基本晶体管问题

我已经创建了所示的电路。我使用的是9V电池（实际上扔掉了9.53V）和5V来自Arduino的电压，分别测试9伏和5伏。该晶体管是BC 548B（我正在使用的数据表在此处）。

^{模拟此电路 –使用CircuitLab创建的原理图}

我进行了一些测试，更改了Rb和Rc的值，结果如下，但不知道它们是否正确。

9V
Ref  Rb     Rc     Ib (μA)   Ic (mA)   Beta
1    160k   560    50        15.6      312
2    470k   1.2k   18        6.15      342
3    220k   1.2k   41        7.5       183
4    180k   1.2k   51        7.5       147

5V
Ref  Rb     Rc     Ib (μA)   Ic (mA)   Beta
1    160k   560    24        7.7       321
2    82k    330    52        14.1      271
3    470k   1.2k   9         2.89      321

我的问题如下：

1. 我从数据表中了解到，该晶体管的范围可以在200到450之间。我认为9V表ref 3和4中的值小于200的原因是因为集电极发射极电路已经饱和，并且可以t上升得更高，导致β随着Ib电流的增加而下降。那是对的吗？

2. 在我看过的所有教科书中，beta是一个静态值。“如果贝塔系数是X，则计算出在集电极中产生Y电流所需的基极电阻”。从那以后，我读到beta会随着温度和集电极电流（我认为是集电极电流）而波动。我实际上在哪里可以找到这些数据？哪里可以告诉我Beta vs Ic？如果贝塔值不断变化，您如何实际选择一个始终工作的电阻器，并且/或者在集电极负载的电流中有太多电流？

3. 数据表中的图1显示，在基极电流为50μA的情况下，集电极电流不应超过11mA，这与集电极和发射极之间的电压无关。但是给定9V ref 1和5V ref 2，它们的Ib均约为50μA，因此Ic高于规定值。为什么是这样？图1实际告诉我什么？

4. 数据表中的图3显示，在Vce = 5V的情况下，当Ic <40mA时，hFE为200。考虑到这篇文章中5V表中的所有结果，显然这没有发生。那么，这张图又是什么呢？

5. 我试图将电路连接起来，以便使9V电池从集电极流向发射极，并由5V Arduino为基极供电，本质上是为晶体管开关供电。我认为这会使Arduino短路。我如何将9V电池从C端接至E端，并在底端端接5V电压？我实际上该如何接线？

您的问题似乎与beta或h _FE有关。是的，即使在同一批生产中，零件之间的差异也可能很大。它也随集电极电流和集电极电压而有所变化（使用发射极作为0 V基准）。但是，对于任何一个晶体管，它的增益实际上是在合理范围内随集电极电流变化的很小变化，并假设集电极电压保持足够高。

您似乎缺少的重要一点是，您不必担心确切的收益。具有双极晶体管的良好电路可以在预期的工作区域内以最小的保证增益工作，但在增益从那里到无限大的情况下，也可以正常工作。在特定工作点上，任何一个晶体管的增益都比数据手册所保证的最小值高出10倍，这并非不言而喻。在电路设计中考虑了这一点之后，实际上只是很小的一步，可以确保电路与晶体管的增益一起一直工作到无穷大。

为如此广泛的增益进行设计可能听起来很困难，但实际上并非如此。基本上有两种情况。当晶体管用作开关时，根据最小保证增益计算出的一些最小基极电流将驱动其饱和。如果增益更高，那么在相同的基极电流下，晶体管将更趋于饱和，但是晶体管两端的所有电压和流经该晶体管的电流仍将几乎相同。换句话说，电路的其余部分（异常情况除外）将无法分辨出晶体管驱动的2倍或20倍饱和状态之间的差异。

当在“线性”区域中使用晶体管时，则使用负反馈将较大且不可预测的增益转换为较小但控制良好的增益。这与运算放大器使用的原理相同。DC和AC反馈可能有所不同，第一个设置工作点（有时称为偏置晶体管），第二个控制所需信号通过电路时发生的情况。

添加：

这是一个可以耐受大范围晶体管增益的示例电路。它将小音频信号放大约10倍，输出约为6V。

要手动解决此问题，可能最容易进行迭代。首先假设OUT为6V，然后从那里开始工作。由于增益是无限的，因此没有基极电流，并且基极电压由R1-R2分压器直接从OUT设置。分压器的增益为1/6，因此基极为1.00V。减去600 mV的BE压降，使发射极为400 mV，发射极和集电极电流为400 µA。R1-R2路径消耗50 µA，因此从OUT汲取的总电流为450 µA，因此R3两端的压降为4.5 V，因此OUT为7.5V。现在再次进行上述计算，假设OUT为7.5 V，也许在那之后再过一次。您将看到结果迅速收敛。

这实际上是模拟器有用的少数情况之一。模拟器的主要问题是，尽管输入参数含糊不清，但它们会为您提供非常准确和权威的答案。但是，在这种情况下，我们希望看到仅改变晶体管增益的影响，因此模拟器可以像上面那样为我们处理所有繁琐的工作。一次浏览上一段的过程以了解正在发生的事情仍然很有用，因为只需要看一下模拟结果到小数点后四位。

无论如何，您都可以在假定无限增益的情况下为上述电路提供直流偏置点。现在假设晶体管的增益为50，然后重复。您会看到OUT的DC电平仅变化很小。

要注意的另一件事是，有两种形式的直流反馈，但对于交流音频信号只有一种。

由于R1的顶部连接到OUT，因此它提供了一些DC反馈，从而使工作点更稳定，并且对确切的晶体管特性不太敏感。如果OUT上升，则进入Q1基极的电流上升，这将导致更多的集电极电流，从而使OUT下降。但是，此反馈路径不适用于音频信号。进入R1-R2分压器的阻抗为R1 // R2 = 17kΩ。C1和此17kΩ形成的高通滤波器滚降频率为9.5 Hz。即使在20 Hz时，R1 // R2也不会对通过C1的信号造成太大的负载，并且它与频率成正比。换句话说，R1和R2有助于设置DC偏置点，但不会妨碍预期的音频信号。

相反，R4为DC和AC提供负反馈。只要晶体管的增益为“大”，则发射极电流就足够接近于集电极电流。这意味着R4两端的任何电压都将与其电阻成比例地出现在R3两端。由于R3是R4的10倍，因此R3上的信号将是R4上的信号的10倍。由于R4的顶部电压为12 V，因此OUT为12 V减去R3两端的信号，即12 V减去R4两端的信号的10倍。只要晶体管增益明显大于该增益（例如50或更高），此电路就可以达到10的相当固定的AC增益。

继续并在改变晶体管参数的同时模拟该电路。看一下DC工作点以及音频信号从IN到OUT的整体传递函数是什么。

1.是什么导致随着基本电流的增加，视在贝塔值减小？

Beta并没有真正改变。集电极电流受Rc限制。Rc = 500Ω时，最大集电极电流约为18 mA。Rc = 1.2kΩ时，最大电流约为7.5 mA。这来自欧姆定律-9V /1.2kΩ= 7.5 mA。当beta> 300时，您仅需要25 uA的基极电流即可使集电极电流最大。增加额外的基本电流不会改变任何东西。

$I_C$

本数据表未提供有关β如何随温度变化的任何信息。Beta与Ic的关系将在下面的问题4中进行讨论。我检查了其他一些数据表，也没有看到任何温度变化。根据此应用笔记，β每摄氏度增加约0.5％。更详细的理解可能需要使用Ebers-Moll模型，其中包括热电压（kT / q）形式的温度。我不是BJT大师，所以也许其他人可以澄清一下。

$I_C$

数据表的此部分提供了典型的性能特征。这些是平均值，没有显示单位之间的差异。一个典型的图形可以让您大致了解平均单元的行为，但它丝毫不限制该行为。这就是“电气特性”表的用途。

4. beta如何大于数据表的图3中显示的值？

这里发生两件事。首先，由于某些电压在Rc两端下降，因此您的Vce在5V表中实际上不是5V，因此该数字并不代表您的实际电路。其次，这是另一个显示典型行为的图。它向您显示的是β通常在Ic = 100 mA左右开始下降。由于绝对最大Ic为100 mA，这意味着您应该期望beta在整个器件电流范围内大致恒定。该图使用200作为典型的beta，但是从hFE分类表中可以看到，单个BC548B的beta可能在200-450之间。

5.如何使用Arduino驱动该晶体管的基极？

首先，您需要从Arduino的数据表中获得最大的连续输出电流。这可能在毫安范围内。您的基本电流必须小于此值，这不是问题，因为beta> 200并且Icmax <100 mA。如果知道需要多少集电极电流（应该多少），则可以算出最小基极电流：

这样您就可以选择一个基极电阻。根据晶体管的“电气特性”表，Vbe应该约为0.7V。您知道Arduino的输出为5V，因此现在可以使用欧姆定律：

在Arduino IO和晶体管的基极之间连接此电阻。将晶体管的发射极，9V电池的负极端子和Arduino的地面连接在一起。

补充O. Lathrop的回答中给出的信息，我想举一个简短的例子，这可能会让您感到惊讶：

假设您使用电流增益为beta = 200的晶体管设计了一个简单的增益级（如您的帖子中所示）。静态直流电流为Ic = 1mA，测得的电压增益（Rc = 2.5kohms）为G = -100。现在-如果您更改具有较低值beta = 100的晶体管，您将观察到电压增益G 不会改变-前提是您已将偏置电阻RB调整为允许相同静态电流Ic = 1mA的较低值。（这是进行公平比较的必要条件）。

原因如下：电压增益由晶体管的跨导gm决定（Ic = f（Vbe）特性的斜率）。这意味着：“电流增益”不起作用-将beta值从200降低到100只会增加输入电流，而不会影响电压增益（只要工作点不变）。