BJT的结构（晶体管电压/电流+β+晶体管特性曲线/截止与饱和+直流负载线（Q点））+单片机数码管基础

2024-7-8，星期一，20:23，天气：晴，心情：晴。今天没有什么特殊的事情发生，周末休息了两天，周一回来继续学习啦，加油加油！！！

今日完成模电自选教材第二章内容的学习，开始第三章（BJT）的学习，主要学习内容为：三极管BJT的结构（晶体管电压/电流+β+晶体管特性曲线/截止与饱和+直流负载线（Q点））；单片机方面，开始学习单片机自选教材的第五章内容（数码管基础与真值表）

一、双极结型三极管BJT（续）

1. BJT的结构（续）

（1）晶体管电流：对下图使用基尔霍夫电流定律（KVL）有发射极电流IE是集电极电流IC和基极电流IB的和，即：IE = IC + IB。因为与IE和IC相比，基极电流IB很小，所以可以忽略不计，故上式近似位IE ≈ IC，具体实际情况如下图所示：

（2）直流β（βDC）

当BJT在一定的限制条件下工作室，集电极电流与基极电流成比例，晶体管的电流增益β为直流集电极电流与直流基极电流之比，即β = IC / IB。βDC称为电流增益的比例常数（手册上常表示为hFE），只要晶体管工作在线性区域它就有效，即此时IE ≈ IC = βDC · IB。一般情况下，βDC的变化范围很大，与晶体管的类型有关，但是有时两个同类型的晶体管电流增益也会有很大差别，所以，好的放大器电路的设计并不依赖特定的βDC的值进行工作。

（3）晶体管电压：下图给出了晶体管的三个直流偏置电压，即发射极电压（VE），集电极电压（VC）和基极电压（VB），这些电压都是以地为参考点的电压，所以用单下标表示（三个极的直流偏置电压用重复下标表示），对红色箭头指出的回路应用基尔霍夫电压定律（KVL）可得集电极电压等于直流电源电压减去RC两端电压，即：VC = VCC - ICRC。（这里两端的高低电位已在图中标出，对于晶体管，多数载流子为自由电子的n端为负极，多数载流子为空穴的p端为正极）。此外，当一个晶体管处于正常工作状态时，发射结二极管压降VBE ≈ 0.7V，这表明，基极电压比发射极电压大一个二极管压降，即：VB = VE + VBE = VE + 0.7V

（4）BJT的特性曲线

基极-发射极特性：下图为发射结的I-V特性曲线，可以看到发射结特性曲线与普通二极管相同，所以可以用以前学习的任意一种模型对其进行等效（开关模型，开关-电源模型，开关-电源-电阻模型）。从上述分析我们可以认为，在BJT 的故障检测中，我们可以通过查看发射结（正向偏置）两端的电压是否为0.7V来判断BJT是否导通：如果电压为0则BJT没有导通；如果电压远大于0.7V，则很有可能该BJT发射结开路（此时测得的为基极直流偏置电源电压VBB）。

集电极特性曲线：从上面的学习中可以知道，发射极电流与基极电流成比例（IC = βDCIB），所以，如果想划出一条集电极的特性曲线，则必须选定一个基极电流IB，如下图，则为一条集电极I-V特性曲线（反应IC随VCE变化的曲线）：

从上图可以看出，当VCC为0时，VCE和IC均为0，随着VCC的增大，VCE与IC也均随之增大（图中AB区域内的曲线），当VCE达到0.7V时，集电结反偏（VB < VC），IC达到最大值βDCIB，理想情况下，随VCE的继续增大，IC将保持不变（集电结反偏BJT导通，相当于导线），如BC段曲线表示，但是实际上，随着VCE的继续增大，IC也会略有增大（主要因为集电结宽度变宽，导致基区复合的空穴数减少），在A—>B的过程中，IC上升的斜率由正向厄尔利电压决定。

将IB设置为其他固定值，就可以生成IC与VCE之间的其他曲线，如下图所示，这些曲线组成了特定晶体管的集电极曲线组。

（5）截止和饱和：

当IB = 0时，晶体管处于截止状态，此时集电极电流几乎为0（除了一个可忽略的非常小的集电极泄露电流ICEO），在截止状态下，发射极和集电极都处于反向偏置，此时，集电极和发射极两端的电压几乎等于电源电压。
当发射结正向偏置且基极电流增大时，随着基极电流的增大，集电极电流也逐步增大，RC两端的压降增大，根据基尔霍夫电压定律（KVL）可知，VCE减少，当基极电流足够高时，集电极直流偏置电源电压（VCC）全部加在RC两端，集电极和发射极两端没有电压（VCE=0），这种功能工作状态称为饱和状态。这种状态下的电流为饱和电流：IC(sat) = VCC / RC，一旦基极电流足够高，使电路达到饱和状态，进一步增加基极电流也不会影响集电极电流，此时BJT不具有放大作用（IC = βDCIB不成立）。在实际情况下，处于饱和状态的BJT，其集电极和发射机之间会有一个非常小的压降（0.1V），这可以作为故障检测的一个重要参数。

（6）直流负载线：对一个简单的三极管电路进行戴维南等效，等效电路如下图所示：

从上面给出的戴维南等效电路可以看出，该戴维南等效电源（VCC + RC）能够提供的最小和最大电流为0和VCC / RC（即BJT的截止和饱和电流），即饱和点和截止点仅取决于等效戴维南电源，与晶体管无关，故截止点与负载点之间的一条线段为该电路的直流负载线，该线段给出了该BJT电路的所有直流工作点：

因为，直流负载线与晶体管本身无关，故可以将一条支流负载线叠加到一族BJT特性曲线上，任何IC值以及VCE值都将位于这条直线上。

（7）Q点：对于下面晶体管电路，其BJT特性曲线族与直流负载线均已给出：

基极电流IB与负载线的交叉点为电路的静态点（Q点），从第一张图可以看出，基极电阻两端电压为：VRB = VBB - VBE = 12 - 0.7 = 11.3V，则对应的基极电流IB = VRB/RB = 11.3μA，则通过在10μA~15μA晶体管特性曲线之间进行插值就可以得出Q点（IB = 11.3μA）。

二、数码管的学习

1. 数码管的基本介绍

下图为数码管的原理图，从图中看出，一个数码管共有a、b、c、d、e、f、g、dp这8个段，每一段都是一个LED小灯，所以一个数码管就是由8个LED小灯组成的：

数码管内部的结构示意图如下：

从上图可以看出，数码管分为共阳和共阴两种，共阳是8只LED小灯的阳极是连接在一起的（com端），由阴极控制小灯的亮灭；同理，共阴是8只LED小灯的阴极是连接在一起的（com端），由阳极控制LED小灯的亮灭。设计2种LED小灯的目的由两个：一个是2种小灯可以起到对称的效果；另一个更重要的是，公共端com流过的电流较大（并联分流），用两个com可以把公共电流平均到2个引脚上去，降低单条线路承受的电流。

从上图可以看出，本次使用的单片机数码管模块共有8个数码管，且是共阴极连接的（8个LED的阳极并联一起引出），由74HC245（U4）和74HC138（U5）控制使能的：

以最左边的数码管为例，间接数码管的工作工程，因为本单片机的IO口外部都增加了外部上拉电阻，因此74HC138译码器的P22、P23、P24引脚默认是高电平，根据38译码器的工作特点，此时Y7脚即LED输出低电平有效（0b111 = 7），而数码管的a~dp连接在74HC245驱动芯片输出口，由P0端口控制，所以只要P0端口输出高电平，此时数码管两端就有电位差，可以点亮小灯。

2. 数码管的真值表

从上述分析来看，若要使数码管中相应的小灯亮灭，则首先需要控制74HC138译码器，使其控制的对应数码管可以点亮，然后对P0端口进行控制，用于点亮不同的LED小灯。例如，若想控制左边第一个数码管（数码管8）显示数字1，则需要先设置74HC138（U5），是P22=P23=P24=1，然后设置74HC245（U4）使P0端口的值，使b、c两个LED小灯处于高电平，即0b000000110 = 0x06，程序如下：