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电路设计使用三极管需要注意的问题

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    [LV.1]初来乍到

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    发表于 2021-12-7 13:45 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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    x
    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
    9 g; b* Y8 a3 K' C  m/ g. u) E8 i, X, b/ O; n$ j7 @3 }; A( Z
    5 Q: p% B& l( b! L5 `  ]/ |

    ) O# O8 q. W# d0 H$ s! G) W/ U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。" E" y0 i4 K0 a
    3 U5 h% a$ _4 K% r: k
    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”:7 ~- y# C8 L: v( [
    * K* F7 t5 E- O6 a* M+ }$ l
    (1)需注意旁路电容对电压增益的影响:8 b. h' @' O0 E; b7 q
    - G/ g% l$ c' g# L8 A3 m/ c

    # R- S& j7 a! i: U' O0 z0 f4 Q
    ! J3 r+ q4 ^) }# k, Q5 B; @, G

    2 h" [. e' L- q# F4 z: Y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:
    : f8 R$ M* `& Z3 n9 c
    6 _0 P; t9 y! Y+ h. T# Ca、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:        
    3 @! @- r, y% t( Z$ P
    3 L( p, t; T, @8 D7 y# [
    0 k) U& H" I, q+ T8 @  S# G" l
    ' N& B; m' x2 Q
    / p- [. H; c5 G: G9 u
    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:          V2 Z6 [, y, y! ~9 X; }( j8 D+ z
    ' p$ P: ~. c5 L5 I0 ?- S0 W# G% Y

    - L$ S4 X$ G1 a$ U
    $ c8 {4 z0 U% S; C. a9 s

    ! w; W  }/ O9 t5 |  ?1 ~) q) I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。- e8 j! h7 f" o0 H; {# H4 ~
    $ [! q: d% Q( v5 k* I. l+ T
    (2)需注意三极管内部的结电容的影响:& a/ z+ X& D5 f/ U" n' {% e
    9 c2 [, c$ @" y" 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。
    / a6 ?9 i, `, J+ }# F& C+ z; ~1 J/ S8 I$ ?2 e0 M
    a、
    ' g+ d1 q  T; m7 o
    : W$ e# b: V5 b+ D2 j4 `( {
    * s+ |$ K. e1 L" O% {

    6 z; f$ l" M5 t  f$ N4 \1 \4 _# Q7 A+ `+ Q
    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。  g0 ^! J5 m! x7 F, p

    * ]) L: @* K2 Ab、
    * _- _: y! j6 P
    3 }( x/ R* U1 F4 H$ z) P$ d( \! U4 W$ c5 n

    , @2 ?1 C# w9 j) U5 c) I) U$ [* f3 o' p1 j+ b' `
    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。3 g3 m( G  F. n$ R$ }4 A
    0 \( j/ Z( D, X0 w- `1 h
    (3)需明确把握三极管的截止频率:
      J  S3 t. C  `, p$ C/ A  i$ h. w& u

    / Z4 ~( |5 K" _+ ?6 e

    * A3 d! \% t& Z+ U
    ! q+ f+ g5 }' b3 d4 ~0 I6 `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" R8 u1 X: L- V5 O

    * Z0 {. Z# t& t: L
    9 f$ {& Z- }  ^, i% b
    , [+ U) d( K) K9 u; K% b5 q6 b

    2 i1 ?8 m9 Q  I; a; ]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 r# h4 B( `+ L4 Q9 d* k$ R( Z: S8 F4 N5 N/ a
    (4)三极管作为开关时需注意它的可靠性:9 Q6 e. F8 B3 k+ ?. o: a+ e
    $ h! X# p9 s5 C0 L# y
    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:6 W* r" R8 g3 d
    8 Q. f! H& V& b, ]* G
    # e2 k8 y1 k1 _9 A& e, ?
    ' k- z- h( i0 T/ |8 K8 Y9 I5 M% @

    ; s* s$ @- ?, A6 H6 {0 S* g( ?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。. B$ T& }. [3 h5 H
    3 r6 P) `6 G( L
    (5)需要接受一个事实:三极管的开关速度一般不尽人意。
    / H, F" k# J/ Q* z, [; Q) R+ P: ?) i, l% s) X& i0 M' m" z/ U0 K
    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:
    2 O/ K$ D! W, E& q5 B
    5 a7 y; \$ `- \1 P. G4 n% [5 d3 }/ b' W' Z, u' U( V
    $ o; V; P( g* U6 L5 X, G4 O

    6 b% C# H, r1 l, ~  n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。! X/ v+ E. s1 G0 t1 ]
    ! \* n9 N/ q. a0 s4 c5 N
    (6)应该明白射极跟随器的原理:
    . F  d/ L' [" n$ Q
    1 a6 T$ j" [( A& w9 {& L0 `$ i( O/ S
      h7 E2 S7 k  {# D! D

    " \2 }- s# b$ Z8 i, _; w) Z* s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:
    ' S" \$ ^' \$ D- m. _3 \& e+ g
    / [  y4 y. d7 y1 M$ a; y: n9 A5 W) z" e; \' f3 ?
    - ]0 m$ M4 B8 v/ V; l. P

    2 Y2 g2 l0 N( _: m! d# h  p+ S/ i" q6 H
    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。0 h8 U: T1 B# }& a/ j' E$ d! [0 V  U
    ) `2 O, M0 W! U4 D* o
    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。# t* k9 V/ c+ }- w5 {8 p: l
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    2022-1-21 15:08
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    发表于 2021-12-7 14:42 | 只看该作者
    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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    发表于 2021-12-7 14:56 | 只看该作者
    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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    发表于 2021-12-7 16:06 | 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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