电子电路基础 - 晶体管配置
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简述
晶体管有3个端子，发射极、基极和集电极。使用这 3 个端子，晶体管可以以 3 种不同的可能配置连接到一个电路中，其中一个端子对输入和输出都是公共的。三种类型的配置是Common Base、Common Emitter和Common Collector配置。在每一种配置中，发射结都是正向偏置的，而集电极结是反向偏置的。 -
公共基础 (CB) 配置
该名称本身意味着将基极端作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，让我们考虑 CB 配置中的 NPN 晶体管。当施加发射极电压时，由于它是正向偏置的，因此来自负极端子的电子排斥发射极电子，电流通过发射极和基极流向集电极，从而产生集电极电流。集电极电压V CB在此期间保持恒定。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保持不变时，集电极电流的变化（$\Delta I_{C}$）与发射极电流的变化（$\Delta I_{E}$）之比称为电流放大系数。用α表示。$$\alpha\:=\:\frac{\Delta I_{C}}{\Delta I_{E}}\:\:at\:constant\:V_{CB}$$集电极电流表达式
有了上面的想法，让我们试着画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，有一定量的基极电流 IB 流过基极端子。由于集电极-基极结被反向偏置，由于少数电荷载流子，还有另一个电流流动。这就是漏电流，可以理解为Ileakage。这是由于少数电荷载流子，因此非常小。到达集电极端的发射极电流为$$\mathbf{\mathit{\alpha I_{E}}}$$总集电极电流$$I_{C}\:=\:\alpha I_{E}\:+\:I_{leakage}$$如果发射极-基极电压V EB = 0，即使这样，也会有一个小的漏电流，可以称为I CBO（输出开路的集电极-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，以上推导的是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使用的晶体管的电流放大系数。CB配置的特点
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此配置提供电压增益但不提供电流增益。
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在V CB恒定的情况下，随着发射极基极电压 V EB的小幅增加，发射极电流I E会增加。
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发射极电流I E与集电极电压V CB无关。
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集电极电压V CB只能在低电压时影响集电极电流I C ，此时 V EB保持恒定。
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输入电阻 ri 是在恒定集电极基极电压V下发射极-基极电压变化 ($\Delta{V_{EB}}$) 与发射极电流变化 ($\Delta{I_{E}}$) 的比值CB。$$\eta\:=\:\frac{\Delta{V_{EB}}}{\Delta{I_{E}}}\:\:at\:constant\:V_{CB}$$
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由于输入电阻的值非常低，V EB的小值足以产生大电流流过发射极电流I E。
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输出电阻 r o是在恒定发射极电流I下集电极基极电压 ($\Delta{V_{CB}}$) 的变化与集电极电流 ($\Delta{I_{C}}$) 的变化之比E。 _$$r_{o}\:=\:\frac{\Delta{V_{CB}}}{\Delta{I_{C}}}\: at\: constant\:l_{E}$$
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由于输出电阻值非常高，V CB的较大变化会导致集电极电流I C的变化很小。
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这种配置在温度升高时提供了良好的稳定性。
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CB 配置用于高频应用。
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共发射极 (CE) 配置
该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。
就像在 CB 配置中一样，发射结正向偏置，集电极结反向偏置。以相同的方式控制电子的流动。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 ($\Delta{I_{C}}$) 与基极电流变化 ($\Delta{I_{B}}$) 的比率称为基极电流放大系数。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系数和发射极电流放大系数之间的关系。$$\beta\:=\:\frac{\Delta{I_{C}}}{\Delta{I_{B}}}$$$$\alpha\:=\:\frac{\Delta{I_{C}}}{\Delta{I_{E}}}$$$$I_{E}\:=\:I_{B}\:+\:I_{C}$$$$\Delta I_{E}\:=\:\Delta I_{B}\:+\:\Delta I_{C}$$$$\Delta I_{B}\:=\:\Delta I_{E}\:-\:\Delta I_{C}$$我们可以写$$\beta\:=\:\frac{\Delta{I_{C}}}{\Delta I_{E}\:-\:\Delta I_{C}}$$除以$$ \ beta \: = \: \ frac {\ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}}} {\ frac {\ Delta I_ {E}} {\ Delta I_ {E}} \: - \: \ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}}} $$$$\alpha\:=\:\frac{\Delta I_{C}}{\Delta I_{E}}$$我们有$$\alpha\:=\:\frac{\Delta I_{C}}{\Delta I_{E}}$$所以，$$\beta\:=\:\frac{\alpha}{1-\alpha}$$从上面的方程可以看出，随着α接近1，β达到无穷大。因此，Common Emitter 连接中的电流增益非常高。这就是这种电路连接主要用于所有晶体管应用的原因。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$$I_{E}\:=\:I_{B}\:+\:I_{C}$$和$$I_{C}\:=\:\alpha I_{E}\:+\:I_{CBO}$$$$=\:\alpha (I_{B}\:+\:I_{C})\:+\:I_{CBO}$$$$I_{C}(1\:-\:\alpha)\:=\:\alpha I_{B}\:+\:I_{CBO}$$$$I_{C}\:=\:\frac{\alpha}{1-\alpha}I_{B}\:+\:\frac{1}{1-\alpha}\:I_{CBO}$$如果基极电路开路，即如果I B = 0，基极开路时的集电极发射极电流为 I CEO$$I_{CEO}\:=\:\frac{1}{1-\alpha}\:I_{CBO}$$代入上式中 this 的值，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的方程。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变化，则I C增加到接近V CE的 1v并在此后保持恒定。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 配置中运行时，它们在此拐点电压以上运行。CE 配置的特点
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这种配置提供了良好的电流增益和电压增益。
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保持V CE不变，随着V BE的小幅增加，基极电流I B比在 CB 配置中快速增加。
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对于任何高于拐点电压的V CE值， I C大约等于 β I B。
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输入电阻ri是基极发射极电压变化（$$\Delta{V_{BE}}$$）与基极电流变化（ $$\Delta{I_{B}}$$) 在恒定的集电极发射极电压 VCE。
$$r_{i}\:=\:\frac{\Delta{V_{BE}}}{\Delta{I_{B}}}\:at\:constant\:V_{CE}$$ -
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由于输入电阻值非常低，V BE的小值足以产生基极电流I B的大电流。
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输出电阻r o是恒定I B下集电极发射极电压 ($$\Delta{V_{CE}}$$) 与集电极电流 ($$\Delta{I_{C}}$$) 的变化之比。$$r_{o}\:=\:\frac{\Delta{V_{CE}}}{\Delta{I_{C}}}\:at\:constant\:I_{B}$$
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由于 CE 电路的输出电阻小于 CB 电路的输出电阻。
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这种配置通常用于偏置稳定方法和音频应用。
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通用收集器 (CC) 配置
该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。
就像在 CB 和 CE 配置中一样，发射结正向偏置，集电极结反向偏置。以相同的方式控制电子的流动。输入电流是基极电流I B，输出电流是发射极电流I E。电流放大系数 (γ)发射极电流变化 ($\Delta{I_{E}}$) 与基极电流变化 ($\Delta{I_{B}}$) 的比率称为共集电极 (CC) 配置中的电流放大因子. 它用γ表示。$$ \ gamma \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {E}}} {\ Delta {I_ {B}}} $$-
CC 配置中的电流增益与 CE 配置中的相同。
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CC 配置中的电压增益始终小于 1。
c和a之间的关系
让我们试着画出 γ 和 α 之间的一些关系$$ \ gamma \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {E}}} {\ Delta {I_ {B}}} $$$$\alpha\:=\:\frac{\Delta{I_{C}}}{\Delta{I_{E}}}$$$$I_{E}\:=\:I_{B}\:+\:I_{C}$$$$\Delta I_{E}\:=\:\Delta I_{B}\:+\:\Delta I_{C}$$$$\Delta I_{B}\:=\:\Delta I_{E}\:-\:\Delta I_{C}$$代入 I B的值，我们得到$$ \ gamma \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {E}}} {\ Delta {I_ {E}} \: - \: \ Delta I_ {C}} $$除以 $\Delta I_{E}$$$ \ gamma \: = \: \ frac {\ frac {\ Delta I_ {E}} {\ Delta I_ {E}}} {\ frac {\ Delta I_ {E}} {\ Delta I_ {E}} \: - \: \ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}}} $$$$\frac{1}{1\:-\:\alpha}$$$$\gamma\:=\:\frac{1}{1\:-\:\alpha}$$集电极电流的表达式
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
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此配置提供电流增益但不提供电压增益。
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在 CC 配置中，输入电阻高，输出电阻低。
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该电路提供的电压增益小于 1。
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集电极电流和基极电流之和等于发射极电流。
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输入和输出信号同相。
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此配置用作非反相放大器输出。
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该电路主要用于阻抗匹配。这意味着，从高阻抗源驱动低阻抗负载。
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