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电路设计中使用三极管需要注意的6个问题

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发表于 2021-7-15 09:54 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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本帖最后由 hope123 于 2021-7-15 09:57 编辑
& |) h- X( @9 S" U% p/ ]! ]; c, ~3 ]9 r% }
按照现代的制造工艺来说,根据不同的掺杂方式在同一个硅片上制造出三个掺杂区域,并形成两个PN结,由此就构成了一个晶体管
, h/ ^" f0 |* R4 w
$ e! q+ T( ~* z/ ?" Y8 N, p) G
& ^( z" Y+ ]& A

" `6 H) k3 r# m* b. G. ?% H# K% R晶体管最大的优点就是能够放大信号,它是放大电路的核心元件,能够控制能量的转换,将输入的任何微小变化量不失真地进行放大输出。
; ~. I  q8 y0 W8 s9 D7 S6 a- Y: b4 w; |
以下是我们在电路设计中使用三极管时需要注意的几个问题,还是老样子——“看图说话”:# d/ q! a- l7 H9 b" G
9 X9 A) U) Q4 k
(1)需注意旁路电容对电压增益的影响:
# _. b$ V1 v' K9 D+ {0 ~
$ z( H& x& a% \9 V( `/ J5 n3 w4 Y! u$ N- b1 N# _- U& M: s% t4 U6 {" _

$ g, K) O* v4 |6 W3 b, Y$ b1 s" E0 J* S1 \
这个电路在国内各种模拟电路教材书上是司空见惯的了,也算比较经典的了。由于这个旁路电容的存在,在不同频率环境中会有不同的情况发生:- M/ {0 M3 N4 o$ v2 G+ V* Y, Y

( G8 e. ^7 `; L/ Ma、当输入信号频率足够高时,XC将接近于零,即射极对地短路,此时共射的电压增益为:        $ ]4 G5 n$ I/ G7 \4 U% C8 z0 m

$ [, D- _3 s# }/ a2 s# ^
* D; t6 x5 ~: C- W2 n! C

6 |+ y) _6 K4 w3 w+ n# @" X5 n* J1 j  ^: z+ C6 I
b、当输入信号频率比较低时,XC将远大于零,即相当于开路,此时共射的电压增益为:        
7 ]" z5 \3 E% v- T& t  Y& N+ G' J4 }) O
# i( X8 _0 R8 `' O0 a

* g/ O3 ]* w0 K+ A* t
0 S" V2 Z' K! L; C1 }由此可以看出,在使用三极管设计电路时需要掂量旁路电容对电压增益带来的影响。
( T9 V  u2 x+ u, [& r% ?# s$ h. @0 S+ z# L4 O( F$ R
(2)需注意三极管内部的结电容的影响:4 b7 w# E2 x9 f6 F5 e: J& `
, r. T# R- u- v3 J! h
由于半导体制造工艺的原因,三极管内部不可避免地会有一定容值的结电容存在,当输入信号频率达到一定程度时,它们会使得三极管的放大作用“大打折扣”,更糟糕的是,它还会因此引起额外的相位差。2 z$ V( n7 A. }, s! N' R
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( O2 j! B9 s( r1 P/ z3 R, S$ ]  J- ~9 H  t1 L
由于Cbe的存在,输入信号源的内阻RS和XCbe形成了一个鲜为人知的分压器,也可以看成是一个LPF,当输入信号的频率过高时,三极管基极的电位就会有所下降,此时电压增益就随之减小。3 E* }' S! |6 H/ Z+ M

! `5 y$ z( E5 A1 A1 l2 Tb、# Q6 j% e' m0 X+ P1 @6 h! R
2 D; `  x1 i- \0 T5 w
" T% Q' {' t) @
' F$ S  v3 m/ o# d7 Z! J9 l
& _5 ~5 b1 J! Q. v
由于Cbc的存在,当输入信号的频率过高时,Vout的一部分会经过Cbc反馈到基极,又因为此反馈信号和输入信号有180°的相位差,所以,这样也会降低基极的电位,电压增益也由此下降。
" P( H! P, R/ ^
, E7 C# E0 d. o! f(3)需明确把握三极管的截止频率:
9 K& t+ f2 h7 c9 S1 M  U+ h# T; L* H/ `1 B8 R4 N

" D6 j3 I: n* |
* a$ |# P) e6 w' Y8 g8 l

) m. }* G' U4 F  u( v/ x9 }8 ]" a: X这个电路图是一个等效过后的图,其中CL是集电极到发射极、集电极到基极之间的结电容以及负载电容的等效电容。当输入信号的频率达到
) ~( j6 R0 f2 q2 R7 T( @
& G# A& [( C. O8 A  H8 }4 p
& }: j2 m* L$ V& P- `

, Z1 m! k: x- k0 _9 C. V8 |! V1 f2 S
时,三极管的增益开始迅速下降。为了很好地解决这个问题,就得花心思把CL尽量减小,由此,fH就可以更高一些。首先我们可以在设计电路时特意选择那种极间电容值较小的三极管,也就是通常所说的RF晶体管;我们也可以减小RL的取值,但是这样的话得付出代价:电压增益将下降。9 Y7 i; h: r; M% O) |+ X

' f* s- I1 @3 r0 Y$ d4 ](4)三极管作为开关时需注意它的可靠性:2 n' @& h6 i& G' h

! H1 |9 E0 T7 U7 Z如同二极管那样,三极管的发射结也会有0.7V左右的开启电压,在三极管用作开关时,输入信号可能在低电平时(0.7V<Vin<2.4V)也会导致三极管导通,使得三极管的集电极输出为低电平,这样的情况在电路设计中是应该秒杀的。下图是解决这个问题的一个办法:
8 E7 N# C1 d$ c# T: C/ I5 ?3 g8 W( ~6 D! _' z
$ |$ K+ n  a. H. f. p- `6 P; b% [

; n: A! Q+ z% y) y" z
/ B8 ~, p  @5 K! _在这里,由于在基极人为接入了一个负电源VEE,这样即使输入信号的低电平稍稍大于零,也能够使得三极管的基极为负电位,从而使得三极管可靠地截止,集电极就将输出为我们所希望的高电平。
2 t. x9 y" ~" u; g! e3 J9 ?0 [, C2 m2 Q! n: `
(5)需要接受一个事实:三极管的开关速度一般不尽人意。
. Q1 ?6 F" j9 e3 }; V5 [0 S8 S
" S0 ?- U" e1 T) q  a; ^由前所述得知,器件内部结电容的存在极大地限制了三极管的开关速度,但是我们还是可以想出一些办法有效地改善一下它的不足的,下图就提供了一个切实可行的方法:0 J9 ?% ^1 c! t$ e; T
7 _! Y5 B% B$ H) k- o

, ^& ]. t. b, q; o+ d, G" Y, x' Y

# o4 x* G3 E: t+ F3 f
5 P- l, |% P" K* Z从图中可以看出,当输入信号的上升时间很小(信号频率很高)时,即dV/dt很大,则ZC很小,结果Ib非常大,以致三极管可以迅速地饱和或者截止,这自然也就提高了三极管的开关速度。+ l/ }4 O3 Z4 @# u# l' }0 J0 |% B

+ D8 B( _% {, @  `' S) ~(6)应该明白射极跟随器的原理:! ]  w1 W( _5 j; R4 M

/ `- k: \9 W0 r* m* e0 n# x- J# V$ x7 t7 A. j7 W
. q4 d5 d  @8 M7 L" M6 b5 ^

. V5 y. {3 H6 M+ a- P射极跟随器的一个最大好处就是它的输入阻抗很高,因而带负载能力也就加强了。但是在运用过程中还是得明白它的原理才行,否则可能会造成意外的“问题源”。下面介绍一下它的原理,对于这个电路而言,有如下方程式:
3 u0 Q7 r, q/ P% ]7 `2 V6 K0 [9 P$ [4 l& o
& ]& q7 R8 Q* |

5 I' c, K5 M+ \- {
# n# \" G: A# E& f# J由此可以看出,连接在发射极的负载阻抗在基极看起来就像一个非常大的阻抗值,负载也就容易被信号源所驱动了。
. {" b7 f/ R& R3 p( j7 ~  [6 m' V: _0 w7 ]/ y4 W
这篇博文中主要是以共射电路为例来说明问题,以上所说的几个问题只能当是“管中窥豹”了,因为三极管的使用注意事项实在太多,并非一篇博文能够涵盖得了的, 况且要好好把握三极管这个器件也并非易事,但是如果我们在实践中有意识地不断去体会、不断去总结的话,三极管也将会为我们所熟用的。
4 k2 m# Q4 ]' V

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发表于 2021-7-15 11:05 | 只看该作者
晶体管最大的优点就是能够放大信号,它是放大电路的核心元件,能够控制能量的转换,将输入的任何微小变化量不失真地进行放大输出。

点评

是的,晶体管最大的优点就是能够放大信号。[/backcolor]  详情 回复 发表于 2021-7-15 14:56

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发表于 2021-7-15 14:48 | 只看该作者
连接在发射极的负载阻抗在基极看起来就像一个非常大的阻抗值,负载也就容易被信号源所驱动了。

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 楼主| 发表于 2021-7-15 14:56 | 只看该作者
plug 发表于 2021-7-15 11:05% S1 t4 f4 [& r$ z
晶体管最大的优点就是能够放大信号,它是放大电路的核心元件,能够控制能量的转换,将输入的任何微小变化量 ...
2 Q0 j1 j- x; E' F: a! e
是的,晶体管最大的优点就是能够放大信号。1 O: b1 O" T/ Z8 O1 }5 T* ?
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