按照現代的製造工藝來說,根據不同的摻雜方式在同一個矽片上製造出三個摻雜區域,並形成兩個PN結,由此就構成了一個電晶體。
電晶體最大的優點就是能夠放大信號,它是放大電路的核心元件,能夠控制能量的轉換,將輸入的任何微小變化量不失真地進行放大輸出。
以下是我們在電路設計中使用三極體時需要注意的幾個問題:
(1)需注意旁路電容對電壓增益的影響:
這個電路在國內各種模擬電路教材書上是司空見慣的了,也算比較經典的了。由於這個旁路電容的存在,在不同頻率環境中會有不同的情況發生:
a、當輸入信號頻率足夠高時,XC將接近於零,即射極對地短路,此時共射的電壓增益為:
b、當輸入信號頻率比較低時,XC將遠大於零,即相當於開路,此時共射的電壓增益為:
由此可以看出,在使用三極體設計電路時需要掂量旁路電容對電壓增益帶來的影響。
(2)需注意三極體內部的結電容的影響:
由於半導體製造工藝的原因,三極體內部不可避免地會有一定容值的結電容存在,當輸入信號頻率達到一定程度時,它們會使得三極體的放大作用「大打折扣」,更糟糕的是,它還會因此引起額外的相位差。
由於Cbe的存在,輸入信號源的內阻RS和XCbe形成了一個鮮為人知的分壓器,也可以看成是一個LPF,當輸入信號的頻率過高時,三極體基極的電位就會有所下降,此時電壓增益就隨之減小。
由於Cbc的存在,當輸入信號的頻率過高時,Vout的一部分會經過Cbc反饋到基極,又因為此反饋信號和輸入信號有180°的相位差,所以,這樣也會降低基極的電位,電壓增益也由此下降。
(3)需明確把握三極體的截止頻率:
這個電路圖是一個等效過後的圖,其中CL是集電極到發射極、集電極到基極之間的結電容以及負載電容的等效電容。當輸入信號的頻率達到時,三極體的增益開始迅速下降。為了很好地解決這個問題,就得花心思把CL儘量減小,由此,fH就可以更高一些。首先我們可以在設計電路時特意選擇那種極間電容值較小的三極體,也就是通常所說的RF電晶體;我們也可以減小RL的取值,但是這樣的話得付出代價:電壓增益將下降。
(4)三極體作為開關時需注意它的可靠性:
如同二極體那樣,三極體的發射結也會有0.7V左右的開啟電壓,在三極體用作開關時,輸入信號可能在低電平時(0.7VVin2.4V)也會導致三極體導通,使得三極體的集電極輸出為低電平,這樣的情況在電路設計中是應該秒殺的。下圖是解決這個問題的一個辦法:
在這裡,由於在基極人為接入了一個負電源VEE,這樣即使輸入信號的低電平稍稍大於零,也能夠使得三極體的基極為負電位,從而使得三極體可靠地截止,集電極就將輸出為我們所希望的高電平。
(5)需要接受一個事實:三極體的開關速度一般不盡人意。
由前所述得知,器件內部結電容的存在極大地限制了三極體的開關速度,但是我們還是可以想出一些辦法有效地改善一下它的不足的,下圖就提供了一個切實可行的方法:
從圖中可以看出,當輸入信號的上升時間很小(信號頻率很高)時,即dV/dt很大,則ZC很小,結果Ib非常大,以致三極體可以迅速地飽和或者截止,這自然也就提高了三極體的開關速度。
(6)應該明白射極跟隨器的原理:
射極跟隨器的一個最大好處就是它的輸入阻抗很高,因而帶負載能力也就加強了。但是在運用過程中還是得明白它的原理才行,否則可能會造成意外的「問題源」。下面介紹一下它的原理,對於這個電路而言,有如下方程式:
由此可以看出,連接在發射極的負載阻抗在基極看起來就像一個非常大的阻抗值,負載也就容易被信號源所驅動了。
這篇博文中主要是以共射電路為例來說明問題,以上所說的幾個問題只能當是「管中窺豹」了,因為三極體的使用注意事項實在太多,並非一篇博文能夠涵蓋得了的,況且要好好把握三極體這個器件也並非易事,但是如果我們在實踐中有意識地不斷去體會、不斷去總結的話,三極體也將會為我們所熟用的。