電子線路中，二極體三極體的原理是什麼？放大器怎麼做么？

聲明：這篇文章是本人原創文章，轉載請署名並附上出處，謝謝！

站在發明者的角度來看三極體的發明和用途

我還是那個觀點，一定要站在發明者的角度來看問題，只有這樣，一切問題才都能迎刃而解。因為模電的內容就是發明---使用---發現問題---改進---再發明—再使用的過程，是我們學習前人發明和使用的東西。

1906年，美國發明家德福雷斯特發明真空三極體（電子三極體--電子管），那個時候科學家對導線中流過的自由電子的控制已經了如指掌了，電子管的發明促使長途通信、電報、雷達、聲吶以及電子計算機的發展，但是，由於電子管體積大、耗能大，人們需要找到一個用新的材料製成的器件代替電子管，經過41年的努力，終於在1947年發明了晶體三極體，我想，如果當時的科學家不知道那是怎麼回事的話，晶體三極體是絕對不可能被發明的。

我們就以二極體和三極體為例，二極體是控制導線中電子的流動方向，而三極體是控制導線中流動電子的多少。這也是「電子技術」的根本。理論搞明白了實驗就簡單了。

下面主要是以三極體為例來說明導線中電流的控制，要想控制一根導線中的電流，首先要把這根導線斷開，斷開的兩端我們分別叫做C端和E端（C和E實際上是輸出迴路），如果我們在C和E之間加個器件，這個器件能使電流從C端流進並能從E端流出來，同時這個電流又能被我們控制住，那麼這個器件就成功了。

為了實現上述要求，接下來我們就在C-E之間放一個NPN（或PNP）結構的半導體，可是，現在的問題是，在這種情況下無論怎樣在C和E之間加電源 （不擊穿情況下），C-E這根導線始終都不會有電流。我們又知道，電子流動的方向與人們定義電流的方向相反（這是因為當時人們以為電線里流過的是電流），所以，我們將中間半導體引出一個電極（B極），在B-E之間（實際上是加在發射結上，見PN結特性）加一個正向電壓，這時發射區就會向基區發射電子從而形成E極流出的電流，但是，要想實現這個電流是從C端入、從E端出，則必須要把發射區發射的這些電子都收集到C極去，這樣我們需要在C和E之間加正向電壓，使集電結處於反向擊穿狀態，使電子能順利收集到C極，這個收集電子的能力要比發射電子的能力強，它就像一個大口袋，你發射區發射多少我就收多少（這樣就能理解三極體輸出特性曲線了，當B極電流一定時，隨著CE電壓的增加，C極電流就不再增加了，因為B極電流一定時，發射區發射的電子數量就一定了，你收集的能力再強也要不到多餘的電子了），這樣，這個器件就成了，可以實現電流從C端到E端（因為當初我假設它們之間是被我斷開的導線兩端），最理想的是流進C端的電流就等於E端流出的電流，同時這個電流又被一個BE電壓（或信號）控制，但是，三極體不是一個理想的器件，因為C端電流不等於E端電流，有一部分電流流過B極，我們盡量使C端電流等於E端電流，所以，這就是為什麼在工藝上要使基區濃度要低而且還要薄，同時集電結的面積還要大的根本原因。

談一談Ic受Ib控制的問題：

通過前面的敘述，我們已經知道發射極電流Ie受發射結電壓控制，由於我們採取了工藝上的措施，使得集電極電流Ic近似等於發射極電流Ie，這樣就可以說集電極電流Ic受發射結電壓控制。我們又從三極體輸入特性曲線可知，當Vbe和Ib的關係處於特性曲線的近似直線的位置時，基極電流Ib與發射結電壓就成線性關係，這樣，可以說集電極電流Ic與基極電流Ib就成比例關係。往往我們會站在不同角度來看問題，我們從電流放大的角度來看時，剛才說過集電極電流Ic比基極電流Ib大很多，同時它們又成比例關係，因此，在進行計算的時候就說成是集電極電流Ic受基極電流Ib控制。這其實是人們站的角度不同而已（從電流放大的角度來看的），其實，集電極電流Ic還是由發射結電壓控制的，等到了高頻小信號模型的時候，就會說集電極電流受發射結電壓控制了。

Uce電壓的作用是收集電子的，它的大小不能決定Ic的大小，從三極體輸出特性曲線可以看到，當Ib一定時（也就是Ube一定時），即使Uce增加，Ic就不變了，但是曲線有些上翹，其實這是半導體材料的問題。實際上，Ie是受從輸入端看進去的發射結電壓控制的（可以參見三極體高頻小信號模型），加Uce電壓的時候發射結已經處於導通了，它的影響不在發射結而在集電結，加Uce電壓是為了讓Ic基本等於Ie，所以說Ic受發射結電壓控制，人們為了計算方便把這種控制折算成受Ib控制，就是因為說成這樣，使得人們不太容易理解三極體工作的原理。

從輸出迴路受輸入迴路信號控制的角度來看，Ic不是由Ie控制的，但是，Ic其實是由Ie帶來的，所以，也可以說Ic受Ie影響的，這也得受三極體製造工藝影響，如果拿兩個背靠背二極體的話，怎麼也不行。

儘管三極體不是一個理想器件，但是，它的發明已經是具有劃時代意義了。由於它的B極還有少量電流，因為這個電流的存在意味著輸入迴路有耗能，如果我不耗能就能控制住你輸出迴路的電流，那這個便宜就大了，所以，後來人們發明了場效應管。其實，發明場效應管的思想也是與三極體一樣的，就是為了用一個電壓來控制導線中的電流，只是這回輸入迴路幾乎不耗能了，同時，器件兩端的電流相等了。

從使用者的角度（非設計者）來看看三極體的應用：

三極體的兩個基本應用分別是「可控開關」和「信號的線性放大」。

可控開關：C和E之間相當於一個可控開關（當然。這個開關有一定的參數要求），當B-E之間沒有加電壓時，C-E之間截止（C-E之間斷開）；而當B-E之間電壓加的很大，發射區發射的電子數量就多，C極和E極的電流就很大，如果輸出迴路中有負載時（注意，輸出迴路沒有負載CE之間就不會飽和），由於輸出迴路的電源電壓絕大部分都加到負載上了，CE之間的電壓就會很小，CE之間就處於飽和狀態，CE之間相當於短路。在飽和情況下，儘管C極電流比基極電流大，但是，C極電流與輸入迴路的電流（基極電流）不成β的比例關係。

以最簡單的電路為例，我們家裡都有手電筒，手電筒有三個要素（具有普遍意義）：電源、燈泡（負載）和開關，這裡的開關需要直接手動進行合上與斷開，用三極體代替這個開關我們就能實現用信號來控制，計算機在遠端就能控制這個迴路。控制高壓、大電流的還請大家看看IGBT等功率晶元及模塊，那是真震撼。

從另一方面看飽和：從輸出特性曲線可以看到，IB一定時VCE電壓不用很大，那個輸出特性曲線就彎曲變平了，這說明收集電子的電壓VCE不用很大就行，其實不到1V就行，但是，實際上我們在輸出迴路都是加一個電壓很大的電源，你再加大VCE也沒有用，我們看到，IB一定時VCE增加後對IC的大小沒有影響（理想情況），所以要想把發射的電子收集過去，VCE根本不用很大電壓。

但是，通常情況下，我們會在輸出迴路加入一個負載，當負載兩端電壓小於電源電壓時，電源電壓的其它部分就加在CE兩端，此時三極體處於線性放大狀態。但是，負載兩端電壓的理論值大於電源電壓時，則三極體就處於飽和狀態，這種情況IC不用很大也行。

所以不要以為VCE一定很大三極體集電極才能收集到電子，可以看到收集電子的電壓很小就行。對於飽和的問題來說，除了上一段文字中說到的電流很大引起飽和外，我們還可以從電壓的角度來看，假設三極體，電源電壓為12V，基極電流為40微安，則集電極電流就是2毫安，如果集電極接一個3K電阻，則VCE=6V，而這個電阻換成30K時，VCE趨於零了，這種情況下三極體也是飽和了，所以從電壓角度來看，集電極電流不一定很大，在選擇合適負載電阻的情況下，三極體也可以處於飽和狀態，所以，飽和與負載有關，如果電源電壓很大，那飽和時VCE就這麼一點點電壓而言那當然是微不足道的，所以，很多地方就將它約等於零了，但是並不能說它沒有電子收集能力。

信號的線性放大：這種情況下，C極電流與B極電流成線性比例關係IC=βIB（BE之間電壓要大於死區電壓，同時，VCE不趨於零），而且，C極電流比B極電流大很多，前面已經知道，C極電流的大小受BE電壓控制（人們為了分析問題方便，將這種控制關係說成是C極電流受B極電流控制，因為B極電流與Ube成比例）。實際上，馬路上到處跑的汽車就是一個放大器，它是把駕駛員操作信號給放大了，它也是線性放大，是能量的放大，而多餘的能量來自於燃燒的汽油。

模電這門課從三極體小信號模型開始的絕大多數內容都是講小信號放大問題，共射極、共集電極、共基極的4個電路是基本，其它的是由他們組合而成的，它們的電路組成、電路交直流分析、電路性能分析是關鍵。

其它的就是功率放大的問題、模擬集成運算放大器內部結構設計問題、運放的應用、如何減少非線性失真和放大穩定問題（負反饋）、正弦波產生（正反饋）等等。

模電從細節和總體上把握。

模電的學習：

從使用者的角度來看，其實，模電這門課並不難，學生往往被書中提到的所謂少子、多子、飄移、擴散等次要問題所迷惑，沒有抓住主要問題，有些問題是半導體材料本身存在缺陷導致的，人們為了克服這些缺陷而想出了各種解決辦法，所以，模電中有許多是人們想出的技巧和主意。從三極體三個電極連接的都是金屬的角度來看，金屬中只有自由電子的定向流動才有電流，金屬中哪有什麼空穴之類的東西，如果把人們的視線停留在三極體的內部，那一定使人們不容易理解，如果你跳出來看問題，你就會理解科學家當時為什麼要發明它，也會使你豁然開朗。但是，從設計者角度來看，需要考慮的問題就很多了，否則，你設計出來的器件性能就沒有人家設計的好，當然也就沒有市場了。如果誰能找到一種材料，而這種材料的性能比半導體特性還好，那麼他一定會被全世界所敬仰。所以，學習模電的時候，一定要用工程思維來考慮問題，比如，為什麼要發明它？它有什麼用途？它可以解決什麼問題？它有哪些不足？人們是如何改進的？等等。

再談可控開關：

三極體要工作在飽和或截止狀態，此時C和E之間相當於可控開關，B極加輸入信號，為了防止三極體損壞，B極要接限流電阻，餘下的問題就是，所控制的負載應接在C極還是E極？它的功率有多大？驅動電壓多大？電流多大？你選的三極體能否勝任？不勝任怎麼辦？改用什麼器件？低壓和高壓如何隔離？等等。

再談信號的線性放大：

這種情況下，C極電流是B極電流的β倍，以三極體放大電路為例：

（1）直流工作點問題，為什麼要有直流工作點？什麼原因引起工作點不穩定？採取什麼措施穩定直流工作點？

為什麼要有直流工作點？是因為PN結只有外加0.5V以上電壓時才有電流通過（硅材料），而我們要放大的微弱的交變信號幅度很小，將這個信號直接加到三極體的基極和射極之間，基極是沒有電流的，當然，集電極也不可能有電流。所以，我們在基極加上直流後， 以NPN管子為例，共射、共基、共集電極三個電路的直流都是一個方向。無論三極體電路的哪種接法，它們的直流電流方向都是一樣的，輸入（發射結）加入微弱交流小信號後，只能使這些輸出迴路電流發生擾動，總體上不能改變這些電流的方向，但是，這個輸出迴路電流中有被輸入交流信號影響的擾動信號，我們要的就是這個擾動的信號（輸出交流信號），這個擾動的信號比輸入信號大，這就是放大，也可以說，放大其實是輸出迴路電流受輸入信號的控制。

如果直流工作點設置合理時，那個擾動信號就與輸入交流小信號成比例關係，而且又比輸入信號大，我們要的就是這個效果。

（2）交流信號放大問題，共射極、共集電極、共基極電路的作用、優點和缺點是什麼？如何克服電路的非線性？為什麼共射--共基電路能擴展頻帶？為什麼共集電極放大電路要放在多級放大電路的最後一級？多級放大電路的輸入級有什麼要求？人們在集成電路中設計電流源的目的是什麼？它的作用是什麼？如何克服直接耦合帶來的零點漂移？為什麼要設計成深負反饋？其優點和問題是什麼？深負反饋自激的原因是什麼？什麼是電路的結構性相移？什麼是電路的附加相移？什麼情況下電路輸出信號與輸入信號之間出現附加相移？等等。

（3）集成運算放大器，為了克服半導體器件的非線性問題（不同幅度信號的放大倍數不一樣），人們有意製成了高增益的集成運算放大器，外接兩個電阻就構成了同相或反向比例放大電路，這時整個電路的電壓放大倍數就近似與半導體特性無關了（深負反饋條件下），放大倍數只與外接的兩個電阻有關，而電阻材料的溫度特性比半導體材料好，同時線性特性也改善了。在計算的時候注意運用「虛短」和「虛斷」就行了，模電學到這裡那就太簡單了，所以，如果不考慮成本時誰還會用三極體分立元件組成的放大電路，還得調直流工作點。集成運算放大器的其它應用還很多，如有源濾波器、信號產生電路等。

負反饋自激振蕩與正弦波產生電路的區別

負反饋自激振蕩是由於某個未知頻率信號在反饋環路中產生了額外的180度的附加相移，負反饋電路對這個頻率信號來講就變成了正反饋，同時，對這個頻率信號的環路增益又大於1，這種情況下，負反饋電路就自激了（對其它頻率信號，此電路還是負反饋）。而正弦波振蕩電路是人們有意引入的正反饋，可以說對無數個頻率信號都是正反饋，既然這樣，環路中就不用有附加相移了，但是，這樣的信號太多了，所以，人們需要在反饋環路中設計一個選頻電路來選擇某一個頻率信號，當然，對被選取的信號來講，這個選頻電路就不需要有額外相移了。

以上大致總結了以上一些問題，僅供參考。