试析晶体谈晶体三极管在不同工作状态下运用设计

【摘 要】本文提出了晶体三极管的在不同工作状态下的分类和特性，并指出如何根据晶体三极管的不同工作状态时的作用进行实际应用，从而增强学生对晶体三极管的工作状态的了解，提高学生分析和解决问题的能力。
【关键词】非线性器件；导通角；正向偏置；反向偏置
1.引言
晶体三极管是电子电路中非常重要的元器件，每一种电子电路几乎都离不开它。它是一种非线性器件，在不同的外部条件下会呈现出不同的工作状态。在实际应用时，可根据它的不同工作状态应用到不同的电子电路中，从而有效地发挥它的作用。为了更好地在电路中发挥晶体三极管的作用就要掌握不同工作状态下它的分类和特性，这样不但有利于很好地应用晶体三极管，而且有利于学习和掌握电路的基本知识，这样在分析和设计电路时就会得心应手，避免出现错误。

2.晶体三极管在不同工作状态下的分类

晶体三极管是有源器件，它在电路中工作时，要在它发射结和集电结施加不同的偏置电压。而根据它的基极和集电极偏置电压的不同，晶体三极管呈现不同的工作状态。此时可把晶体三极管的工作状态划分成不同的区域。即如果发射结正向偏置、集电结反向偏置，晶体三极管工作在放大区；如果发射结正向偏置、集电结正向偏置，晶体三极管工作在饱和区，如果发射结反向偏置或零偏、集电结反向偏置，晶体三极管工作在截止区。晶体三极管工作在饱和区和放大区时都说明它是导通的，放大器在信号的一个周期内的导通情况可用导通角来衡量。放大器的导通角用θ来表示，定义为晶体三极管一个信号周期内导通时间乘以角频率ω的一半。根据放大器导通角的不同可晶体三极管放大器分为甲类、乙类、丙类、丁类等放大器。

3.各类放大器的特性和应用

3.1 甲类放大器

当晶体三极管放大器的静态工作点设置在放大区时，即发射结正向偏置、集电结反向偏置时，放大器工作在放大状态。此时，在输入信号的整个周期内，晶体三极管都是导通的，导通角θ为1800，此时晶体三极管放大器称为甲类放大器。其工作波形如图a所示。它的工作特性是：静态工作点电流比较大，非线性失真小、管耗大、效率低、输出功率小。甲类放大器有电压放大的作用，可应用到电压放大和小功率放大电路中。另外由于它的失真小，所以在宽带

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功率放大器中，晶体三极管也工作在甲类状态，但由于它的效率低、输出功率小，不能满足功率放大器对输出功率的要求，所以常采用功率合成技术，实现多个功率放大器的联合工作，获得大功率的输出。

3.2 乙类放大器

当晶体三极管放大器的静态工作点设置在截止区时，如果信号为正时三极管导通，信号为负时三极管截止。即三极管在信号的半个周期导通，导通角θ为900，此时放大器为乙类放大器，它放大的信号缺少半个周期，是失真的。但是在乙类互补推挽放大电路中，用两个互补的三极管轮流推挽导通就可以弥补这种失真的不足，从而输出完整的信号波形，电路如图b所示。乙类放大器由于管耗小，效率大大提高。

3.3 甲乙类放大器

在实际功率放大电路中，由于晶体管发射结存在导通压降，所以在乙类互补功率放大器中，由于V1、V2管没有基极偏流，静态时两个管的发射结偏置电压为零。当输入信号小于晶体管的死区电压时，管子仍处于截止状态。因此，在输入信号的一个周期内，两个晶体三极管轮流导通时形成的基极电流波形在过零点附近一个区域内出现失真。即在两管输出波形的交接处存在失真，这种失真称为“交越”失真。这时需要在两个晶体三极管的基极加上等于发射结导通压降的电压，使两个晶体三极管均处在微导通状态，两管轮流导通时，交替得比较平滑，这样就消除了交越失真。电路如图c所示。

3.4 丙类放大器

当导通角θ小于900时，晶体三极管放大器称为丙类放大器。丙类放大器又因工作状态的不同可分为欠压、临界和饱和三种工作状态。当放大器工作在放大区和截止区时为欠压状态，如果晶体三极管工作刚好不进入饱和区时，则称为临界工作状态。晶体三极管工作进入饱和区时为过压状态。三种状态时集电极输出的波形分别为尖顶余弦脉冲、略微平缓的余弦脉冲和顶端凹陷的余弦脉冲。由于这几种余弦脉冲都可以分解出基波分量和各次谐波分量，又由于谐振回路具有滤波作用，晶体三极管放大器的输出电压仍为没有失真的余弦波形。所以丙类放大器可和谐振回路共同构成丙类谐振功率放大器或丙类倍频器。丙类放大器工作在欠压状态时，放大器输出功率小，管耗大，效率低。工作在过压状态时，放大器输出功率较大，管耗小，效率高。工作在临界状态时，放大器输出功率大，管耗小，效率高。

3.5 丁类放大器

丙类放大器可以通过减小电流导通角θ来提高放大器的效率，但是为了让输出功率符合要求又不使输入激励电压太大，导通θ就不能太小，因而放大器效率的提高就受到了限制。丁类放大器的导通角也是900，但是丁类放大器工作在饱和或截止状态。由于三极管工作在饱和状态时集电极电流ic最大，但集电极和发射极之间的电压uce最小。三极管工作在截止状态时集电极电流ic最小，但集电极和发射极之间的电压uce最大。所以丁类放大器在工作时，ic和uce的乘积最小，理想情况下它们的乘积可接近于零。在积分区间不变时，即导通角θ不变时，ic和uce的乘积越小，晶体管集电极的耗散功率起小，晶体管放大器集电极的效率就越高，输出功率就越大。因此，在这两种状态时集电极损耗很小，三极管的效率高，即丁类放大器的效率比丙类放大器要高。

3.6 振荡电路中的放大器

晶体三极管放大器在具体电路中应用时，可以不单单间工作在一种工作状态。有时会根据电路的要求，在设计时，当电路中的输入信号发生变化时，放大器的工作状态也发生变化，从而满足电路的实际要示。比如在振荡电路中，起振时，电路工作于小信号状态，即三极管工作在甲类状态，因此可将振荡电路作为线性电路来处理，用小信号等效电路求出振荡环路的传输系数。随着振荡幅度的增大，输入信号的幅度也越来越大，放大器的工作由线性状态进入非线性状态，再加上电路中偏置电路的自给偏压效应，使得晶体管的基极偏置电压随着输入信号的增大而减小，这样使三极管的工作状态进入乙类或丙类非线性工作状态，相应的放大倍数随之减小，直到振荡进入平衡状态。在振荡电路的起振到平衡的过程中，电路由小信号工作到大信号工作，放大器的工作状态也由甲类、乙类过渡到丙类，从而满足了振荡电路对放大器的要求。这正是放大器各种工作状态的很好的应用。

4.结束语

总之随着放大器的进一步研究和应用，其分类也越来越多，应用也越来越广泛。现在又出现了效率比丁类放大器还高的戊类放大器。在实际电路中，要根据电路对放大器的要求来选用放大器的不同状态。比如电压放大时要求电压放大倍数要高，就要选用电压放大器。功率放大时就要选择功率放大倍数高的功率放大器。在输入信号频率不同时，还要考虑电路中的参数与信号频率的关系。只有掌握了放大器的各类状态，才能很好地把知识应用到实际电路中。
参考文献：
胡宴如.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社，2004：95-97.
胡宴如.高频电子线路[M].高等教育出版社，2004：35-37，65-66.
作者简介：孙会丽（1969—），女，副教授，主要从事物理教学研究。