三極管的電流放大作用解析

三極管最重要的功能——電流的放大作用(三極管放大區(qū)的運用)。

圖 1 三極管的放大區(qū)

三極管的電流放大作用是指：基極電流Ibe與集電極電流Ic之間的關(guān)系，即滿足Ic=β*Ibe;β系數(shù)是大于1的一個數(shù)，這個數(shù)不同型號的三極管是不一樣的，通常介于幾十到幾百之間。

2 實驗準備

演示的電路圖如圖所示，電路圖還是上次的那幅圖，只不過的唯一區(qū)別就是添加了兩個電流表U3和U4。U3的目的是測試三極管的基極電流，U4的目的是測試三極管集電極的電流。

圖 2三極管放大區(qū)作用演示電路

為了方便演示三極管的特性，我們這里把三極管的放大倍數(shù)β設(shè)置為100，也就是電流能放大100倍。

圖 3三極管的放大倍數(shù)β設(shè)置

3 實驗過程

仿真過程：讓連著基極的電壓源V1從0V開始輸出，直到0.7V停止輸出，在這個過程中記錄基極電流Ibe和集電極電流Ic，根據(jù)讀取的Ibe和Ic數(shù)值算出在三極管截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)不同區(qū)域的電流放大倍數(shù)β，計算三極管的放大倍數(shù)的方式為β=Ic/Ibe;

4 實驗結(jié)果

按照上面描述的操作方式進行實驗，仿真結(jié)果如圖所示，縱坐標是電流(單位是安培(A))橫坐標是基極電壓(單位是伏特(V))，綠色線是基極電壓從0V到0.7V的集電極電流Ic的輸出，紅色線是基極電壓從0V到0.7V的基極電流Ibe的輸出，截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)已在圖中大概的標識出。

圖 4 仿真的基極電流和集電極電流數(shù)據(jù)

從仿真的結(jié)果初步可以看出：

截止區(qū)時，Ibe與Ic之間的差距不大，幾乎是重合曲線;

放大區(qū)時，Ibe與Ic之間的差距隨著基極電壓的變大而變大;

飽和區(qū)時，Ibe與Ic之間的差距隨著基極電壓的變大而變小;

5 仿真結(jié)果分析

5.1 截止區(qū)放大倍數(shù)分析

從上面的仿真結(jié)果隨便抓取截止區(qū)中的一組數(shù)據(jù)，如圖所示：

圖 5 截止區(qū)基極電流和集電極電流

我們只需看y1對應(yīng)的基極電流Ibe和集電極電流Ic即可，如圖5中紅色圈對應(yīng)的數(shù)據(jù)，截止區(qū)的基極電流Ibe為29.8023nA，而集電極電流Ic為1.9073uA，此時的放大倍數(shù)β大概為63(根據(jù)β=Ic/Ibe計算)，也就是說電流放大倍數(shù)為63，然而這個截止區(qū)放大倍數(shù)只是仿真結(jié)果，仿真不代表實際存在，現(xiàn)實中這個電流放大倍數(shù)無效的，因為三極管此時的放大能力不能把電流噪聲區(qū)別開，故認為截止區(qū)放大倍數(shù)為0。

從截止區(qū)的仿真數(shù)據(jù)我們可以總結(jié)如下：截止區(qū)沒有放大作用。

5.2 放大區(qū)放大倍數(shù)分析

從上面的仿真結(jié)果中隨便抓取剛進入放大區(qū)的一組數(shù)據(jù)，如圖所示：

圖 6 剛進放大區(qū)的基極電流和集電極電流

如圖6中紅色圈對應(yīng)的數(shù)據(jù)，截止區(qū)的基極電流Ibe為1.0133uA，而集電極電流Ic為86.3810uA，此時的大概為85，也就是說電流放大倍數(shù)為85。

從上面的仿真結(jié)果中隨便抓取剛進入放大區(qū)靠右區(qū)域的一組數(shù)據(jù)，如圖所示：

圖 7 剛進放大區(qū)靠右區(qū)域的基極電流和集電極電流

如圖7中紅色圈對應(yīng)的數(shù)據(jù)，截止區(qū)的基極電流Ibe為6.0170uA，而集電極電流Ic為556.1994uA，此時的大概為92，也就是說電流放大倍數(shù)為92，比剛進放大區(qū)的放大倍數(shù)變大了。

緊接著在從上面的仿真結(jié)果中隨便抓取放大區(qū)中間偏下區(qū)域的一組數(shù)據(jù)，如圖所示：

圖 8 中間偏下放大區(qū)的基極電流和集電極電流

如圖8中紅色圈對應(yīng)的數(shù)據(jù)，截止區(qū)的基極電流Ibe為36.0530uA，而集電極電流Ic為3.2909mA，此時的大概為91，也就是說電流放大倍數(shù)為91，比剛進放大區(qū)靠右區(qū)域的放大倍數(shù)變小了。

緊接著在從上面的仿真結(jié)果中隨便抓取放大區(qū)中間區(qū)域的一組數(shù)據(jù)，如圖所示：

圖 9 中間放大區(qū)的基極電流和集電極電流

如圖9中紅色圈對應(yīng)的數(shù)據(jù)，截止區(qū)的基極電流Ibe為51.3486uA，而集電極電流Ic為4.6551mA，此時的大概為90，也就是說電流放大倍數(shù)為90，比進中間偏下放大區(qū)的放大倍數(shù)變小了。

在從上面的仿真結(jié)果中隨便抓取進入深度放大區(qū)的一組數(shù)據(jù)，如圖所示：

圖 10 深度放大區(qū)的基極電流和集電極電流

如圖10中紅色圈對應(yīng)的數(shù)據(jù)，截止區(qū)的基極電流Ibe為127.8475uA，而集電極電流Ic為10.9909mA，此時的大概為85，也就是說電流放大倍數(shù)為85，此時的放大倍數(shù)比之前在放大區(qū)中間區(qū)域的放大倍數(shù)減小。

三極管由“截止區(qū)進入放大區(qū)，在由放大區(qū)進入飽和區(qū)”的這個過程中，從放大區(qū)的仿真數(shù)據(jù)我們可以總結(jié)如下：

①處于放大區(qū)的三極管的放大倍數(shù)先增加后減小;

②處于放大區(qū)域的中間區(qū)域附近的放大倍數(shù)最大且最接近三極管規(guī)定的標稱放大倍數(shù)(說具體點就是：放大區(qū)仿真的放大倍數(shù)接近我們實驗開始設(shè)定的三極管放大倍數(shù)100);

③三極管剛從截止區(qū)進入放大區(qū)，或者三極管進入深度放大區(qū)時，兩種情況的放大倍數(shù)都是很小的;

5.3 飽和區(qū)放大倍數(shù)分析

從上面的仿真結(jié)果中隨便抓取剛進飽和區(qū)附近的一組數(shù)據(jù)，如圖所示：

圖 11 剛進飽和區(qū)附近的基極電流和集電極電流

如圖11中紅色圈對應(yīng)的數(shù)據(jù)，截止區(qū)的基極電流Ibe為247.5798uA，而集電極電流Ic為11.9142mA，此時的大概為48，也就是說電流放大倍數(shù)為48，此時的放大倍數(shù)比之前在深度放大區(qū)區(qū)域的放大倍數(shù)減小了很多。

從上面的仿真結(jié)果中隨便抓取進入深度飽和區(qū)的一組數(shù)據(jù)，如圖所示：

圖 12 深度飽和區(qū)的基極電流和集電極電流

如圖12中紅色圈對應(yīng)的數(shù)據(jù)，截止區(qū)的基極電流Ibe為784.1842uA，而集電極電流Ic為11.9645mA，此時的大概為15，也就是說電流放大倍數(shù)為15，此時的放大倍數(shù)比之前在剛進入飽和區(qū)的放大倍數(shù)還要小很多，此時基極電流變化將不會導(dǎo)致集電極電流較大的變化，因為就失去了放大的作用，故我們可以認為飽和區(qū)沒有放大倍數(shù)，即飽和區(qū)的放大倍數(shù)為0。

從截止區(qū)的仿真數(shù)據(jù)我們可以總結(jié)如下：飽和區(qū)沒有放大作用。

6 總結(jié)

①三極管的電流放大作用只在三極管的放大區(qū)有效，截至區(qū)和飽和區(qū)都沒有電流放大能力;

②“截止區(qū)進入放大區(qū)，在由放大區(qū)進入飽和區(qū)”這個過程中，放大區(qū)的放大倍數(shù)先增加后減小;

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