根據功率：

那么此時可以選擇0603-5%的電阻，或者其他封裝比1mW高的電阻。

那么在選型時，要注意是否超過三極管極限參數中的Pc功率。

在設計時一般先選擇集電極電阻Rc,然后根據集電極電流Ic并縮小直流增益可以求得最小需要的基極電流Ib(min),接著可以求得最大的基極電阻，就可以配置三極管處于開關狀態了。

接著是實際應用中將三極管配置成放大作用。

假如現在要設計一個將峰峰值Vp-p=1V，放大倍數Av=5的共射電路，那么該如何選擇電源，電阻配置該怎么選擇？下圖是共射放大基本電路。

圖34 實際中共射放大基本電路

如圖34所示，其中R1和R2為三極管Q提供基極靜態電壓，R3和R4為放大電路提供放大倍數，C3和C4為耦合電容，C1和C2為旁路去耦電容。設計時先確定好集電極電流Ic，這里選擇集電極電流Ic為1mA,由于集電極電流Ic和發射極電流Ie是相等的，所以也先確定好反射極的電位。

由于三極管BE極之間的二極管是隨著外界溫度變化的，大概是2mv/℃，所以在設計發射極的電位時要比大很多，這樣就算外界溫度變換引起二極管BE之間的電壓變化，對于發射極電壓影響不大，這里選擇發射極電壓為2V，那么可以根據集電極電流Ic與發射極電壓Ue，確定R4的大小：

精度上可以選擇5%，功率為：

然后根據功率可以選擇合適封裝的電阻，這里選擇0603（0.1W）封裝。

三極管Q的BE之間的導通電壓一般為0.6V，所以三極管Q基極電壓Vb為：

所以要根據電阻R1和電阻R2將基極電壓配置為2.6V。這里沒有確定外界電源大小，所以放在后面分析。

在選擇電阻R3的參數是，先要分析，如何配置輸出信號的直流偏置點？

由于發射極電壓Ve=2V,而輸出電壓的峰峰值Uo(p-p)=5V,所以外界電源大小最小應該要為7V：

所以輸出電壓的直流偏置點為：

所以集電極電阻R3分壓為：

那么根據集電極電流Ic可以求得集電極電阻：

然后精度上可以選擇5%的電阻，功率為：

然后根據功率可以選擇合適封裝的電阻，這里選擇0603（0.1W）封裝。但是這樣算是不是有點問題？

在選擇電阻R3的參數時，還要進行分析，放大倍數Av與什么有關，怎么計算的？

在由于三極管BE之間相當于二極管，所以在導通的情況下，對于信號是直接傳遞的，所以輸入信號的變化量直接加到了發射極電阻R4上：

由于發射極電流和集電極電流近似相等，所以集電極電阻R3電壓上電壓的變化量為：

由于輸出電壓Uo是電源電壓減去集電極電阻R3上的電壓，而集電極電阻R3電壓是變化的，所以輸出電壓Uo也是變化的，并且它們的變化量是一樣的，所以輸出電壓Uo的變化量等于集電極電阻R3電壓的變化量：

根據公式31、32、33可以求得放大倍數Av為：

所以放大倍數由電阻R3和電阻R4決定的，由于要設計放大倍數Av=5的電路，求得R4=2kΩ,那么集電極電阻R3為：

精度上也可以選擇5%的，功率為：

然后根據功率可以選擇合適封裝的電阻，這里選擇0603（0.1W）封裝。

兩種分析得出的R3都不一樣，在實際中要怎么解決這個問題呢？分析順序還是相同的，先根據輸出直流偏執點求得集電極電阻R3的大小，但是在放大倍數那，可以在發射極電阻并聯電容和電阻來改變放大倍數，如下圖所示：

圖35 共射電路擴大放大倍數圖

如圖35所示，在電阻R4上并聯電容C5和電阻R5可以提高放大倍數Av，由于電容具有“隔直通交”的特性，所以此時放大倍數為：

由于算輸出靜態偏置點時求得集電極電阻R3為2.5KΩ，所以可以設計：

可以近似取R5為500歐姆，實際上放大倍數設置5時由于三極管內部的寄生電容的影響會有一定的衰減，這里擴大一定裕量，實際放大倍數Av:

同時電阻R5也可以選0603封裝，電容C5和電阻R5組成高通濾波器，C5的值影響放大電路的高頻特性，但是不考慮的話，可以選10uf/0603電容。

由于VCC選取7V電壓，那么三極管基極靜態電壓偏置為2.6V，假設三極管放大倍數為200倍，那么基極電流Ib為：

所以I1電流之路流過幾百微安的電流，基極電流抽出幾微安電流是沒什么影響的。假定I1為500uA,那么電阻R1為：

根據Vb電壓為2.6V可以求得電阻R2：

實際中根據功率，電阻R1和電阻R2可以選擇0603（5%）的封裝。

電路中旁路電容C1可以選擇10uF/0603,電容C2可以選擇100nF/0603，耦合電容決定的電路的高頻特性，這里選擇10uF/0603。

04

仿真驗證

以下通過仿真軟件對上述三極管開關電路和放大電路進行仿真驗證：

圖36 三極管飽和導通仿真

如圖36所示，根據上述參數設計左邊三極管處于飽和導通狀態，增加基極電阻Rb那么三極管將處于放大狀態。

圖37 三級管放大電路仿真分析

如圖37所示，根據計算的參數仿真可得，基極靜態電壓為2.57V，輸出電壓靜態點為4.77V，發射極電壓為1.8V，結果還是比較準確的，也因三極管而異。

圖38 三極管波形分析

如圖38所示，紅線波形是放大后的信號，藍色線是輸入信號，輸出信號的峰峰值為4.619V,輸入信號的峰峰值為1V，放大倍數為4.6倍，與實際值相差不多，驗證成功。

圖39 三極管放大倍數分析

如圖39所示，用波特測試儀對輸入信號和輸出信號進行分析，增益為15db，而理論上的增益為：

15db與理論值相差不多，所以增益驗證正確。