電路設(shè)計(jì)與制作（含活頁式實(shí)訓(xùn)工單） 課件 項(xiàng)目1 任務(wù)4三極管的使用

項(xiàng)目1電路基礎(chǔ)元件的使用

任務(wù)4三極管的使用任務(wù)描述三極管是一種常用的電子元件，可用于放大信號(hào)、開關(guān)電路等。本任務(wù)通過介紹三極管的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，讓讀者了解三極管的放大作用和放大倍數(shù)的計(jì)算方法，認(rèn)識(shí)三極管的開關(guān)特性和應(yīng)用，并通過簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三極管的開關(guān)特性。知識(shí)儲(chǔ)備

一、晶體管概述1948年晶體管的發(fā)明給電子工業(yè)界帶來了巨大的變革，使電子技術(shù)急速發(fā)展。最初的晶體管的制作材料為鍺，但由于其耐熱性能較差，僅在80℃便易損壞，因此，目前晶體管多使用硅材質(zhì)，其所承受的溫度可達(dá)180℃。盡管目前談及晶體管，多指晶體三極管，但是嚴(yán)格來說，晶體管是使用半導(dǎo)體制作的元件，包括各種二極管、三極管、晶閘管等。一、晶體管概述晶體三極管主要分為雙極性晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管。前者通過將N型和P型半導(dǎo)體結(jié)合，內(nèi)部有兩個(gè)PN結(jié)，在外部組成了基極(B)、集電極(C)和發(fā)射極(E)，其中基極在電流遠(yuǎn)小于其他兩極的情況下，可以控制集電極和發(fā)射極電流的大小，實(shí)現(xiàn)放大功能。后者晶體管三極的名稱分別為源極(S)、柵極(G)和漏極(D)。由于雙極性晶體管有三個(gè)電極，因此其使用方式也有三種：（1）發(fā)射極接地，即共射放大；（2）基極接地，即共基放大；（3）集電極接地，即共集放大。一、晶體管概述晶體管主要有兩個(gè)作用：開關(guān)和增幅。對(duì)于計(jì)算機(jī)中常見的數(shù)字信號(hào)，晶體管則起著0和1的開關(guān)作用。若接收的是模擬信號(hào)，則晶體管可以在不改變輸入信號(hào)波形的情況下，通過增幅作用將微弱信號(hào)放大。例如晶體管應(yīng)用在收音機(jī)中，可以使音響共鳴。目前常見的集成電路芯片和大規(guī)模集成電路，本質(zhì)上就是集結(jié)大量晶體管，利用其增幅和開關(guān)作用。一、晶體管概述如圖1-63所示，晶體管類似于自來水管道，基極類似閥門，集電極類似水龍頭，發(fā)射極則類似配管，將基極的輸入信號(hào)當(dāng)作外力，通過控制閥門達(dá)到控制水龍頭、調(diào)節(jié)釋放水量（集電極電流）的目的。一、晶體管概述對(duì)于增幅作用的原理，如圖1-64所示，輸入電壓和偏壓在基極與發(fā)射極之間會(huì)形成電壓VBE，電流IB與該電壓存在比例關(guān)系，IC與IB同樣有著倍數(shù)關(guān)系，即晶體管的直流電流增幅率。當(dāng)電流IC流過電阻RL，根據(jù)歐姆定律，電阻RL兩端會(huì)存在ICxRL的電壓。因此，輸入電壓e的最終增幅為IC*RL。一、晶體管概述二、三極管分類從廣義上來說，三極管的類型眾多，如圖1-65所示。二、三極管分類但是從狹義上來說，三極管主要是指最為基礎(chǔ)和通用的雙極型三極管，其別稱也很多，具體如圖1-66所示。二、三極管分類三極管的極性可分為兩類：NPN型與PNP型。其電路符號(hào)如圖1-67所示。圖中發(fā)射極的箭頭代表電流的方向，NPN型三極管的電流從基極指向發(fā)射極，而PNP型三極管的電流則從發(fā)射極指向基極，與NPN型恰好相反。二、三極管分類對(duì)于不同類型的三極管，其電流方向也并不相同。設(shè)IB為基極電流，IC為集電極電流，IE為發(fā)射極電流，NPN型與PNP型兩種三極管的電流流向如圖1-68所示。二、三極管分類三種電流之間的關(guān)系如下：其中，β為三極管電流的放大倍數(shù)。由此可以看出，集電極電流與基極電流呈現(xiàn)β倍的關(guān)系。另外，三種電流中，IE最大，IB最小，所以，IE與IC相差不大，但都遠(yuǎn)大于IB。因此，通過基極的電流IB經(jīng)過晶體管可放大至IE或IC，從而具有電流放大的功能。二、三極管分類盡管NPN型和PNP型三極管都可使用硅或鍺材料制作，但目前市面上，多用硅制作NPN型三極管，使用鍺制作PNP型三極管。二、三極管分類進(jìn)一步地，三極管有三種工作狀態(tài)，分別如下：（1）截止?fàn)顟B(tài)。此狀態(tài)下三極管相當(dāng)于開路狀態(tài)。當(dāng)IB、IE和IC的值為0，或者非常小，又或者集電極和發(fā)射極之間的內(nèi)阻很大時(shí)，可以判斷三極管已處于截止?fàn)顟B(tài)。二、三極管分類（2）放大狀態(tài)。由上述公式（1-6）和（1-7）可知，當(dāng)IB增大時(shí)，IC也會(huì)增大。在放大倍數(shù)β不變的情況下，如果IB增長(zhǎng)幅度小，IC卻大幅度增大，即微小的基極電流可控制集電極和發(fā)射極的電流大小與內(nèi)阻，則稱三極管進(jìn)入放大狀態(tài)。（3）飽和狀態(tài)。在三極管處于放大狀態(tài)的前提下，基極電流若大幅度增大，會(huì)進(jìn)入飽和狀態(tài)。同時(shí)，放大倍數(shù)β開始下降，飽和度越高，β值越小，甚至小于1。另外，基極無法控制另外兩個(gè)電極，三極管也再無放大能力，此時(shí)，三極管就相當(dāng)于開關(guān)中的“開”狀態(tài)。二、三極管分類需要注意的是，在開關(guān)電路中，三極管會(huì)從截止?fàn)顟B(tài)迅速轉(zhuǎn)為飽和狀態(tài)，或從飽和狀態(tài)立刻進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，中間無放大狀態(tài)過渡。三極管輸出特性曲線如圖1-69所示：知識(shí)補(bǔ)充在截止?fàn)顟B(tài)下，三極管的基極電壓較低，使得集電極和發(fā)射極之間的電流非常小。這相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，不允許電流通過三極管。而在飽和狀態(tài)下，三極管的基極電壓較高，允許大量電流從集電極流入發(fā)射極。這相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)處于打開狀態(tài)，允許電流通過三極管。在放大器中，三極管用于增強(qiáng)輸入信號(hào)的幅度，以便更好地驅(qū)動(dòng)負(fù)載。而在開關(guān)電路中，三極管則被用于控制電路中的電流流動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能。二、三極管分類目前，市場(chǎng)上常用的90**系列三極管有9011～9018等型號(hào)。以9013為例，外形和引腳排列如圖1-70所示，該晶體管功率較小，從平面一端面向自己，從左至右，三個(gè)管腳分別為發(fā)射極、基極、集電極。但是，其他型號(hào)三極管的引腳排列順序與90**系列并不一致，盡管封裝或外觀也許與90**系列一樣，但依舊需要查閱資料或通過實(shí)測(cè)來確定引腳。二、三極管分類不同90**系列型號(hào)的三極管，其功能也不同。另外，還有8550（PNP）和8050（NPN）兩種型號(hào)也經(jīng)常有所應(yīng)用。這些三極管的封裝材料為TO-92塑料，具體主要參數(shù)見表1-5。不同類型的三極管用途多種多樣，基本涵蓋了小功率三極管的常用功能，不同廠家在生產(chǎn)的時(shí)候，會(huì)標(biāo)有字母“C”“S”等前綴，以及“C”“H”等后綴，后綴字母一般表明放大倍數(shù)的范圍。但需要注意的是，盡管后綴相同，但是不同類型的三極管所對(duì)應(yīng)的放大倍數(shù)卻并不相同，具體范圍應(yīng)查閱資料確定。二、三極管分類表1-5常用9011～9018、8050、8550三極管的基本參數(shù)三、三極管檢測(cè)任務(wù)1已經(jīng)介紹一種確定三極管極性的方法，此處介紹第二種方法：使用指針式萬用表的電阻檔來進(jìn)行判別?？傮w分為兩個(gè)步驟：（1）確定基極。若三極管為NPN型，先假設(shè)一個(gè)管腳為基極，將黑表筆與之接觸，紅表筆接另外兩極，如果測(cè)得的電阻值為幾百至幾千歐等，但是將紅黑表筆對(duì)調(diào)，電阻達(dá)到幾百千歐以上，那么先前假設(shè)的管腳則為基極。而對(duì)于PNP型三極管來說，情況相反，紅表筆接基極。此方法還可以用于測(cè)量三極管的管型以及內(nèi)部的PV結(jié)是否完好。三、三極管檢測(cè)（2）區(qū)分集電極與發(fā)射極。假設(shè)剩余的兩個(gè)管腳，其中一個(gè)為集電極，另一個(gè)為發(fā)射極，手指分別捏住兩極，代替基極電阻。若為NPN型三極管，黑表筆接觸假設(shè)的集電極，紅表筆接觸假設(shè)的發(fā)射極；若為PNP型三極管，則相反。然后對(duì)調(diào)紅黑表筆，觀察并比較兩次指針偏轉(zhuǎn)的角度，角度大的那一次，表明假設(shè)正確，即黑表筆接觸的為集電極，紅表筆接觸的為發(fā)射極。三、三極管檢測(cè)可參考圖1-71理解：四、三極管電路當(dāng)三極管作為開關(guān)使用時(shí)，NPN型與PNP型三極管的功能各不相同，前者的集電極接VCC，后者的集電極則接地的引線，如圖1-72所示。當(dāng)晶體管斷開時(shí)，處于高阻態(tài)，閉合時(shí)則處于低阻態(tài)。通常，為了保護(hù)電路和元件，使用NPN型二極管時(shí)，需要增大電阻值；而使用PNP型二極管時(shí)，需要降低電阻值。三、三極管檢測(cè)但實(shí)際中需要避免錯(cuò)誤接法，如圖1-73所示。三、三極管檢測(cè)三極管在放大電路中，有三種基本接法，如圖1-74所示。（1）共發(fā)射極接法。從基極輸入信號(hào)，由集電極輸出電壓和電流，二者增益均大于1，輸出電阻與集電極的電阻相關(guān)，適用做低頻多級(jí)放大電路的中間級(jí)。三、三極管檢測(cè)（2）共集電極接法。從基極輸入信號(hào)，由發(fā)射極輸出，僅放大電流，無法放大電壓。輸入電阻最高，但輸出電阻最小，具有較好的頻率特性，可用做輸入級(jí)、輸出級(jí)或緩沖級(jí)。三、三極管檢測(cè)（3）共基極接法。從基極輸入信號(hào)，由集電極輸出，僅放大電壓，無放大電流作用，輸入電阻最小，輸出電阻同樣與集電極相關(guān)，具有較好的高頻特性，常用于高頻或?qū)掝l帶低輸入阻抗等電路。三、三極管檢測(cè)三極管用作開關(guān)，組成邏輯電路時(shí)，電路