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三種形式的共射放大電路基本電路特性

2020年08月08日 15:44 ? 次閱讀

BJT共射級電路放大器是比較常用的一種放大電路,不同于前面的共基級放大器單一的電路形式,共射級放大器的設計比較靈活,歷史上人們曾經設計出過很多各種各樣的共射級放大器。最常用的是以下三種形式的共射放大電路(見下圖3-06.01)。一般只要掌握了這三種電路的共通分析方法,那以后再遇到其他比較偏門的共射電路時,我們也可以按照我們已掌握的共通方法,分析出其基本電路特性。

圖 3-6.01

1. 固定偏置

固定偏置(fixed-bias configuration)是最簡單的共射放大電路結構,我們現以npn型晶體管為例對齊進行直流分析。

(1) 輸入靜態工作點

我們將固定偏置的共射放大電路重畫于下,在直流分析(靜態分析)時,可將動態輸入電壓vi視為0。

圖 3-6.02

對于輸入端回路,BJT的發射結正偏,我們采用簡化分析模型,假設VBE固定為0.7V。因此在輸入回路可得:

上式的IB即為輸入端的靜態工作電流,在上式中我們可以取合適得RB,而得到一個比較合理得IB值(一般為幾個微安級)。

(2) 輸出靜態工作點

輸出靜態工作點,即為求VCE和IC,我們將輸出回路的電壓電流關系畫于下圖:

圖 3-6.03

當BJT工作于正常的放大區時:

上兩式中的VCE和IC即為輸出的靜態工作點。

(3) 飽和條件

在共射電路中的飽和條件與共基電路稍有不同,在共基電路中,VCE《0會進入飽和,而在共射電路中,只要VCE《VCEsat(一般我們常近似取為0.3V),晶體管就會進入飽和。因此,我們可以算出此時的集電極飽和電流ICsat,

當共射電路的進入飽和時,輸入端IB的繼續增大不會使輸出電流IC繼續增大,雖然不會像共基電路那樣損壞晶體管,但會使基極電流IB與射極電流IC之間的放大倍數小于原來的β參數。

(4) 固定偏置的缺點

固定偏置的優點是:結構簡單、概念清晰。但是我們一般很少將固定偏置電路直接應用于實際設計,原因在于固定偏置電路有一個致命的缺點:就是工作點不穩。

前面曾經說過,由于半導體器件加工工藝的限制,一般參數都會偏離標準值,比如對某個BJT來說,放大系數β在50~200范圍內都算正常,整整差了4倍。那么根據上式:

  BJT共射級電路放大器是比較常用的一種放大電路,不同于前面的共基級放大器單一的電路形式,共射級放大器的設計比較靈活,歷史上人們曾經設計出過很多各種各樣的共射級放大器。最常用的是以下三種形式的共射放大電路(見下圖3-06.01)。一般只要掌握了這三種電路的共通分析方法,那以后再遇到其他比較偏門的共射電路時,我們也可以按照我們已掌握的共通方法,分析出其基本電路特性。        圖 3-6.01    1. 固定偏置    固定偏置(fixed-bias configuration)是最簡單的共射放大電路結構,我們現以npn型晶體管為例對齊進行直流分析。   ?。?) 輸入靜態工作點    我們將固定偏置的共射放大電路重畫于下,在直流分析(靜態分析)時,可將動態輸入電壓vi視為0。        圖 3-6.02    對于輸入端回路,BJT的發射結正偏,我們采用簡化分析模型,假設VBE固定為0.7V。因此在輸入回路可得:        上式的IB即為輸入端的靜態工作電流,在上式中我們可以取合適得RB,而得到一個比較合理得IB值(一般為幾個微安級)。   ?。?) 輸出靜態工作點    輸出靜態工作點,即為求VCE和IC,我們將輸出回路的電壓電流關系畫于下圖:        圖 3-6.03    當BJT工作于正常的放大區時:        在輸出回路可得:        上兩式中的VCE和IC即為輸出的靜態工作點。   ?。?) 飽和條件    在共射電路中的飽和條件與共基電路稍有不同,在共基電路中,VCE《0會進入飽和,而在共射電路中,只要VCE《VCEsat(一般我們常近似取為0.3V),晶體管就會進入飽和。因此,我們可以算出此時的集電極飽和電流ICsat,        當共射電路的進入飽和時,輸入端IB的繼續增大不會使輸出電流IC繼續增大,雖然不會像共基電路那樣損壞晶體管,但會使基極電流IB與射極電流IC之間的放大倍數小于原來的β參數。   ?。?) 固定偏置的缺點    固定偏置的優點是:結構簡單、概念清晰。但是我們一般很少將固定偏置電路直接應用于實際設計,原因在于固定偏置電路有一個致命的缺點:就是工作點不穩。    前面曾經說過,由于半導體器件加工工藝的限制,一般參數都會偏離標準值,比如對某個BJT來說,放大系數β在50~200范圍內都算正常,整整差了4倍。那么根據上式:        同樣的電路,輸出靜態電流IC就會差整整4倍,輸出靜態電壓VCE也會有較大范圍的變化,由此帶來的電路功耗、放大倍數等一系列性能也會跟著變化,這樣不穩定的性能是無法在實際產品中使用的。    2. 改進的固定偏置   ?。?) 負反饋的作用    在固定偏置的發射極增加一個射極電阻RE,可以大大提高電路的穩定性,如下圖所示,這種形式的電路也可以稱為射極偏置(emitter-bias Configuration):        圖 3-6.04    這種設計稱為“負反饋”設計,負反饋設計是一個很龐大的話題,這里你可以先簡單將其理解為:負反饋結構的電路本身有一種穩定作用,當某種非正常因素(比如β值偏移,溫度影響等等)導致電路工作點偏移時,負反饋結構會迫使電路工作點回向正常值方向移動,從而減小偏移值,提高穩定性。    我們這里先粗略定性地看一下射極電阻RE對提高電路穩定性的作用:   ?。?)當放大系數β增大導致IC增大時,流過RE的電流IE也會增大,由此會導致E點的的電壓VE升高。   ?。?)當VE升高,由于VBE保持固定值0.7V不變,因此結果導致B點電壓VB升高。   ?。?)VB升高,但VCC不變,由此導致RB兩端的壓降減小,從而導致輸入電流IB減小。   ?。?)IB的減小最終會導致IC的減小,抑制了前面因β增大導致IC增大的效應,因此提高了電路的穩定性。    當然,如果你若要深究的話,又會發現:IC的減小會導致IE的減小,再導致VE的減小和VB的減小,然后又使得IB增大……那么,究竟哪個對最終結果的影響力更大些?這個就需要下面的定量分析了。   ?。?) 靜態工作點分析        圖 3-6.05    ● 先看輸入回路:    輸入回路的關系式為:        解得:        ● 再看輸出回路:    當BJT工作于放大區時:        輸出回路的關系式為:        為簡化計算,設IE≈IC,最終解得:        ● 關于簡化運算的說明:    這里你可能還有一點小疑惑,為什么在輸入回路中,不把(1+β)簡化成≈β,不去掉那個1?而在輸出回路中,卻做了IE≈IC?的簡化,去掉了那個1呢。其實理由很簡單:輸入回路的計算式中,即便留著那個1,計算起來也不麻煩,所以就放著了。而在輸出回路的計算式中,留著那個1算起來稍微有點麻煩了,所以就把它給去掉了。    聽著是不是很隨意呢?其實這就是工程中模擬電路的魅惑點所在。因為實際的模擬電路要面臨很多的不確定參數的影響(比如,常規使用的電阻都是5%的誤差等級的;BJT等半導體器件的參數甚至會有50%以上的偏差;受溫度影響,很多參數也會偏)。你辛辛苦苦算出來的精確解,僅一個5%的電阻阻值偏差就可以把結果給帶偏。所以,太精確的計算有時并不是很必要,很多計算都可以作簡化。那么,究竟對哪些部分可以做簡化,哪些部分不作簡化呢?這個在很大程度上取決于設計者本人的經驗(或者說直覺)。    所以,有時你可以看到在一些不同的模電教材上,對于同樣形式的電路,不同的作者會給出稍微有點不同的公式,這個是因為他們各自取的簡化點不同。但是,分析原理肯定都是一樣的,而且他們的結果也都是可用的。這個隨著你本人經驗的增長,就會理解他們各自的做法了。    案例3-6-1: 在下圖中,計算當β=50和β=200時的IB, IC, VCE,并進行比較。        解: (1)當β=50時:        假設BJT工作于放大區:        再來求VCE:        驗證:VCE1 》 VCESat,說明前面關于BJT工作于放大區的假設正確。   ?。?)當β=200時:        假設BJT工作與放大區:        再來求VCE:        驗證:VCE2 》 VCESat,說明前面關于BJT工作于放大區的假設正確。   ?。?)比較:    當β1和β2相差4倍時:        IC1和IC2只相差2.5倍,說明反饋電阻RE確實改善了電路的穩定性。    另外,當β=200時,VCE2僅比飽和閾值VCESat (0.7V)大一點點,已處于放大區的邊緣,還可以勉強工作。若是沒有反饋電阻RE,BJT會早早地就進入飽和區,而不能起正常放大作用了。   ?。?) 飽和條件    當VCE《VCESat時,晶體管進入飽和區。因此,我們可以算出此時的集電極飽和電流ICsat,        當IC》ICsat時,晶體管進入飽和。xz

同樣的電路,輸出靜態電流IC就會差整整4倍,輸出靜態電壓VCE也會有較大范圍的變化,由此帶來的電路功耗、放大倍數等一系列性能也會跟著變化,這樣不穩定的性能是無法在實際產品中使用的。

2. 改進的固定偏置

(1) 負反饋的作用

在固定偏置的發射極增加一個射極電阻RE,可以大大提高電路的穩定性,如下圖所示,這種形式的電路也可以稱為射極偏置(emitter-bias ConfiguraTIon):

圖 3-6.04

這種設計稱為“負反饋”設計,負反饋設計是一個很龐大的話題,這里你可以先簡單將其理解為:負反饋結構的電路本身有一種穩定作用,當某種非正常因素(比如β值偏移,溫度影響等等)導致電路工作點偏移時,負反饋結構會迫使電路工作點回向正常值方向移動,從而減小偏移值,提高穩定性。

我們這里先粗略定性地看一下射極電阻RE對提高電路穩定性的作用:

(1)當放大系數β增大導致IC增大時,流過RE的電流IE也會增大,由此會導致E點的的電壓VE升高。

(2)當VE升高,由于VBE保持固定值0.7V不變,因此結果導致B點電壓VB升高。

(3)VB升高,但VCC不變,由此導致RB兩端的壓降減小,從而導致輸入電流IB減小。

(4)IB的減小最終會導致IC的減小,抑制了前面因β增大導致IC增大的效應,因此提高了電路的穩定性。

當然,如果你若要深究的話,又會發現:IC的減小會導致IE的減小,再導致VE的減小和VB的減小,然后又使得IB增大……那么,究竟哪個對最終結果的影響力更大些?這個就需要下面的定量分析了。

(2) 靜態工作點分析

圖 3-6.05

● 先看輸入回路:

輸入回路的關系式為:

解得:

● 再看輸出回路:

● 關于簡化運算的說明:

這里你可能還有一點小疑惑,為什么在輸入回路中,不把(1+β)簡化成≈β,不去掉那個1?而在輸出回路中,卻做了IE≈IC?的簡化,去掉了那個1呢。其實理由很簡單:輸入回路的計算式中,即便留著那個1,計算起來也不麻煩,所以就放著了。而在輸出回路的計算式中,留著那個1算起來稍微有點麻煩了,所以就把它給去掉了。

聽著是不是很隨意呢?其實這就是工程中模擬電路的魅惑點所在。因為實際的模擬電路要面臨很多的不確定參數的影響(比如,常規使用的電阻都是5%的誤差等級的;BJT等半導體器件的參數甚至會有50%以上的偏差;受溫度影響,很多參數也會偏)。你辛辛苦苦算出來的精確解,僅一個5%的電阻阻值偏差就可以把結果給帶偏。所以,太精確的計算有時并不是很必要,很多計算都可以作簡化。那么,究竟對哪些部分可以做簡化,哪些部分不作簡化呢?這個在很大程度上取決于設計者本人的經驗(或者說直覺)。

所以,有時你可以看到在一些不同的模電教材上,對于同樣形式的電路,不同的作者會給出稍微有點不同的公式,這個是因為他們各自取的簡化點不同。但是,分析原理肯定都是一樣的,而且他們的結果也都是可用的。這個隨著你本人經驗的增長,就會理解他們各自的做法了。

案例3-6-1: 在下圖中,計算當β=50和β=200時的IB, IC, VCE,并進行比較。

解: (1)當β=50時:

IC1和IC2只相差2.5倍,說明反饋電阻RE確實改善了電路的穩定性。

另外,當β=200時,VCE2僅比飽和閾值VCESat (0.7V)大一點點,已處于放大區的邊緣,還可以勉強工作。若是沒有反饋電阻RE,BJT會早早地就進入飽和區,而不能起正常放大作用了。

(3) 飽和條件

當VCE《VCESat時,晶體管進入飽和區。因此,我們可以算出此時的集電極飽和電流ICsat,

當IC》ICsat時,晶體管進入飽和。

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晶體管與CMOS邏輯接口的作用介紹,電路圖解析

PowerMOSFET在變頻器電路中如何起續流保...

PowerMOSFET有三個極,即源極(S)、漏極(D)和柵極(G)??刂菩盘枴癎S加于柵極和源極之....
發表于 2020-07-10 14:47? 329次閱讀
PowerMOSFET在變頻器電路中如何起續流保...

二極管補償性鉗位電路和抗飽和技術

在高壓雙極型開關晶體管中,“下降時間”(關斷沿的速度或者dv/dt)主要由基極驅動關斷電流特性曲線的....
發表于 2020-07-10 12:29? 69次閱讀
二極管補償性鉗位電路和抗飽和技術

FPGA技術呈現的4個主要的發展動向

縱觀數字集成電路的發展歷史,經歷了從電子管、晶體管、小規模集成電路到大規模以及超大規模集成電路等不同....
發表于 2020-07-10 10:49? 163次閱讀
FPGA技術呈現的4個主要的發展動向

請各位大師幫我看看這個是什么型號的晶體管,什么參數

發表于 2020-07-06 12:37? 323次閱讀
請各位大師幫我看看這個是什么型號的晶體管,什么參數

單極型晶體管的工作原理和特點

  單極型晶體管也稱場效應管,簡稱FET(FieldEffectTransistor)。它是一種電壓控制型器件,由輸入電壓產生的...
發表于 2020-06-24 16:00? 485次閱讀
單極型晶體管的工作原理和特點

功率晶體管和開關二極管的應用技巧

功率晶體管和開關二極管的應用技巧
發表于 2020-05-18 08:45? 226次閱讀
功率晶體管和開關二極管的應用技巧

光電式車速傳感器如何識別與檢測

光電式車速傳感器的識別與檢測
發表于 2020-04-30 06:25? 179次閱讀
光電式車速傳感器如何識別與檢測

四通道智能高側電源開關BTS4130QGA

BTS4130QGA的典型應用電路是四通道智能高側電源開關。它嵌入在PG-DSO-20-32封裝中,提供保護功能和診斷...
發表于 2020-04-17 10:09? 371次閱讀
四通道智能高側電源開關BTS4130QGA

16mΩ雙通道智能高側電源開關BTS5016-2EKA

BTS5016-2EKA的典型應用電路是一個16mΩ雙通道智能高側電源開關,嵌入PG-DSO14-40 EP,裸露焊盤封裝...
發表于 2020-04-17 10:09? 472次閱讀
16mΩ雙通道智能高側電源開關BTS5016-2EKA

3D晶體管有什么作用?

其實早在2002年Intel即發現了這一技術,一直處于試驗演示階段,現在終于把它變成了現實,Intel打算把它融入到22nm的...
發表于 2020-04-07 09:01? 246次閱讀
3D晶體管有什么作用?

SDB628 絲印B628** 輸入2V-24V輸出高達28V電流模式IC

SDB628是一款超小封裝高效率、直流升壓穩壓電路。輸入電壓范圍可由低2V伏特到24伏特,升壓可達28V可調,且內部集...
發表于 2020-04-02 15:00? 349次閱讀
SDB628 絲印B628**  輸入2V-24V輸出高達28V電流模式IC
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