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基础电子学 - 晶体管组态
晶体管具有三个端子：发射极、基极和集电极。利用这三个端子，可以将晶体管连接到电路中，其中一个端子同时作为输入和输出的公共端，共有三种不同的连接方式。
这三种组态分别是**共基极、共发射极**和**共集电极**组态。在每种组态中，发射极结正向偏置，集电极结反向偏置。
共基极(CB)组态
顾名思义，基极端子作为晶体管输入和输出的公共端子。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组态中的NPN晶体管。当施加发射极电压时，由于其正向偏置，负极的电子会排斥发射极电子，电流流过发射极和基极到集电极，形成集电极电流。在此过程中，集电极电压VCB保持恒定。
在CB组态中，输入电流是发射极电流IE，输出电流是集电极电流IC。
电流放大系数(α)
当集电极电压VCB保持恒定时，集电极电流变化量($\Delta I_{C}$)与发射极电流变化量($\Delta I_{E}$)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
根据上述思路，让我们尝试推导出集电极电流的表达式。除了流动的发射极电流外，由于电子空穴复合，还有一定量的基极电流IB流过基极端子。由于集电极-基极结反向偏置，还存在由于少数载流子引起的电流。这可以理解为**Ileakage**（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
$$\mathbf{\mathit{\alpha I_{E}}}$$
总集电极电流
$$I_{C}\:=\:\alpha I_{E}\:+\:I_{leakage}$$
如果发射极-基极电压VEB = 0，即使这样，仍然会流过一个小的漏电流，这可以称为ICBO（集电极-基极电流，输出开路）。
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，上述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。
保持VCB恒定，随着发射极-基极电压VEB的小幅增加，发射极电流IE也会增加。
发射极电流IE与集电极电压VCB无关。
集电极电压VCB仅在低电压下才能影响集电极电流IC，前提是VEB保持恒定。
输入电阻ri是发射极-基极电压变化量($\Delta{V_{EB}}$)与发射极电流变化量($\Delta{I_{E}}$)之比，在恒定的集电极-基极电压VCB下。
$$\eta\:=\:\frac{\Delta{V_{EB}}}{\Delta{I_{E}}}\:\:at\:constant\:V_{CB}$$
由于输入电阻值很低，因此即使是较小的VEB值也能产生较大的发射极电流IE。
输出电阻ro是集电极-基极电压变化量($\Delta{V_{CB}}$)与集电极电流变化量($\Delta{I_{C}}$)之比，在恒定的发射极电流IE下。
$$r_{o}\:=\:\frac{\Delta{V_{CB}}}{\Delta{I_{C}}}\: at\: constant\:l_{E}$$
由于输出电阻值很高，因此VCB的大幅变化只会导致集电极电流IC发生很小的变化。
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**端子作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图所示。
与CB组态一样，发射极结正向偏置，集电极结反向偏置。电子的流动方式相同。这里的输入电流是基极电流IB，输出电流是集电极电流IC。
基极电流放大系数(β)
集电极电流变化量($\Delta{I_{C}}$)与基极电流变化量($\Delta{I_{B}}$)之比称为**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$$\Delta I_E$$
$$\beta\:=\:\frac{\frac{\Delta I_{C}}{\Delta I_{E}}}{\frac{\Delta I_{E}}{\Delta I_{E}}\:-\:\frac{\Delta I_{C}}{\Delta I_{E}}}$$
$$\alpha\:=\:\frac{\Delta I_{C}}{\Delta I_{E}}$$
我们有
$$\alpha\:=\:\frac{\Delta I_{C}}{\Delta I_{E}}$$
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**。这就是这种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，IB是输入电流，IC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IB = 0，
基极开路时的集电极发射极电流为ICEO
$$I_{CEO}\:=\:\frac{1}{1-\alpha}\:I_{CBO}$$
将此值代入上式，得到
$$I_{C}\:=\:\frac{\alpha}{1-\alpha}I_{B}\:+\:I_{CEO}$$
$$I_{C}\:=\:\beta I_{B}\:+\:I_{CEO}$$
因此，得到了集电极电流的表达式。
膝盖电压
在CE组态中，保持基极电流IB恒定，如果改变VCE，IC会几乎增加到VCE的1V，然后保持恒定。VCE的值，在此值下集电极电流IC随VCE变化，称为**膝盖电压**。在CE组态下工作时，晶体管的工作电压高于此膝盖电压。
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VCE恒定，随着VBE的小幅增加，基极电流IB比CB组态增加得快。
对于高于膝盖电压的任何VCE值，IC近似等于βIB。
输入电阻ri是基极-发射极电压变化量($\Delta{V_{BE}}$)与基极电流变化量($\Delta{I_{B}}$)之比，在恒定的集电极-发射极电压VCE下。
$$r_{i}\:=\:\frac{\Delta{V_{BE}}}{\Delta{I_{B}}}\:at\:constant\:V_{CE}$$
由于输入电阻值很低，因此即使是较小的VBE值也能产生较大的基极电流IB。
输出电阻ro是集电极-发射极电压变化量($\Delta{V_{CE}}$)与集电极电流变化量($\Delta{I_{C}}$)之比，在恒定的IB下。
$$r_{o}\:=\:\frac{\Delta{V_{CE}}}{\Delta{I_{C}}}\:at\:constant\:I_{B}$$
CE电路的输出电阻小于CB电路。
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**端子作为晶体管输入和输出的公共端子。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，发射极结正向偏置，集电极结反向偏置。电子的流动方式相同。这里的输入电流是基极电流IB，输出电流是发射极电流IE。
电流放大系数(γ)
在共集电极(CC)组态中，发射极电流变化量($\Delta{I_{E}}$)与基极电流变化量($\Delta{I_{B}}$)之比称为**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
让我们尝试推导γ和α之间的关系
$$\gamma\:=\:\frac{\Delta{I_{E}}}{\Delta{I_{B}}}$$
$$\alpha\:=\:\frac{\Delta{I_{C}}}{\Delta{I_{E}}}$$
$$I_{E}\:=\:I_{B}\:+\:I_{C}$$
$$\Delta I_{E}\:=\:\Delta I_{B}\:+\:\Delta I_{C}$$
$$\Delta I_{B}\:=\:\Delta I_{E}\:-\:\Delta I_{C}$$
代入IB的值，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。
共集电极电路特性
这种电路提供电流放大，但不提供电压放大。
在共集电极电路中，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。
该电路工作于非反相放大器输出。
该电路主要用于阻抗匹配，即从高阻抗源驱动低阻抗负载。