初級模擬電路：3-5 共射組態

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      在這一小節中，咱們詳細分析BJT的共射組態電路，共射組態是BJT最經常使用的一種放大組態。在BJT的共射組態中，「輸入端口」和「輸出端口」共用BJT的射極端子（故稱爲「共射」），造成一個雙端口網絡，以下圖所示：

圖 3-5.01 

      咱們能夠將其畫成如下的PN結形式，來分析在共射組態電路鏈接的偏置下，載流子的流動狀況：

圖 3-5.02 

      咱們以上面左圖的npn爲例進行分析：在圖中，發射極結正偏，且使V_CC大於V_BB從而使得集電結反偏。

      先來看發射結得狀況：當發射結正偏時，發射區的自由電子大量進入基區，造成發射極電流I_E。因爲基區摻雜濃度很低，從發射區過來的自由電子只有很小一部分能與基區的空穴複合，而後在基區的價帶運動到基極端子，再經過導線回到電源V_BB的正極，從而構成基極電流I_B（通常爲微安級）。

      前面說過，基區一般作得很是薄，因此從發射區過來的大量剩餘的自由電子，會繼續向前運動穿過反偏的集電結，從而進入集電區，而後在電源V_CC正極的吸引下，在集電區的導帶運動到集電極端子，再經過導線回到電源V_CC的正極，從而構成集電極電流I_C。

      至於由基區的空穴運動構成的電流，因爲基極的摻雜濃度很低，對總電流的影響很小，故基極的空穴電流咱們就忽略不考慮了。

      從圖中能夠看到，在共射組態時，基礎公式仍然成立：

      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。

 

1.   輸入特性

      共射組態型電路的輸入特性（input characteristics）是指：在必定的輸出端電壓V_CE下，輸入電壓和輸入電流之間的關係（即：V_BE-I_B伏安關係）。

圖 3-5.03 

      從上圖中咱們能夠看到，V_BE-I_B的伏安曲線與二極管特性曲線很類似，只不過輸入電流的當量等級小了不少，爲微安級。並且和共基組態相似，不一樣的輸出端口電壓（這裏是V_CE）對於輸入特性的影響很是小，幾乎能夠忽略輸出端口電壓對輸入特性的影響。

      和共基組態同樣，共射組態的輸入特性也能夠像二極管那樣作分段近似：當小於0.7V時視爲截止，到達0.7V後視爲導通。

 

2.   輸出特性

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

      共射組態電路的輸出特性伏安曲線圖以下圖所示：

圖 3-5.04 

      在上圖中咱們能夠看到，輸出特性伏安曲線圖一樣分爲3個區域，分別是：放大區、截止區、飽和區。可是和共基組態的輸出特性曲線有幾點不一樣，咱們將二者的曲線圖並排放置於下，能夠看出有如下幾點不一樣：

圖 3-5.05 

      ● 在共射組態下，放大區的伏安曲線並不像共基組態那樣十分水平，而是有略微的傾斜；

      ● 共射組態的截止區再也不所有位於橫座標之下，而是位於橫座標之上的小塊區域；

      ● 共射組態的飽和區也再也不是輸出端口電壓小於0的區域，而是當輸出端口電壓V_CE小於某個閾值V_CEsat後，就進入飽和區。

      下面咱們對各個區域分別進行詳細描述：

 

（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。當共射組態電路的：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），輸出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再也不水平，這說明輸出端口電壓V_CE對集電極電流I_C會產生必定的影響。

      ② 對於每個特定基極電流I_B，都有一根對應的輸出特性伏安曲線。而且基極電流I_B爲微安級，而輸出電流I_C爲毫安級。

 

（2） 截止區

      截止區（cutoff region）是圖中紅色區域部分。按定義來說，就是發射結偏置電壓爲0或反偏，而集電結正偏的區域。與共基組態不一樣的是，因爲共射組態電路接法的特殊性，當基極電流I_B爲0，若集電結偏置使得V_CE大於0時，輸出電流I_C並不爲0，而是有一點略微的正值的。咱們將共射組態的電路以PN結的形式重畫於下：

圖 3-5.06 

      在上右圖中咱們能夠看到，發射結開路，使基極電流I_B爲0。但從總體來看，因爲中間的基極很是薄，整個三極管近似可視爲一個電阻很大的純N型半導體，只是中間稍微有點PN結的阻礙。當外加電壓V_CE加在其上時，會產生一個電流I_CEO（這裏「O」的意思是基極開路），這個電流比之前說的PN結反偏電流要大不少（大約0.1毫安級），通常不能忽略。

      所以，共射組態的截止區定義爲輸出電流I_C小於I_CEO部分的區域，即圖中紅色部分。也就是當I_B≤0時的輸出區域。

 

（3） 飽和區

      飽和區（saturation region）是圖中橙色部分。從定義上講，當共射組態電路的：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。咱們仍以PN結圖的形式來講明：

圖 3-5.07 

      當發射結正偏時，V_BE的大小通常爲0.7V左右。在上圖中，要使集電結正偏，V_CE的電壓就必須小於V_BE，當集電結開始正偏時，這個正偏電場會對發射極過來的電子產生一個阻力，使得從發射極過來的電子變少，表如今輸出伏安特性曲線上就是隨着V_CE的減少，I_C開始變小。當集電結正偏繼續增大到某一閾值後（即V_CE繼續減少到某一閾值後），發射極過來的電子會急劇減小（即I_C急劇減少）。在輸出特性曲線圖上，這個值標記爲V_CEsat（sat是「saturation」的簡寫，意思是「飽和」），這個V_CEsat的典型值通常爲0.1~0.3V左右。V_CE小於V_CEsat越多，集電結就正偏的越厲害，它對自由電子的阻礙就越大，I_C就越減少。

      所以，當發射結正偏時，V_CE若小於V_CEsat，咱們就說：共射電路進入了飽和區。

 

3.   參數β

      參數β通常由共射組態電路來定義，咱們將圖3-5.02重畫於下：

圖 3-5.08 

      在上圖中，咱們定義直流參數β_dc爲：電流I_C流與電流I_B的比值。用公式表示即爲：

      再定義交流參數β_ac爲：當V_CE不變時，「集電極電流微小變化」與「基極電流微小變化」的比值，用公式表示即爲：

      交流參數β_ac的正式名稱爲共射前向放大係數（common-emitter, forward-current, amplification factor）。大多數狀況下，直流參數β_dc和交流參數β_ac的大小很是接近，能夠相互通用。對於實際器件，通常β的典型值在50~400之間。

      在BJT的數據規格書上，一般用h_fe來表示β_ac參數，至於爲何叫h_fe，這個是根據電路理論的二端口混合參數進行定義的，咱們在下一章講BJT放大電路的交流分析時再講。

 

● 參數β和參數α的關係

      通常β參數的定義也能夠用於共基組態電路，所以根據前面α和β參數的定義，再加上電流總關係式，能夠推導出α和β參數之間的換算公式，咱們將三個關係式列於下：

      將這三個式子聯立進行計算，消去其中的I_E，I_B，I_C，最後可得：

      另外，還有一個從上式導出的關係式咱們也常常用到：

 

4.   擊穿區域

      和共基組態相似，在前面圖3-5.04的共射組態輸出特性伏安曲線圖上， V_CE不能無限制增大，當V_CE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 3-5.09 

      在圖中咱們能夠看到，擊穿電壓標記爲V_(BR)CEO，也有的教材或規格書中把它標爲BV_CEO的，基本都是一個意思。這張圖裏稍微有點怪異的地方是，當I_B很小時，I_C在擊穿區域內有一段是呈負電阻狀態，即：I_C增大但同時V_CE減少。這個是因爲「厄利效應」產生的，這裏咱們能夠先無論它。在設計電路參數時，只需注意不要讓BJT進入擊穿區域就能夠了。

     

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