从二极管到集成电路

——晶体管的三种连接方式

晶体管有基极（b）、发射极（e）、集电极（c）三个电极，晶体管的三个电极与输入、输出端子的连接方式，可以归纳为三种。一种是以基极和发射极作为信号（V\(_{S}\)）输入端，基极和集电极作为信号（Vo）输出端，基极是输入、输出端共用的公共端点，称共基极电路（图1a）。一种是以发射极和基极作为信号输入端，以发射极和集电极作为信号输出端，发射极是输入、输出端共用的公共端点，称共发射极电路（图1b）。还有一种，见图1c，是以集电极作为输入、输出的公共端点，称共集电极电路。在这里把集电极电源EC看作是内阻为零的理想电源，相当于集电极直通接地，输入信号V\(_{S}\)加到管子基极—集电极间（基极电源Eb内阻亦看作是零），输出电压V\(_{0}\)就在发射极电阻Re两端取得，也就是在管子发射极——集电极间取得。

图1中不仅画出了NPN、PNP两类管型的晶体管的三种连接方式，而且还画出了与晶体管共基极、共发射极、共集电极三种电路相对应的电子管共栅极、共阴极、共板极等三种放大电路，两者电路结构很为相似，只是要注意供电的方式。晶体管要能起放大作用，必须给发射结加上正向电压（P区接电源E\(_{b}\)的正极，N区接Eb的负极），给集电结加上反向电压（集电结c—b间加的电压是E\(_{C}\)—Eb，E\(_{C}\)大于Eb，所以集电结加的是反向电压）。而电子管放大器总是要求栅极相对于阴极处于负偏压状态，板极则要求较高的正电压。

这三种连接方式各有什么特点？下面从几个主要方面进行介绍。

当在共基极电路的输入端加上一个交变信号V\(_{S}\)时（图la），加到eb结的电压随VS幅度而变，从而使管内电子流发生变化，引起I\(_{e}\)、Ib、I\(_{c}\)均发生变化ΔIe、ΔI\(_{b}\)、ΔIc。在共基极电路中，输入电流是I\(_{e}\)，输出电流是IC，当输入电流的变化量为ΔI\(_{e}\)时，输出电流的变化量为ΔIC，所以共基电路电流放大系数α=\(\frac{ΔI}{_{c}}\)ΔIe，由于ΔI\(_{c}\)小于ΔIe（ΔI\(_{C}\)＋ΔIb＝ΔI\(_{e}\)），所以α总是略小于1，也就是表明共基极电路没有电流放大作用。但由于在集电极接入的负载Rc总是大于信号源内阻R\(_{S}\)的，因而输出功率Po还是大于输入功率P\(_{i}\)，所以共基极电路仍有功率增益Gp

显然G\(_{P}\)＞1。

在图1b共射电路中，当输入端加上交流信号V\(_{S}\)后，使基极电流变化ΔIb，从而引起集电极电流变化ΔI\(_{C}\)，两者之比ΔICΔI\(_{b}\)=β，叫做共射极电流放大系数。由于ΔIb很小，而ΔI\(_{c}\)却很大，因而β值总是比较大的。

共集电极电路的输入电流为I\(_{b}\)，输出电流是Ie，所以电流放大倍数=\(\frac{ΔI}{_{e}}\)ΔIb=1+β，也是很大的。

α和β都是晶体管的主要参数之一，它们都反映了晶体管e、b、c三个极的电流变化关系，它们之间的关系为：

例如，若一晶体管α=0.98，用上述关系式可换算得其β=0.981-0.98=49；又若一晶体管β=80，则其α=80;1+80=0.988

由于制造工艺和原材料产生的离散性，使晶体管的α或β值很难保证一致，即使同一型号的管子亦有较大差别。一般α值在0.95～0.995间，β值在20～200之间。为此，制造厂一般用红、黄、绿、兰、白等五种色标，打印在管壳上，依此将管子β值由低到高进行分类，其对应数值参见表1。

α和β值均可用晶体管特性图示仪（如JT－1型）或一些专用测量仪表测量。由于晶体管也同电子管一样，是个非线性器件，因而β值的测量与管子工作电流有很大关系。无论是硅管或锗管，其β值与集电极电流I\(_{c}\)的变化趋势可用图2曲线表示。所以晶体管手册中给出管子β值时，总要说明测试条件。例如一般100～300毫瓦的小功率管常注明是在Vce= 6V或10V、I\(_{c}\)=5mA或10mA条件下测定β值。所以手册中给出的β值与管子实际工作情况往往有些出入。还必须注意的是，β值测量一般总是在较低频率下进行的，因此不能完全说明管子在高频时的工作情况。

一般来说，随着工作频率升高，晶体管的放大能力是要降低的，这是由于从发射区注入基区的载流子（对NPN型管是电子、PNP管则为空穴），在基区中运动需要一段时间才能进入集电区，这个时间叫做渡越时间。当输入信号频率足够高时，尤其是当信号周期可与渡越时间相比时，就会使载流子尚在渡越之中时，输入信号的方向已发生变化，造成集电极电流跟不上输入信号电压的变化，致使α值或β值急剧下降。

图3所示为α或β与频率f的关系曲线，图中β\(_{0}\)或α0是低频时（例如在1KHz时）测得的管子电流放大系数，当β值下降到0.707β\(_{0}\)时，对应这一点的频率叫共发射极电路的截止频率fβ，同样，当α值下降到0.707α\(_{0}\)时，对应这一点的频率fα称为共基极电路的截止频率f\(_{α}\)。换句话说，当管子工作在频率fβ或f\(_{α}\)。时，其电流放大系数只有低频时β0或α\(_{0}\)的0.707倍了（按分贝计算正好是3dB）。当频率超过fβ时，β值下降速率更快，频率每增加一倍，β值将下降一半（即按6dB／倍频程的速率下降）。

f\(_{α}\)与fβ间可用近似关系式简单换算：

例如，若有一个α\(_{0}\)=0.98、 fα=50MHz的晶体管，接成共发射极电路时，f\(_{β}\)就可按上式算得:

由此可见，同一个晶体管接成共射极电路，其工作频率不高，而接成共基极电路的工作频率就较高。换句话说，共基电路的高频特性比共射电路要好得多。

在查阅晶体管手册时，常见到的是另一个表示管子频率特性的参数f\(_{T}\)，它叫晶体管的特征频率。由图3可见，fT是当β值降到等于1时的频率，它说明当工作频率超过f\(_{T}\)时，共发射极电路将丧失电流放大能力。为什么手册中常是给出fT这个参数，主要是因为f\(_{T}\)比较容易测量。因为从fβ到f\(_{T}\)这段频率范围内，fβ每增加一倍，β则近似地降至原来值的一半，因此在这范围内任选一频率f，测得频率为f时的β值为β\(_{f}\)，就可用关系式fT=f·β\(_{f}\)换算得fT。这就说明，f\(_{T}\)可在较低的频率下测定，因此就降低了对测试设备的要求。例如：若晶体管fT在100MHz以下，一般可在30MHz点测定。知道了f\(_{T}\)也就可以知道fβ，f\(_{β}\)≈fTβ。例如高频小功率晶体管3DG4A的f\(_{T}\)≥200MHz，如果管子的β=100，则fβ≥2MHz。

当信号通过共发射极、共基极、共集电极这三种放大电路时，其输入、输出信号的相位关系是怎样的呢？我们可用图4分别加以说明。

图4a为信号通过共发射极电路时的情况。在0～t\(_{1}\)时间内，输入端没有加上交流信号，管子仅有直流工作电流（又叫静态电流）Ie=I\(_{c}\)＋Ib。在t\(_{1}\)时，接入交流信号Vs，在原基极电流I\(_{b}\)上叠加了一个随Vs而变的交流信号电流i～\(_{b}\)，合成后的基极电流ib仍是单方向电流，只是其大小随V\(_{s}\)而变，两者极性相同，即相位相同。基极电流ib经管子放大β倍，得到集电极电流i\(_{c}\)=βib，同基极电流一样，i\(_{c}\)亦由直流Ic=βI\(_{b}\)和交流部分i～c=βi～\(_{b}\)叠加而成，即ic=I\(_{c}\)+i～c。由图可见，i\(_{c}\)随ib而变，且极性相同，两者相位相同。当i\(_{c}\)流过集电极负载Rc时，在两端产生压降。在t\(_{1}\)～t2间，i\(_{c}\)增大，Rc两端压降也增大，使集电极电位V\(_{c}\)降低，由于发射极是输入、输出的公共端，也可以说管压降Vce降低，而V\(_{ce}\)就是我们需要的输出电压V0。在t\(_{2}\)～t3间，i\(_{c}\)随ib减小，R\(_{c}\)两端压降减小，Vce却增大。因而就电压来说，输入电压V\(_{s}\)与输出电压V0是反相的。图4b是共基极电路的情况，信号V\(_{s}\)从e、b间输入，放大后从c、b间输出，相位关系正好与共发射极电路相反，即输入、输出电流是反相的，而输入、输出电压却是同相的。图4c是共集电极电路的情况，信号Vs从b、c极间输入，输出电压V\(_{0}\)从发射极电阻Re两端取得，即取自e、c极间的电压，输入、输出信号的相位关系与共基极电路一样，即输入、输出电流是反相的，而输入、输出电压是同相的。

以上从介绍管子放大倍数、频率特性及放大信号时的相位关系等方面入手，介绍了共基、共射和共集等三种电路的一些特点。共发射极电路由于放大倍数高，用得较广泛；共基极电路由于工作频率较高，多用于超高频放大和振荡；共集电极电路由于输入阻抗高、输出阻抗低，常用来进行阻抗变换。为了便于比较，我们将这三种放大电路的主要特点列出如表2。(金国钧 编译)