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基礎電子學 - 電晶體組態
電晶體具有三個端子：發射極、基極和集電極。利用這三個端子，可以將電晶體連線到電路中，其中一個端子同時作為輸入和輸出的公共端，共有三種不同的連線方式。
這三種組態分別是**共基極、共發射極**和**共集電極**組態。在每種組態中，發射極結正向偏置，集電極結反向偏置。
共基極(CB)組態
顧名思義，基極端子作為電晶體輸入和輸出的公共端子。NPN和PNP電晶體的共基極連線如圖所示。
為了便於理解，讓我們考慮CB組態中的NPN電晶體。當施加發射極電壓時，由於其正向偏置，負極的電子會排斥發射極電子，電流流過發射極和基極到集電極，形成集電極電流。在此過程中，集電極電壓VCB保持恆定。
在CB組態中，輸入電流是發射極電流IE，輸出電流是集電極電流IC。
電流放大係數(α)
當集電極電壓VCB保持恆定時，集電極電流變化量($\Delta I_{C}$)與發射極電流變化量($\Delta I_{E}$)之比稱為**電流放大係數**。用α表示。
$$\alpha\:=\:\frac{\Delta I_{C}}{\Delta I_{E}}\:\:at\:constant\:V_{CB}$$
集電極電流表達式
根據上述思路，讓我們嘗試推匯出集電極電流的表示式。除了流動的發射極電流外，由於電子空穴複合，還有一定量的基極電流IB流過基極端子。由於集電極-基極結反向偏置，還存在由於少數載流子引起的電流。這可以理解為**Ileakage**（漏電流）。這是由於少數載流子引起的，因此非常小。
到達集電極端子的發射極電流為
$$\mathbf{\mathit{\alpha I_{E}}}$$
總集電極電流
$$I_{C}\:=\:\alpha I_{E}\:+\:I_{leakage}$$
如果發射極-基極電壓VEB = 0，即使這樣，仍然會流過一個小的漏電流，這可以稱為ICBO（集電極-基極電流，輸出開路）。
因此，集電極電流可以表示為
$$I_{C}\:=\:\alpha I_{E}\:+\:I_{CBO}$$
$$I_{E}\:=\:I_{C}\:+\:I_{B}$$
$$I_{C}\:=\:\alpha(I_{C}\:+\:I_{B})\:+\:I_{CBO}$$
$$I_{C}(1\:-\:\alpha)\:=\:\alpha I_{B}\:+\:I_{CBO}$$
$$I_{C}\:=\:(\frac{\alpha}{1\:-\:\alpha})\: I_{B}\:+\:(\frac{I_{CBO}}{1\:-\:\alpha})$$
$$I_{C}\:=\:(\frac{\alpha}{1\:-\:\alpha})\: I_{B}\:+\:(\frac{1}{1\:-\:\alpha})I_{CBO}$$
因此，上述推導的是集電極電流的表示式。集電極電流的值取決於基極電流和漏電流以及所用電晶體的電流放大係數。
CB組態的特性
這種組態提供電壓增益，但不提供電流增益。
保持VCB恆定，隨著發射極-基極電壓VEB的小幅增加，發射極電流IE也會增加。
發射極電流IE與集電極電壓VCB無關。
集電極電壓VCB僅在低電壓下才能影響集電極電流IC，前提是VEB保持恆定。
輸入電阻ri是發射極-基極電壓變化量($\Delta{V_{EB}}$)與發射極電流變化量($\Delta{I_{E}}$)之比，在恆定的集電極-基極電壓VCB下。
$$\eta\:=\:\frac{\Delta{V_{EB}}}{\Delta{I_{E}}}\:\:at\:constant\:V_{CB}$$
由於輸入電阻值很低，因此即使是較小的VEB值也能產生較大的發射極電流IE。
輸出電阻ro是集電極-基極電壓變化量($\Delta{V_{CB}}$)與集電極電流變化量($\Delta{I_{C}}$)之比，在恆定的發射極電流IE下。
$$r_{o}\:=\:\frac{\Delta{V_{CB}}}{\Delta{I_{C}}}\: at\: constant\:l_{E}$$
由於輸出電阻值很高，因此VCB的大幅變化只會導致集電極電流IC發生很小的變化。
這種組態對溫度升高具有良好的穩定性。
CB組態用於高頻應用。
共發射極(CE)組態
顧名思義，**發射極**端子作為電晶體輸入和輸出的公共端子。NPN和PNP電晶體的共發射極連線如圖所示。
與CB組態一樣，發射極結正向偏置，集電極結反向偏置。電子的流動方式相同。這裡的輸入電流是基極電流IB，輸出電流是集電極電流IC。
基極電流放大係數(β)
集電極電流變化量($\Delta{I_{C}}$)與基極電流變化量($\Delta{I_{B}}$)之比稱為**基極電流放大係數**。用β表示。
$$\beta\:=\:\frac{\Delta{I_{C}}}{\Delta{I_{B}}}$$
β和α之間的關係
讓我們嘗試推導基極電流放大係數和發射極電流放大係數之間的關係。
$$\beta\:=\:\frac{\Delta{I_{C}}}{\Delta{I_{B}}}$$
$$\alpha\:=\:\frac{\Delta{I_{C}}}{\Delta{I_{E}}}$$
$$I_{E}\:=\:I_{B}\:+\:I_{C}$$
$$\Delta I_{E}\:=\:\Delta I_{B}\:+\:\Delta I_{C}$$
$$\Delta I_{B}\:=\:\Delta I_{E}\:-\:\Delta I_{C}$$
我們可以寫成
$$\beta\:=\:\frac{\Delta{I_{C}}}{\Delta I_{E}\:-\:\Delta I_{C}}$$
除以$$\Delta I_E$$
$$\beta\:=\:\frac{\frac{\Delta I_{C}}{\Delta I_{E}}}{\frac{\Delta I_{E}}{\Delta I_{E}}\:-\:\frac{\Delta I_{C}}{\Delta I_{E}}}$$
$$\alpha\:=\:\frac{\Delta I_{C}}{\Delta I_{E}}$$
我們有
$$\alpha\:=\:\frac{\Delta I_{C}}{\Delta I_{E}}$$
因此，
$$\beta\:=\:\frac{\alpha}{1-\alpha}$$
從上式可以看出，當α接近1時，β趨於無窮大。
因此，**共發射極連線中的電流增益非常高**。這就是這種電路連線在所有電晶體應用中廣泛使用的原因。
集電極電流表達式
在共發射極組態中，IB是輸入電流，IC是輸出電流。
我們知道
$$I_{E}\:=\:I_{B}\:+\:I_{C}$$
和
$$I_{C}\:=\:\alpha I_{E}\:+\:I_{CBO}$$
$$=\:\alpha (I_{B}\:+\:I_{C})\:+\:I_{CBO}$$
$$I_{C}(1\:-\:\alpha)\:=\:\alpha I_{B}\:+\:I_{CBO}$$
$$I_{C}\:=\:\frac{\alpha}{1-\alpha}I_{B}\:+\:\frac{1}{1-\alpha}\:I_{CBO}$$
如果基極電路開路，即IB = 0，
基極開路時的集電極發射極電流為ICEO
$$I_{CEO}\:=\:\frac{1}{1-\alpha}\:I_{CBO}$$
將此值代入上式，得到
$$I_{C}\:=\:\frac{\alpha}{1-\alpha}I_{B}\:+\:I_{CEO}$$
$$I_{C}\:=\:\beta I_{B}\:+\:I_{CEO}$$
因此，得到了集電極電流的表示式。
膝蓋電壓
在CE組態中，保持基極電流IB恆定，如果改變VCE，IC會幾乎增加到VCE的1V，然後保持恆定。VCE的值，在此值下集電極電流IC隨VCE變化，稱為**膝蓋電壓**。在CE組態下工作時，電晶體的工作電壓高於此膝蓋電壓。
CE組態的特性
這種組態提供良好的電流增益和電壓增益。
保持VCE恆定，隨著VBE的小幅增加，基極電流IB比CB組態增加得快。
對於高於膝蓋電壓的任何VCE值，IC近似等於βIB。
輸入電阻ri是基極-發射極電壓變化量($\Delta{V_{BE}}$)與基極電流變化量($\Delta{I_{B}}$)之比，在恆定的集電極-發射極電壓VCE下。
$$r_{i}\:=\:\frac{\Delta{V_{BE}}}{\Delta{I_{B}}}\:at\:constant\:V_{CE}$$
由於輸入電阻值很低，因此即使是較小的VBE值也能產生較大的基極電流IB。
輸出電阻ro是集電極-發射極電壓變化量($\Delta{V_{CE}}$)與集電極電流變化量($\Delta{I_{C}}$)之比，在恆定的IB下。
$$r_{o}\:=\:\frac{\Delta{V_{CE}}}{\Delta{I_{C}}}\:at\:constant\:I_{B}$$
CE電路的輸出電阻小於CB電路。
這種組態通常用於偏置穩定方法和音訊頻率應用。
共集電極(CC)組態
顧名思義，**集電極**端子作為電晶體輸入和輸出的公共端子。NPN和PNP電晶體的共集電極連線如圖所示。
與CB和CE組態一樣，發射極結正向偏置，集電極結反向偏置。電子的流動方式相同。這裡的輸入電流是基極電流IB，輸出電流是發射極電流IE。
電流放大係數(γ)
在共集電極(CC)組態中，發射極電流變化量($\Delta{I_{E}}$)與基極電流變化量($\Delta{I_{B}}$)之比稱為**電流放大係數**。用γ表示。
$$\gamma\:=\:\frac{\Delta{I_{E}}}{\Delta{I_{B}}}$$
CC組態中的電流增益與CE組態相同。
CC組態中的電壓增益始終小於1。
γ和α之間的關係
讓我們嘗試推導γ和α之間的關係
$$\gamma\:=\:\frac{\Delta{I_{E}}}{\Delta{I_{B}}}$$
$$\alpha\:=\:\frac{\Delta{I_{C}}}{\Delta{I_{E}}}$$
$$I_{E}\:=\:I_{B}\:+\:I_{C}$$
$$\Delta I_{E}\:=\:\Delta I_{B}\:+\:\Delta I_{C}$$
$$\Delta I_{B}\:=\:\Delta I_{E}\:-\:\Delta I_{C}$$
代入IB的值，得到
$$\gamma\:=\:\frac{\Delta{I_{E}}}{\Delta{I_{E}}\:-\:\Delta I_{C}}$$
除以$\Delta I_{E}$
$$\gamma\:=\:\frac{\frac{\Delta I_{E}}{\Delta I_{E}}}{\frac{\Delta I_{E}}{\Delta I_{E}}\:-\:\frac{\Delta I_{C}}{\Delta I_{E}}}$$
$$\frac{1}{1\:-\:\alpha}$$
$$\gamma\:=\:\frac{1}{1\:-\:\alpha}$$
集電極電流表達式
我們知道
$$I_{C}\:=\:\alpha I_{E}\:+\:I_{CBO}$$
$$I_{E}\:=\:I_{B}\:+\:I_{C}\:=\:I_{B}\:+\:(\alpha I_{E}\:+\:I_{CBO})$$
$$I_{E}(1\:-\:\alpha)\:=\:I_{B}\:+\:I_{CBO}$$
$$I_{E}\:=\:\frac{I_{B}}{1\:-\:\alpha}\:+\:\frac{I_{CBO}}{1\:-\:\alpha}$$
$$I_{C}\:\cong\:I_{E}\:=\:(\beta\:+\:1)I_{B}\:+\:(\beta\:+\:1)I_{CBO}$$
以上是集電極電流的表示式。
共集電極電路特性
這種電路提供電流放大，但不提供電壓放大。
在共集電極電路中，輸入阻抗高，輸出阻抗低。
該電路提供的電壓增益小於1。
集電極電流和基極電流之和等於發射極電流。
輸入和輸出訊號同相。
該電路工作於非反相放大器輸出。
該電路主要用於阻抗匹配，即從高阻抗源驅動低阻抗負載。