結(jié)型晶體管是三明治結(jié)構(gòu)，下圖是NPN型三極管的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其電路符號(hào)。

其中，B為基極（Base)，E為發(fā)射極（Emitter)，C為集電極（Collector）。前文中我們提到，三極管是為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)算放大功能而發(fā)明的。那么，三極管實(shí)現(xiàn)的是什么樣的放大功能呢？

我們?cè)贐和E之間，提供一個(gè)0.7V的正向偏置電壓，即Vbe=0.7V（這可以通過(guò)電壓源加限流電阻的方式實(shí)現(xiàn)），這個(gè)0.7V的電壓即為PN結(jié)的壓降。此時(shí)從B極注入了一定的電流Ib進(jìn)入到三極管，這個(gè)電流被稱為基極電流。三極管的作用，就是要將這個(gè)基極電流放大，以滿足運(yùn)算放大的需求。

當(dāng)我們把電路接成下圖中的這種形式后，在一定的R2范圍內(nèi)，會(huì)發(fā)現(xiàn)流進(jìn)三極管的集電極電流Ic和基極電流Ib成比例地增大或減小，并且Ic/Ib遠(yuǎn)大于1，這個(gè)比例與電阻R2的阻值無(wú)關(guān)。也就是說(shuō)，通過(guò)Ib控制了Ic，集電極電流Ic即為基極電流Ib的放大。

這樣的放大特性，能幫我們完成很多事情，我們會(huì)在接下來(lái)的應(yīng)用中介紹。在此之前，我們需要先理解三極管的工作狀態(tài)。

三極管的工作狀態(tài)，并非一成不變的。也就是說(shuō)，三極管能夠用來(lái)實(shí)現(xiàn)電流放大，是有條件的。

下圖左邊是三個(gè)工作區(qū)劃分，右邊是典型的NPN三極管S8050（Fairchild生產(chǎn)）的輸出特性曲線，一般三極管的輸出特性曲線都會(huì)在第一張圖里給出。

在模電中我們學(xué)過(guò)，只有當(dāng)三極管處于放大區(qū)時(shí)才處能實(shí)現(xiàn)成比例放大。那么，我們?nèi)绾卫斫馍蠄D中的三個(gè)工作區(qū)呢？

以NPN三極管為例，給出我的理解，具體請(qǐng)參考模電教材。

1）截止區(qū)。b,e之間的PN結(jié)處于阻斷狀態(tài)。流進(jìn)基極的電流為零。集電極和發(fā)射極自然也不會(huì)有電流，故稱為截止區(qū)。此時(shí)CE之間必須承受正向電壓。即Vc高于Ve，否則會(huì)造成三極管的反向電壓擊穿。

2）放大區(qū)和飽和區(qū)。一般的模電教材會(huì)把這兩個(gè)區(qū)分開(kāi)講解，提出所謂的“發(fā)射極正偏，集電極反偏就是放大區(qū)。發(fā)射極正偏，集電極正偏就是飽和區(qū)”這種說(shuō)法。實(shí)際上，這種說(shuō)法顛倒了事情的因果，只是為了方便做題用的。當(dāng)基極電流和外部電路條件都給定后，三極管的PN結(jié)的正向偏置與反向偏置只是外部電壓表現(xiàn)，并不是造成三極管工作在這個(gè)區(qū)的原因。

我們根據(jù)三極管的三種工作狀態(tài)，可以知道它至少具有以下功能：

1）截止時(shí)阻斷電壓，be正偏時(shí)導(dǎo)通電流，這種特性完全可以用來(lái)做開(kāi)關(guān)器件，并且是可控的主動(dòng)型開(kāi)關(guān)器件。我們上一篇文章中講的被動(dòng)器件二極管能實(shí)現(xiàn)的功能，理論上用三極管也都能實(shí)現(xiàn)。

2）三極管工作在放大區(qū)時(shí)，通過(guò)外部電路可將電流的比例關(guān)系線性地轉(zhuǎn)化為電壓的比例關(guān)系，用來(lái)做信號(hào)傳輸和處理。

3）三極管的電流放大能力，使得其可以實(shí)現(xiàn)功率放大功能。

下面針對(duì)這三點(diǎn)，一一舉例說(shuō)明：

實(shí)例1---開(kāi)關(guān)器件

事實(shí)上，在場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET還沒(méi)有問(wèn)世之前，一些基本的電力電子線路都是基于雙極性功率晶體管的。包括電力電子電路中的Buck、反激等電路。開(kāi)關(guān)器件也不只局限于功率電路中，任何一個(gè)信號(hào)調(diào)理電路中，都比較容易見(jiàn)到三極管的身影。當(dāng)然，目前三極管用途最廣泛的還是在集成電路中。

這里，我們考慮現(xiàn)在使用非常頻繁的有源器件---比較器。相信很多工程師都接觸過(guò)這個(gè)器件。那么這個(gè)器件和三極管有什么關(guān)系呢？

我們給大家介紹比較器的兩種輸出結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)自Ti官網(wǎng)資料）。

第一種輸出結(jié)構(gòu)被稱為集電極開(kāi)路結(jié)構(gòu)（OC結(jié)構(gòu)），第二種輸出結(jié)構(gòu)為推挽集電極結(jié)構(gòu)。對(duì)于OC結(jié)構(gòu)，比較器的輸出必須要有上拉電阻。對(duì)于推挽結(jié)構(gòu)，外部則不必加上拉。

出一個(gè)思考題，哪種結(jié)構(gòu)的輸出可以直接并聯(lián)實(shí)現(xiàn)邏輯“或”的功能？

我們重點(diǎn)想講解的，是比較器的OC輸出狀態(tài)。

比較器的OC輸出狀態(tài)靠OC三極管實(shí)現(xiàn)，理論上只有兩種狀態(tài)，高電平（電源正軌）和低電平（電源負(fù)軌），此時(shí)OC三極管要么工作在截止區(qū)，要么工作在飽和區(qū)。

但在某些場(chǎng)合，由于設(shè)計(jì)疏忽或者某些工況對(duì)上拉電阻進(jìn)行了并聯(lián)，比較器的輸出上拉電阻可能存在阻值較小的情況。當(dāng)比較器的反相輸入端電壓高于同向輸出端時(shí)，此時(shí)OC三極管的基極為高電平，OC三極管的CE電壓理應(yīng)被拉低至電源負(fù)軌。

然而，由于上拉電阻的阻值配置得過(guò)小，超出了三極管的sink current 能力，OC三極管退飽和，進(jìn)入了放大區(qū)。此時(shí)比較器的輸出電平就不再是低電平（電源負(fù)軌），而是電源負(fù)軌電壓加上三極管的CE電壓(Vo=Vee+Vce)。這個(gè)輸出電平可能會(huì)被系統(tǒng)認(rèn)為是高電平，從而比較功能失效。例如在下圖例子中，當(dāng)電流Io=30mA時(shí)，比較器的輸出不再是0V附近，而是到了10V左右。

實(shí)例2---信號(hào)傳輸

三極管為三端口元件，當(dāng)輸入輸出的地共用某個(gè)端口時(shí)，另外兩個(gè)端口即可用作信號(hào)的輸入與輸出。最典型的是下圖中的共射極連接方式。

其中C1,C2為隔直電容（有些地方將其稱為耦合電容），承擔(dān)三極管直流偏置電壓。這樣，輸入的VAC信號(hào)就被傳遞到了輸出RL的電壓信號(hào)。Rs為電源內(nèi)阻和線路電阻。

要使得這樣的放大電路能正常工作，必須注意如下兩點(diǎn)：

第一點(diǎn)是信號(hào)強(qiáng)度一定要在三極管的放大區(qū)。無(wú)論是靜態(tài)工作點(diǎn)，還是疊加信號(hào)分量的工作點(diǎn)，都必須處于三極管放大區(qū)，否則就會(huì)造成信號(hào)失真（截止失真和飽和失真，相關(guān)概念可以查閱模電教材）。

第二點(diǎn)是阻抗的匹配。當(dāng)我們需要對(duì)放大電路進(jìn)行級(jí)聯(lián)時(shí)，就必須考慮放大器的輸入輸出阻抗。最理想的阻抗特性，當(dāng)然是輸出阻抗為零，這樣輸出信號(hào)就可以無(wú)損地傳遞到后級(jí)輸入了，輸入阻抗為無(wú)窮大，這樣本級(jí)的電路就不會(huì)對(duì)前級(jí)的電路產(chǎn)生影響。這樣的阻抗如何求取呢？--根據(jù)電路的交流小信號(hào)模型。對(duì)于交流小信號(hào)模型，隔直電容可以看做短路。我們知道，電容容值越大，其高頻阻抗越低，因此工程上可以這樣做短路處理。同樣，電壓源也可以看做對(duì)地短路，這與電容是一個(gè)道理。

那么上面的電路就等效成了下面的交流小信號(hào)電路。

這樣電路就變得很簡(jiǎn)單了，只剩下一個(gè)三極管需要處理。對(duì)于三極管，模電教材中有專門的小信號(hào)模型，只需要將其套用到這里的電路即可。這個(gè)電路的輸入輸出阻抗留給讀者自行求取。

針對(duì)傳輸特性，我們還需考慮實(shí)際器件的關(guān)鍵參數(shù)。

第一個(gè)是電流增益β，也即是集電極電流與基極電流之比，這個(gè)參數(shù)并非是一個(gè)固定的常數(shù)，它和溫度以及集電極電流相關(guān)，而且即使是同一廠家生產(chǎn)出來(lái)的同一批次器件，增益參數(shù)β的離散度也不容忽視。廠商的Datasheet中通常給出與之相關(guān)的另一個(gè)參數(shù)hfe隨集電極電流的變化曲線

第二點(diǎn)是三極管的頻域特性，往往用增益帶寬積表示。因?yàn)楦哳l情況三極管內(nèi)部的一些結(jié)電容影響了三極管的高頻特性。增益帶寬積，是頻率可用空間與增益能力的綜合體現(xiàn)，除了三極管需要關(guān)心這個(gè)參數(shù)外，其他主動(dòng)器件，比如集成運(yùn)放，傳感器等等器件，都需要注意這一點(diǎn)。

實(shí)例3---功率驅(qū)動(dòng)

由功率三極管，可以搭建非常多的功放電路。所謂功放，本質(zhì)上還是利用的三極管電流放大能力。模電教材里面給出了很多例子，比如甲類，甲乙類等等，這里我們不再重復(fù)講解。我們?cè)購(gòu)墓こ虘?yīng)用的角度舉一個(gè)例子--圖騰柱驅(qū)動(dòng)。

在一些功率電路里面，高頻開(kāi)關(guān)器件（例如IGBT）需要有一定的門極驅(qū)動(dòng)電壓電流才能開(kāi)通器件，而一般集成IC或者MCU提供的拉電流能力是比較有限的，并且芯片Pin角的輸出電平為MCU的驅(qū)動(dòng)電平只有5V或3.3V。這時(shí)需要采用一個(gè)中間過(guò)渡環(huán)節(jié)，提高驅(qū)動(dòng)脈沖電壓，同時(shí)加強(qiáng)輸出電流能力，電平移位加圖騰柱的驅(qū)動(dòng)方案就是一個(gè)選擇。

上圖中，MCU的供電為5V，MCU的驅(qū)動(dòng)脈沖高電平為5V，且拉電流能力為mA級(jí)別，完全不足以驅(qū)動(dòng)右邊的IGBT門極。但如果中間加上電平移位（Level Shifter)和圖騰柱（Totem pole)結(jié)構(gòu),就可以解決這個(gè)問(wèn)題。

當(dāng)MCU Driver信號(hào)為高時(shí)，Q1導(dǎo)通，圖騰柱Q2，Q3的基極電壓被拉到零，此時(shí)，此時(shí)Q3開(kāi)，Q2關(guān)，IGBT門極通過(guò)R4和Q3放電。Q3的灌電流（Sink Current)能力要遠(yuǎn)大于MCU的pin角。IGBT門極電壓能迅速降至零并維持，IGBT關(guān)斷。

當(dāng)MCU Driver信號(hào)為低時(shí)，Q1截止，圖騰柱Q2，Q3的基極電壓被拉到Vcc,Q2開(kāi)啟，Q3關(guān)斷，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電流從Vcc出發(fā)，經(jīng)過(guò)Q2，R3，R4后到IGBT門極。此時(shí)門極的驅(qū)動(dòng)電壓為Vdriver=Vcc-R2壓降-Q2的BE之間的PN結(jié)壓降-R3，R4壓降，總壓降基本可以控制在1V左右，同時(shí)Q2的電流是MCU電流經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大后得到的，所以驅(qū)動(dòng)IGBT的開(kāi)通完全沒(méi)有問(wèn)題。

這里再出一個(gè)思考題，圖騰柱中的三極管工作在哪個(gè)區(qū)呢？

以上我們就用三種實(shí)例講解了三極管的各種用法。事實(shí)上，三極管作為模擬電路的基礎(chǔ)，用途遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些，今天舉的例子只是九牛一毛。三極管的控制特性，也決定了它可以用來(lái)做反饋，例如線性穩(wěn)壓源；模電教材中三極管夠成的鏡像電流源，在集成電路中使用非常廣泛。這里我們就不一一細(xì)講了，后面的專題中我們有機(jī)會(huì)再給大家介紹，感興趣的讀者可以自行總結(jié)，他們分別利用了三極管的哪些特性。