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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 2021-7-21 09:56 | 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 turth 于 2021-7-21 10:05 编辑
2 S7 m/ V5 g4 c2 V9 r- W5 d0 I0 R, l  @6 l
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
7 o: h4 E9 L  u+ E! O' h$ P

4 f! l- x; V7 H1 }# z+ H

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0 [: L" ]5 i  E+ A
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。
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# W7 m4 L' G' _

7 i, O/ c0 H6 H. i
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”:

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% d+ }! ]( P& ^) l% w6 F
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(1)需注意旁路电容对电压增益的影响:

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* l" C. l# i4 h4 N8 a6 r. U6 y2 l

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5 z+ d- f" e$ Z" x7 n) T  U* P5 M1 M
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:

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# R' A6 V) W9 ?% B9 J, q# S0 E

3 @8 `5 W$ N7 c+ V4 R
a、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:        
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; V2 m- B4 E6 w& ^' |- ]. M
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:        
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  C, n5 R0 K% F

3 g6 ~# Y% [) I2 G

8 Z3 U& \3 y: K# R+ o  v
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+ W' }5 [2 D6 K/ o' S- j

! w" x2 u  @( |+ f6 O
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。

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5 b2 v* \9 R! `, _
# c& o. _* X( p, C, x
(2)需注意三极管内部的结电容的影响:

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" `" A/ V9 z& ^, F& x

( O. v, l, K9 s" }: f/ j9 a. Y6 e
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。
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( Y) {6 Z5 n- E( g* Y

$ a7 c. i! ]( D. @% F
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。

( V  J1 j+ i' j$ v$ R" B1 G: k

7 E7 h5 j* g# y: R6 x
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  V( E4 D$ g8 l: t
8 C8 I% a. A4 l; M' s
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。

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4 O3 {( @; |& p1 o; C9 H
(3)需明确把握三极管的截止频率:

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7 k. y, O2 w5 D+ k7 x/ Q  a0 L
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
: b6 ^& D- A. q( Z
3 W/ e: R" y/ o8 l+ Z6 L3 r

9 G6 v1 _; L+ h( p5 `( g
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& V; I2 ~8 _3 n# n& I* G

& }3 f" X! u( g4 l
9 Y6 l2 `: k/ g8 {
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。

) D1 [! s( q: r7 y1 A$ c3 J

% Y! Y0 w+ C: |6 ]9 b, z7 Y
  i) ~* R) a( C& H+ w  _
(4)三极管作为开关时需注意它的可靠性:
7 W. h/ q/ a/ i8 p+ ?* b
1 B2 j0 f+ l' V1 k6 b" R/ L. R& @8 n

  P5 Z7 E4 @: u& V3 D- S; P
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:
% j; r  S# \3 b3 s+ z

" Z9 K& O7 p$ M" d: P. q; V
" u% k$ Z. K! p/ h- C% l2 S1 S5 G

) t; a, U$ F+ U2 \

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) [9 ]$ `. e9 W
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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。

( Q5 G, V2 {* f$ `4 H

# d( v3 R# i. l: @! @1 k

) y# j/ n* j# s) H* G) v# x6 A
(5)需要接受一个事实:三极管的开关速度一般不尽人意。

9 v1 J( k9 F) o5 g$ f2 V
; g( H6 `0 ?7 b$ Y5 w2 \- }2 H

; I; F; x: s( A- p. ], ^2 v
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:

" F* T# W3 z3 {; x/ J* A6 b# v

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5 c$ @# k$ g! N" `& ^" q3 \) h

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( T2 W$ B# v7 g; w" Q) z0 E

$ I6 N; |; k3 j$ X" u7 ?; t
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。
2 t! B0 ?6 G# F
) R/ h( S9 J  j* X  A- x. u

$ j6 \4 k7 [! r* h
(6)应该明白射极跟随器的原理:

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1 w$ t# r/ e1 L4 C3 L9 c6 d# X2 s

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3 n  T4 f) @( ?1 H
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:
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4 Q; `3 k; ]$ V2 A
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。
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3 l$ x* ~: {9 J

& x) n2 i" n9 I
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。
* o8 y7 P/ f; z% A  G* M

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2#
发表于 2021-7-21 13:23 | 只看该作者
嗯嗯,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。

该用户从未签到

3#
发表于 2021-7-21 17:23 | 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。
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