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电路设计使用三极管需要注意的问题

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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" t- I8 t4 T7 {' n' v
    & r& w7 E* S7 P. a0 A5 v9 w

    8 D1 g8 h! p: s8 ]. i7 L: o: X: _: b) q4 K- n
    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。- Y9 ~' U0 Q! U0 M3 i; F9 C. a, v( ?
    : H& ]3 u1 I6 @# R  C6 ]
    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”:
    / x. j7 g: S! R( H  {, o# t% l$ }; ?, ~
    (1)需注意旁路电容对电压增益的影响:6 ]6 @8 T$ Y. u
    # s* ^! @1 w- ]# {$ q

    # E5 B) Z' M5 U) J( Q; D# @

    : {: ~, i5 m+ W; w9 A5 B7 {* H
      }' n: U# f1 a" r: k$ v& @0 D! Q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:0 \* k2 V2 ?; [) @$ m% e
    " r4 D: e! S1 _8 Y! ~- n8 X& [/ m
    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:        8 l* Q# E" H2 G8 {0 M$ y5 [5 ?
    & [( g: C% d* Z, L, y# |
    ) G  s( A* k" e6 S* K  B1 _  x% H

    % t, z! Y* d: m7 L; F
    8 e& B. {. K4 @% gb、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:        1 n+ i4 S) \3 J1 ~: ~- |
    " h" }$ z' N) V2 A
    & A% n; ^8 j5 I2 c, I
    ; d- g" B7 M% n/ D# `8 b& U

    ) C: F, |' ?4 ~0 ?* `  R7 D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。
    ! w6 M! Z( @3 i! U+ v% @/ x0 C: V: x9 y
    (2)需注意三极管内部的结电容的影响:7 R+ {! i0 @$ `3 ?1 q4 X" _  |6 e
    ! p4 z/ j7 {* U7 X
    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。
    % F( b3 y+ b) {# Y1 W: Z! T* I5 c! `$ A
      M- }5 w/ e2 Y1 f6 b# r3 n7 I- |a、
    4 l6 I+ D4 t3 [- X& l  x4 M7 |9 r5 |  ~5 u$ B: [
    6 a# F% O) l( O) Z

    , h- S  D$ `4 g% [: Q  a
    4 u+ p! @/ O; U8 ]# t; U) m$ 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。& A) ]9 ?% K+ E% Y. ]& k3 {
    - a$ ^% N5 h  f2 f
    b、7 u0 M3 d0 m; h7 d' m- k5 ^

    6 J* @+ b4 Q$ x. _9 x+ {) R& ?) I" d  y
    ) K/ }1 l8 ^6 X3 o# e& e! p. V

    6 }, _4 B2 y1 G; ]; g$ E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。/ D% T  Q. ~0 ]1 x9 `6 G

    8 x% T7 E3 K1 w% H! b% v(3)需明确把握三极管的截止频率:( \* I3 k2 M2 o/ @/ y
    8 e. v" H, j; k; W4 T1 i

    , m0 Z8 o. a4 \3 U# L$ `

    ! b$ l) @% j1 L4 R+ ~
    ' d& }$ L& @. b2 e, V- O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/ p$ R  B+ ?" I3 u  f9 g% ~6 B  z8 [

    ) Q! i8 F/ f% f' C
    ( S6 ], E& N7 z! o+ `. G. X3 C

    * ]% l' t* e- C2 R1 {
    ' L; M% n# v3 t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 m- S( [# Q8 R- e3 G. ~- {
    " A* P: p* s" \& X(4)三极管作为开关时需注意它的可靠性:
    - z/ Q+ O5 V: \( n
    3 L& ~$ p, V8 Q. ~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 _) y2 |7 N3 i$ c6 T/ }
    ) q2 [4 `* C% s# F6 t

    / y7 B/ j. ?4 F5 f
    ; ]2 l3 A# R, @) L# t4 M# G% O

    / v, o0 Y. T3 W7 a1 p: h. 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。3 p; i$ _+ y9 W4 j  j, F8 J( ~

    2 _2 o+ u# T# ?( B, n/ u% W(5)需要接受一个事实:三极管的开关速度一般不尽人意。
    , w' F! W( [/ h/ H! H1 b. c' r- l' L: e8 I" l. ~
    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:
    " \% E* U. y7 u8 c4 _- l( T
    , a1 T( d0 v7 ?1 m" v, ^1 R; M+ S7 N2 r0 F

    & V* _6 b* R" J0 w9 Y# ^
    0 W  \% L. x3 W# \7 _0 O4 I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。
    7 i- W: K4 H0 W3 O2 Z' M7 X
    " {8 x0 |  O8 m; r/ p7 b: j; n9 j(6)应该明白射极跟随器的原理:
    4 @+ E, r5 K5 D# u( ?% |6 {3 Y' d8 U& \, t9 b" B
    : {# s! M5 G% x( M. ]3 r
    0 [. r% E( E" B" j) {( e
    - I/ [/ F/ h4 k% \
    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:
    - M! d/ r5 _- T) |* Y" c* O1 z+ H/ ^6 G6 d- Q( w( K
    ' d- c) B4 [* a, N0 x" j, F, r
    4 B( M* }" i2 S/ g; f  e! B

    ; Q5 W! h- h. x2 a) n( B# B, g( E5 J: A$ q; Z& Y! `, e$ t
    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。( Y# ?  e9 ~1 Y- _$ J# e9 Q) z$ G

    , V" B: |( ]9 v  e/ N9 E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。
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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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    3#
    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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    4#
    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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