三极管基极放大电路工作原理(放大器工作原理之共基极放大电路)

我们知道两个P型和N型半导体结合后形成二极管,二极管上有个PN结(即P型和N型半导体接触的交界面),在PN结处会形成稳定的空间电荷区,也称为耗尽层。如果外加电场后,这个二极管半导体就可以工作了。

三极管基极放大电路工作原理(放大器工作原理之共基极放大电路)(1)

同理当我们把三个P或N型半导体结合在一起的时候,形成了三极管,如果有外加电场是否也可以工作了呢?那又如何加电场呢?

如图十五,此处举例NPN型,PNP型也是类似的结构(不管是PNP还是NPN,中间极是比较小的,这个是为了电荷更好地做扩散运动运动,如果中间极也是相同的大小,那么需要外加电场的能量就会大许多,同时材料消耗也相应增加,从实际应用角度来考虑,这种设计比较优化)

三极管基极放大电路工作原理(放大器工作原理之共基极放大电路)(2)

三极管基极放大电路工作原理(放大器工作原理之共基极放大电路)(3)

从上一章节,我们知道,二极管之间是有PN结耗尽层的,在无外力作用下,二极管性能很稳定。当我们加入电场后,自由电子突破耗尽层开始扩散运动。我们将“耗尽层”比喻为阀门,我们将阀门打开,水就通过阀门,产生流动即水流,二极管也是如此。

那么我们看一下三极管的“水流”方向,我们先以正负电压对应正负极的方式加电压

三极管基极放大电路工作原理(放大器工作原理之共基极放大电路)(4)

如图十六(c),V1和V2就相当于阀门,我们将阀门打开,“水流”的方向(电荷移动方向)如图中箭头(橘色,蓝色)所示,除了AB段间会有水流增大的,其他部分都没有增大的趋势。

即外加电场后,电荷移动方向如图所示(电流方向相反),如果N型半导体(N_1和N_2)掺杂浓度相同(且V1=V2),那么,两个环路的自由运动的电荷基本上是相差无几的,这样电路就没有太多放大效果了。

如果靠提升V2或V1来实现让大量的自由运动的电荷在其中一个环路里面运动,实现放大效果,也是可以的,但是有个问题,基于目前的能量守恒定律,加上损耗,放大效率很低,得不偿失,就好像你花了1万块购买了一个三无劣质产品一样。

在后继验证中,即使改变了掺杂浓度和电压大小,这种接法也不是最佳的。

三极管基极放大电路工作原理(放大器工作原理之共基极放大电路)(5)

现在我们将电场方向做一下变更(如图十七(a)),看一下效果

三极管基极放大电路工作原理(放大器工作原理之共基极放大电路)(6)

在外加电场的作用下,耗尽层阀门(N_1和P的阀门及N_2和P的阀门)打开,电荷移动方向如下图,N_1中的电荷是向P半导体和N_2半导体方向运动。因P区空穴较少,而N_1的自由移动电荷很多,当外加V1和V2电压的时候,N_1的一小部分自由移动电荷向P区空穴移动填补,还有大量的自由移动电荷受到V2电场的影响,同时向N_2区移动。因为此时V2电压较大,库仑力影响也较大,其自由移动的电荷扩散运动较快,短时间产生大量空穴( 相较P区的空穴)。

比方说:在V1环路中,P型半导体有6个空穴,当N_1半导体中过来6个自由电子后,先填充这个空穴,与此同时V2环路,因V2电压大,电场作用力也大,相应的自由移动的电荷扩散运动速度也快,那么同时就会产生大量的空穴,V1环路的大量至少是6的100倍以上(这个根据N_1的掺杂浓度来定)的自由移动电荷(暂定为60个),在P型半导体的空穴被占了后,就快速的向N_2半导体的空穴位置做扩散运动,并参与了V2环路电荷运动,在V2环路上形成的电流,最终和N_1-P产生的电流合并,如图十七(b)。

三极管基极放大电路工作原理(放大器工作原理之共基极放大电路)(7)

浅蓝色的线(实线和虚线)是电子从N_1流向P半导体,然后回流的路线,电流为I_P

橙色的线是(细线和带箭头的线)电子从N_1流向N_2半导体,然后回流的路线,电流为I_V2。

红色的线(虚线和带箭头的粗线)是上面两种电子的综合流向,电流为I_V1

那么对应的电流应该是I_V1=I_V2 I_P

根据电荷和电流的关系式I=Q/T,I_V1=606/t, I_V2=600/t, I_P=6/t

I_V1≈I_V2,如果,信号源从V1进入,从V2输出如图十八,这种电路是近乎是没有电流放大作用的。

三极管基极放大电路工作原理(放大器工作原理之共基极放大电路)(8)

但是它有电压放大作用。原因如下:

①N_1半导体,掺杂了很多的自由电子,电荷运动相对容易,电阻就相对小了很多(设为R1)。

②N_2半导体,掺杂了较少的自由电子,电荷运动相对较难,电阻就相对大了很多(设为R2)。

③通常R1<<R2

输入总电压V_IN=R1*I_V1,输出总电压V_out=R2*I_V2。

因为I_V1≈I_V2,R1<<R2,所以V_OUT>>V_IN

这个电路是有电压放大效果的,这种接法的电路,我们叫共基级放大电路。

通过上面分析,我们对这种接法的放大电路总结一下:

①输入电阻小

②输出电阻大

③没有电流放大效果

④有电压放大效果

电路图如图十九

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此种接法又叫“共基极放大电路”,来源于三个引脚的定义

三极管基极放大电路工作原理(放大器工作原理之共基极放大电路)(10)

发射极:大量电荷从这里扩散到其他地方,电荷发出的地方

基 极:需要它导通,整个电路才能通电,属于基本盘

集电极:从发射极发出的电荷聚集在一起

我们知道二极管的导通压降很小,在实际应用中,为了达到我们所需的电流/电压特性

会在输入回路上会加一个电阻R_e进行分压。在输出回路根据实际需求添加电阻R_c做分流作用。

三极管基极放大电路工作原理(放大器工作原理之共基极放大电路)(11)

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