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电子电路:双极结型晶体管的配置

时间:2022-11-01 09:30:00 220双极型三极管特征频率的双极型晶体管

文章目录

  • 1. 晶体管等效电路
  • 2. Common emitter (CE)
    • 2.1 电压增益
    • 2.2 电流增益
    • 2.3 输入电阻(低频)
    • 2.4 输出电阻(低频)
  • 3. Common emitter with emitter degradation (CE-ED)
    • 3.1 电压增益
    • 3.2 电流增益
    • 3.3 输出电阻
  • 4. Common collector (CC) - 也被称为 emitter follower (EF)
    • 4.1 输入电阻
    • 4.2 电压增益
    • 4.3 输出电阻
    • 4.4 电流增益
    • 4.5 用法
  • 5. Common base (CB)
    • 5.1 电流增益
    • 5.2 输入电阻
    • 5.3 电压增益
    • 5.4 输出电阻
  • 6. 总结电路特性
  • 多级放大器电路

绘制晶体管电路的等效电路有四条黄金规则:

  1. 一开始,将电路中的晶体管转换为等效电路
  2. 选用特定的频率,此时电容阻抗为0,将其视为导线
  3. 在交流分析中找到GND???(记住,电源在AC在之前的文章中提到,信号被视为导线)
  4. 添加剩余的电路元件以获得完整的等效电路

接下来,本文将介绍如何获取不同放大器配置下的等效电路

如果公式前的介绍是加粗是的,这个公式需要注意

1. 晶体管等效电路

在分析完整电路之前,我们需要得到晶体管的等效电路,这是黄金法则的第一条
上一篇文章介绍了晶体管等效电路,但在这里,我们需要在原有等效电路的基础上增加内部基极电阻 r b r_b rb
r b r_b rb可理解为基极active区域和基极contact区域之间的电阻

最后,我们得到的等效电阻如图所示:
晶体管等效电路
其中 r b r_b rb 电阻一般是几十欧姆,在高频时会变得非常重要,具体原因在谈到高频等效电路时会被解释

在获得晶体管等效电路后,我们将开始分析四种不同的基本放大器电路
每个电路配置都有自己的特性,我们可以利用这些特性来实现更复杂的电路
判断不同的电路需要看输入电压输入到哪个两极,输出电压输出到哪个两极,即输入,也有输出水平,是共享的一极,通常用这个极命名电路(共集电极判断方法特殊,但仍共享)

2. Common emitter (CE)

2.1 电压增益

下图是一个典型的共发射极放大电路图:

可以看到,输出电压 V o V_o Vo跨越了发射极和集电极,输入电压两端是基极和发射极,发射极被共用,这是共发射极放大电路的特征

由于输出电压与基极之间有电阻存在,与发射极和集电极之间的电阻因电容而被短路,所以输出电压是在发射极和集电极两端

上图转化后得到的等效电路如下:

图中被虚
线圈出的部分是三极管的等效电路
在进行下一步转化之前,应用黄金法则二,我们需要作出三个假设:

  1. 输入信号频率足够低,使得晶体管内部电容可以被忽略
  2. 两个耦合电容器 C C C_C CC电容足够大,使得在我们选用的频率下其阻抗为0
  3. 发射极电容足够大,使得在我们选用的频率下其阻抗为0

作出如上假设后,我们通过合并电阻和消除电容来进一步简化电路,所得如下:

根据这副电路图,我们可以得到的增益 A V A_V AV计算如下

这个等式中,先将 V o V s \frac{V_o}{V_s} VsVo 拆分成了三部分,根据晶体管的公式以及电压之比等同于电阻之比,可以得到最右的结果
其中,我们需要注意的降低增益的情况:

  1. r b r_b rb阻值的减小
  2. R S R_S RS阻值的增大
  3. r 0 r_0 r0阻值的减小(削弱 R t R_t Rt

在很多情况下, r b < < r π r_b<rb<<rπ,此时 V π = V b e V_\pi=V_{be} Vπ=Vbe,增益的等式可以被简化为:

可以看出,为了最大化增益,必须使得 R > r π R>r_\pi R>rπ,否则电流会更倾向于经过R到达GND而不是进入三极管基极

如果出现以下三个情况,即
R > > r π R>>r_\pi R>>rπ
r π > > R s r_\pi>>R_s rπ>>Rs
r o > > R c / / R L r_o>>R_c//R_L ro>>Rc//RL

可以得到

此时,如果 R L > > R C R_L>>R_C RL>>RC

可以得到增益的最大值为:

如何才能获得这个增益的最大值,就是我们在设计电路时需要考虑的

想要进一步提升增益的话,我们需要增大电源电压以及 I C Q I_{CQ} ICQ,这是我们不想看到的,因为它会增加所需的功率

这意味着,拥有一个电阻负载的简单CE放大器能提供的电压增益是有限的:

在不失真的情况下,电压增益其实很小,更高的增益也意味着更高的功耗,是得不偿失的

还有一种办法是使用“主动负载“ (active load),这需要我们重新考虑整个电路,我们会在后面详谈这一方法

2.2 电流增益

计算电流增益的方式和计算电压增益的流程基本一样,此处仅列关系式,不多赘述,仅需要记住 g m v π g_mv_\pi gmvπ是电流的量, β = g m r π \beta=g_mr_\pi β=gmrπ

如果
r π > > r b r_\pi>>r_b rπ>>rb
R > > r π R>>r_\pi R>>rπ
r o > > R C r_o>>R_C ro>>RC

可以得到

如果 R C > > R L R_C>>R_L RC>>RL,电流增益可以达到最大值: A i → β A_i\rightarrow\beta Aiβ

2.3 输入电阻(低频)

输入电阻分为两部分:
第一部分是以交流信号源为视角,即最左边的大眼睛,此处电压为 V i V_i Vi,电流为 i i i_i ii,输入电阻为 V i i i = R / / ( r π + r b ) \frac{V_i}{i_i}=R//(r_\pi+r_b) iiVi=R//(rπ+rb)

第二部分是以晶体管基极为视角,即左数第二个大眼睛,此处电压为 V b e V_{be} Vbe,电流为 i b i_b ib,输入电阻为 V b e i b = ( r b + r π ) \frac{V_{be}}{i_b}=(r_b+r_\pi) ibVbe=(rb+rπ)

2.4 输出电阻(低频)

输出电阻以负载为视角,即最右边的大眼睛,其阻值 R L = R c / / r o R_L=R_c//r_o RL=Rc//ro

各视角如图所示:

3. Common emitter with emitter degradation (CE-ED)

CE-ED实际上是共发射极放大电路的一种特殊形式,电路图如下:

CE-ED的电路不含电容,这是不是这种电路的特性有待商榷???

简化这种电路时,我们可以先作出如下假设:

  1. r π > > r b r_\pi>>r_b rπ>>rb
  2. R → ∞ R\rightarrow\infty R
  3. r o → ∞ r_o\rightarrow\infty ro

如此一来, r o , R r_o, R ro,R 所在的支路就可被视为断路,而 r b r_b rb 则可以被消除,最终视图如下


我们可以看出,此时流过 R E R_E 元器件数据手册
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