晶体管组态

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任何晶体管都有三个端子：发射极、基极和集电极。利用这三个端子，可以将晶体管以三种不同的可能组态连接到电路中，其中一个端子对输入和输出都共用。

三种组态类型为共基极、共发射极和共集电极组态。在每种组态中，发射极结都是正向偏置的，集电极结都是反向偏置的。

共基极（CB）组态

顾名思义，基极端子被用作晶体管输入和输出的共用端子。NPN和PNP晶体管的共基极连接如图所示。

为了便于理解，让我们考虑CB组态下的NPN晶体管。当施加发射极电压时，由于它是正向偏置的，负极的电子会排斥发射极的电子，电流流过发射极和基极到集电极，从而形成集电极电流。在此过程中，集电极电压V_CB保持恒定。

在CB组态中，输入电流是发射极电流I_E，输出电流是集电极电流I_C。

电流放大系数（α）

当集电极电压V_CB保持恒定时，集电极电流（ΔI_C）变化量与发射极电流（ΔI_E）变化量的比率称为电流放大系数。用α表示。

$\alpha = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_E}$ 在恒定V_CB下

集电极电流表达式

有了上述概念，让我们尝试为集电极电流推导一些表达式。

除了发射极电流之外，由于电子-空穴复合，还有一些基极电流I_B流过基极端子。由于集电极-基极结是反向偏置的，因此由于少数载流子而产生另一电流。这可以理解为I_leakage（漏电流）。这是由于少数载流子引起的，因此非常小。

到达集电极端子的发射极电流为

$$\alpha I_E$$

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，也仍然存在一个小的漏电流，可以称为I_CBO（输出开路时的集电极-基极电流）。

因此，集电极电流可以表示为

$$I_C = \alpha I_E + I_{CBO}$$

$$I_E = I_C + I_B$$

$$I_C = \alpha (I_C + I_B) + I_{CBO}$$

$$I_C (1 - \alpha) = \alpha I_B + I_{CBO}$$

$$I_C = \frac{\alpha}{1 - \alpha}I_B + \frac{I_{CBO}}{1 - \alpha}$$

$$I_C = \left ( \frac{\alpha}{1 - \alpha} \right )I_B + \left ( \frac{1}{1 - \alpha} \right )I_{CBO}$$

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所用晶体管的电流放大系数。

CB组态的特性

• 这种组态提供电压增益，但不提供电流增益。

• 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。

• 发射极电流I_E与集电极电压V_CB无关。

• 集电极电压V_CB仅在低电压下才能影响集电极电流I_C，此时V_EB保持恒定。

• 输入电阻R_i是在恒定集电极基极电压V_CB下，发射极-基极电压（ΔV_EB）变化量与发射极电流（ΔI_E）变化量的比率。

$R_i = \frac{\Delta V_{EB}}{\Delta I_E}$ 在恒定V_CB下

• 由于输入电阻值非常低，因此即使V_EB值很小，也能产生很大的发射极电流I_E。

• 输出电阻R_o是在恒定发射极电流IE下，集电极基极电压（ΔV_CB）变化量与集电极电流（ΔI_C）变化量的比率。

$R_o = \frac{\Delta V_{CB}}{\Delta I_C}$ 在恒定I_E下

• 由于输出电阻值非常高，因此V_CB的大幅变化会导致集电极电流I_C的变化非常小。

• 这种组态对温度升高具有良好的稳定性。

• CB组态用于高频应用。

共发射极（CE）组态

顾名思义，发射极端子被用作晶体管输入和输出的共用端子。NPN和PNP晶体管的共发射极连接如图所示。

与CB组态一样，发射极结是正向偏置的，集电极结是反向偏置的。电子的流动方式相同。这里的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（ΔI_C）变化量与基极电流（ΔI_B）变化量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。

$$\beta = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_B}$$

$$\alpha = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_E}$$

$$I_E = I_B + I_C$$

$$\Delta I_E = \Delta I_B + \Delta I_C$$

$$\Delta I_B = \Delta I_E - \Delta I_C$$

我们可以写成

$$\beta = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_E - \Delta I_C}$$

除以ΔI_E

$$\beta = \frac{\Delta I_C/\Delta I_E}{\frac{\Delta I_E}{\Delta I_E} - \frac{\Delta I_C}{\Delta I_E}}$$

我们有

$$\alpha = \Delta I_C / \Delta I_E$$

因此，

$$\beta = \frac{\alpha}{1 - \alpha}$$

从上式可以看出，当α接近1时，β趋于无穷大。

因此，共发射极连接中的电流增益非常高。这就是该电路连接在所有晶体管应用中广泛使用的原因。

集电极电流表达式

在共发射极组态中，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

$$I_{CEO} = \frac{1}{1 - \alpha}I_{CBO}$$

将此值代入前一个方程，我们得到

$$I_C = \frac{\alpha}{1 - \alpha}I_B + I_{CEO}$$

$$I_C = \beta I_B + I_{CEO}$$

因此，获得了集电极电流的方程。

膝电压

在CE组态中，通过保持基极电流I_B恒定，如果改变V_CE，I_C会增加到接近V_CE的1v，然后保持恒定。V_CE的这个值，在此值之前集电极电流I_C随V_CE变化，称为膝电压。在CE组态下工作时，晶体管的工作电压应高于此膝电压。

CE组态的特性

• 这种组态提供良好的电流增益和电压增益。

• 保持V_CE恒定，当V_BE小幅增加时，基极电流I_B的增加速度比CB组态快。

• 对于膝电压以上的任何V_CE值，I_C近似等于βI_B。

• 输入电阻R_i是在恒定集电极发射极电压V_CE下，基极发射极电压（ΔV_BE）变化量与基极电流（ΔI_B）变化量的比率。

$R_i = \frac{\Delta V_{BE}}{\Delta I_B}$ 在恒定V_CE下

• 由于输入电阻值非常低，因此即使V_BE值很小，也能产生很大的基极电流I_B。

• 输出电阻R_o是在恒定I_B下，集电极发射极电压（ΔV_CE）变化量与集电极电流（ΔI_C）变化量的比率。

$R_o = \frac{\Delta V_{CE}}{\Delta I_C}$ 在恒定I_B下

• CE电路的输出电阻小于CB电路的输出电阻。

• 这种组态通常用于偏置稳定方法和音频频率应用。

共集电极（CC）组态

顾名思义，集电极端子被用作晶体管输入和输出的共用端子。NPN和PNP晶体管的共集电极连接如图所示。

与CB和CE组态一样，发射极结是正向偏置的，集电极结是反向偏置的。电子的流动方式相同。这里的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）

在共集电极（CC）组态中，发射极电流（ΔI_E）变化量与基极电流（ΔI_B）变化量的比率称为电流放大系数。用γ表示。

$$\gamma = \frac{\Delta I_E}{\Delta I_B}$$

• CC组态中的电流增益与CE组态相同。
• CC组态中的电压增益始终小于1。

γ和α之间的关系

让我们尝试在γ和α之间建立一些关系。

$$\gamma = \frac{\Delta I_E}{\Delta I_B}$$

$$\alpha = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_E}$$

$$I_E = I_B + I_C$$

$$\Delta I_E = \Delta I_B + \Delta I_C$$

$$\Delta I_B = \Delta I_E - \Delta I_C$$

代入I_B的值，我们得到

$$\gamma = \frac{\Delta I_E}{\Delta I_E - \Delta I_C}$$

除以ΔI_E

$$\gamma = \frac{\Delta I_E / \Delta I_E}{\frac{\Delta I_E}{\Delta I_E} - \frac{\Delta I_C}{\Delta I_E}}$$

$$= \frac{1}{1 - \alpha}$$

$$\gamma = \frac{1}{1 - \alpha}$$

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。

共集电极配置的特性

• 这种配置提供电流增益，但不提供电压增益。

• 在共集电极配置中，输入阻抗高，输出阻抗低。

• 该电路提供的电压增益小于1。

• 集电极电流和基极电流之和等于发射极电流。

• 输入和输出信号同相。

• 这种配置作为同相放大器输出工作。

• 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。