初級模擬電路：3-3 共基組態

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      在這一小節中，咱們詳細分析BJT的共基組態電路。在BJT的共基組態中，「輸入端口」和「輸出端口」共用BJT的基極端子（故稱爲「共基」），造成一個雙端口網絡，以下圖所示：

圖 3-3.01 

      不管是npn型仍是pnp型，下式老是成立的，這是咱們後面分析的基礎公式：

      在後面的分析中，咱們都將以npn型晶體管爲例進行分析；pnp的分析方法實際上是同樣的，只是電流方向相反而已。

      在上面圖3-3.01的雙端口網絡中，咱們有四個參數要研究（V_BE, I_E, V_CB , I_C），理論上講，必須固定其中一組電壓與電流，才能對剩下的一組電壓和電流畫伏安特性曲線。可是因爲BJT有一個端子被輸入輸出端口共用，因此實際上只有2個自變量。咱們如下圖舉例：

圖 3-3.02 

      上圖中，只有V_EE和V_CC是自變量，I_E和I_C都是應變量。好比，咱們只要固定了V_CC，就能夠經過變化V_EE，來研究I_E-V_EE之間的伏安關係。換句話說，某個端口的電流徹底由輸入和輸出兩個端口的電壓來控制（這種控制就是BJT的基本做用）。此時，I_C的值也徹底由V_EE和V_CC決定，咱們在研究I_E-V_EE伏安關係時，能夠不關心I_C的值。

      再好比，咱們也能夠調整V_EE使I_E爲固定值，而後經過變化V_CC，來研究I_C-V_CC之間的伏安關係，以下圖所示：

圖 3-3.03 

      此時，咱們調整V_EE的主要目的是爲了使I_E固定，V_EE徹底可由I_E肯定，咱們在研究I_C-V_CC伏安關係時，能夠不關心V_EE的值。

 

1.   輸入特性

      共基組態型電路的輸入特性（input characteristics）是指：在必定的輸出電壓V_CB下，輸入電壓和輸入電流之間的關係（即：V_BE-I_E伏安關係）。

      共基組態電路的輸入特性伏安特性圖以下圖所示：

圖 3-3.04 

      從上圖中咱們能夠看到，V_BE-I_E的伏安曲線與二極管特性曲線很類似。並且能夠看到，不一樣的集電結偏置電壓V_CB對於輸入特性的影響很是小，幾乎能夠忽略。甚至咱們能夠將它像二極管同樣做分段近似，以下圖所示：

圖 3-3.05 

      上圖能夠理解爲：當BJT在「導通」狀態時，無論射極電流I_E如何變化，V_BE的值固定在0.7V左右，所以I_E的大小實際由電路的其餘部分控制。這個結論不僅在共基組態成立，在BJT的其餘組態中也是成立的。

 

2.   輸出特性

      共基組態型電路的輸出特性（output characteristics）是指：在必定的輸入電流I_E下，輸出電流與輸出電壓的關係（即：V_CB-I_C伏安關係）。

      共基組態電路的輸出特性伏安特性圖以下圖所示：

圖 3-3.06 

      上圖中咱們能夠看到，輸出伏安特性曲線圖分爲3個區域，分別是：放大區、截止區、飽和區，下面咱們分別進行詳細描述：

 

（1） 放大區

      放大區（active region）是圖中綠色部分，佔據曲線圖的大部分面積。當共基組態電路的：發射結正偏、集電結反偏時（就是咱們前面分析過的最經常使用的偏置組合），伏安曲線就處於放大區。

      對於放大區範圍內的伏安特性曲線，咱們能夠看出如下2個特性：

      ① 在放大區範圍內伏安曲線看上去幾乎水平，這說明V_CB對集電極電流I_C幾乎沒有什麼影響。

      ② 對於每個特定發射極電流I_E，集電極電流I_C幾乎就等於I_E，即：I_E ≈ I_C

 

（2） 截止區

      截止區（cutoff region）是圖中紅色區域部分。當共基組態電路的：集電結反偏、發射結偏置電壓爲0或反偏時，發射極電流I_E≤0， 伏安曲線就處於截止區。

      其偏置狀況用下圖進行說明：

圖 3-3.07 

      當發射結偏置電壓爲0（即：發射結開路）時，如上左圖所示，I_E=0。當發射結反偏時，如上右圖所示，此時發射結中只有微弱的反偏漏電流經過，I_E<0。在這兩種狀況下，發射區都再也不會有自由電子注入集電極，所以，集電極電流I_C僅由集電結反偏電壓V_CB產生，數值爲極其微小（納安級）的反向漏電流I_CBO，可近似認爲是0。 只要不擊穿，V_CB的變化對I_CBO幾乎無影響。

      所以，在I_E≤0的區域，集電極電流I_C都是一條數值爲 0的水平直線。

 

（3） 飽和區

      飽和區（saturation region）是圖中橙色部分。至於爲何叫做「飽和「，等咱們後面講完放大器的交流分析後，你就明白飽和是什麼意思了，這裏暫且不表。當共基組態電路的：發射結正偏，集電結也正偏（V_CB<0）時，伏安曲線就處於飽和區。

      其偏置狀況用下圖進行說明：

圖 3-3.08 

      上面左圖中，集電結外加的正偏電壓較小，這個集電結偏置電壓會產生一個偏置電場，疊加在原來集電結耗盡層自身的內置電場上（圖中未畫出），這個偏置電場會對發射極運動過來的自由電子產生一個阻力，使發射極衝到集電極的自由電子數量減小，在伏安曲線上表現出來就是：隨着集電結正偏電壓增大（即V_CB<0的部分），I_C迅速減少。

      當集電結正偏電壓大到必定程度時時，如上面右圖所示，此時已經沒有自由電子能突破這個阻力來到集電極了，發射極偏置不能再產生集電極電流I_C了。此時，集電結就像一個普通二極管那樣，產生正偏電流（這個電流同原來定義的I_C方向相反，故爲負），在伏安曲線圖上表現出來就是：當V_CB<-0.7V時，I_C<0，而且在負方向上急速增大。

 

3.   參數α

      參數α（阿爾法）只能由共基組態電路來定義，咱們將圖3-2.05重畫於下：

圖 3-3.09 

      在上圖中，咱們定義直流參數α_dc爲：「I_C中的多子電流份量」與I_E的比值。用公式表示即爲：

      再定義交流參數α_ac爲：當V_CB不變時，「集電極電流微小相對變化」與「發射極電流的相應微小變化」的比值（注意到當V_CB不變時，I_CBO不變，故ΔI_C多子=ΔI_C總）。用公式表示即爲：

      交流參數α_ac一般稱爲共基放大係數（common-base amplification factor）。大多數狀況下，直流參數和交流參數的大小很是接近，能夠相互通用。對於實際器件，通常α的典型值在0.9～0.998之間。目前咱們暫時還用不到參數α，這裏只是順帶了解一下，到下一章講BJT的交流分析時，將會看到參數α的用處。

 

4.   擊穿區域

      在前面圖3-3.06的輸出特性伏安曲線圖上， V_CB不能無限制增大，當V_CB超過某一閾值後，集電極電流I_C會急速增加。就像普通二極管的反向擊穿同樣，集電結的反偏電壓若是太大，也會發生反向擊穿。以下圖所示：

圖 3-3.10 

      在圖中咱們能夠看到，因爲在不一樣的I_E條件下，擊穿電壓值略有不一樣，因此咱們選取I_E=0（即：發射結開路）條件下的集電結反向擊穿電壓值做爲參數，記做V_(BR)CBO，「O」的意思是指發射結開路（open）。

     

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（ end of 3-3 ）