放大器 - 快速指南

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材料 - 简介

自然界中的每种材料都具有某些特性。这些属性定义了材料的Behave。材料科学是电子学的一个分支，研究电子在各种材料或空间中在各种条件下的流动。

由于固体中Atomics的混合，不会形成单一能级，而是形成能级带。这些紧密排列的能级集合称为能带。

材料类型

价电子存在的能带称为价带，而导电子存在的能带称为导带。这两个能带之间的能隙称为禁能隙。

在电子领域，材料大致分为绝缘体、半导体和导体。

• 绝缘体- 绝缘体是由于禁隙较大而无法发生导电的材料。例如：木材、橡胶。

• 半导体- 半导体是禁带能隙很小的材料，如果施加一些外部能量就会发生传导。例如：硅、锗。

• 导体- 导体是这样的材料，其中当价带和导带变得非常接近且重叠时，禁止能隙消失。例如：铜、铝。

在这三种材料中，绝缘体用于需要电阻率的地方，而导体则用于需要高导电性的地方。半导体是人们对其使用方式产生特殊兴趣的半导体。

半导体

半导体是电阻率介于导体和绝缘体之间的物质。电阻率的性质并不是决定材料是否为半导体的唯一性质，但它具有以下几个性质。

• 半导体的电阻率小于绝缘体而大于导体。

• 半导体具有负温度系数。半导体的电阻随着温度的降低而增加，反之亦然。

• 当添加合适的金属杂质时，半导体的导电性能会发生变化，这是一个非常重要的性能。

半导体器件广泛应用于电子领域。晶体管取代了笨重的真空管，从而减小了设备的尺寸和成本，并且这场革命不断加快步伐，带来了集成电子产品等新发明。半导体可以如下分类。

极纯形式的半导体被称为本征半导体。但这种纯粹形式的传导能力太低了。为了增加本征半导体的导电能力，最好添加一些杂质。这种添加杂质的过程称为掺杂。现在，这种掺杂的本征半导体被称为非本征半导体。

添加的杂质通常是五价和三价杂质。根据杂质的这些类型，进行另一种分类。当纯半导体中添加五价杂质时，称为N型非本征半导体。同样，当纯半导体中添加三价杂质时，它被称为P型非本征半导体。

PN结

当电子离开它的位置时，就会在那里形成一个空穴。因此，空穴就是不存在电子。如果说电子从负极移动到正极，则意味着空穴从正极移动到负极。

上述材料是半导体技术的基础。添加五价杂质形成的N型材料，其多数载流子为电子，少数载流子为空穴。而添加三价杂质形成的P型材料，其多数载流子为空穴，少数载流子为电子。

让我们尝试了解一下当 P 和 N 材料连接在一起时会发生什么。

如果P型和N型材料彼此靠近，它们就会结合形成结，如下图所示。

P型材料以空穴作为多数载流子，N型材料以电子作为多数载流子。当异性电荷吸引时，P型中很少有空穴倾向于进入n侧，而N型中很少有电子倾向于进入P侧。

当它们都向结移动时，空穴和电子彼此重新结合以中和并形成离子。现在，在这个结中，存在一个形成正离子和负离子的区域，称为PN结或结势垒，如图所示。

P 侧形成负离子，N 侧形成正离子，导致 PN 结两侧形成狭窄的带电区域。该区域现在没有可移动的载流子。这里存在的离子是静止的，并且在它们之间保持一个空间区域，没有任何电荷载流子。

由于该区域充当 P 型和 N 型材料之间的势垒，因此也称为势垒结。这有另一个名称称为耗尽区域，意味着它会耗尽这两个区域。由于离子的形成，跨结处会产生电势差 V _D，称为势垒，因为它阻止空穴和电子通过结进一步移动。这种结构称为二极管。

二极管的偏置

当二极管或任意两端元件连接在电路中时，对于给定的电源，它具有两种偏置条件。它们是正向偏置条件和反向偏置条件。

正向偏置条件

当二极管连接在电路中时，其阳极连接到电源的正极端子，阴极连接到电源的负极端子，则这种连接被称为正向偏置条件。

这种连接使电路越来越正向偏置，有助于更好的传导。二极管在正向偏置条件下表现良好。

反向偏置条件

当二极管连接在电路中时，其阳极连接到电源的负极端子，阴极连接到电源的正极端子，则这种连接被称为反向偏置条件。

这种连接使电路越来越反向偏置，有助于最大限度地减少和防止导通。二极管不能在反向偏置条件下导通。

有了上面的信息，我们现在对什么是 PN 结有了一个很好的了解。有了这些知识，让我们在下一章继续学习晶体管。

晶体管 - 概述

了解单个 PN 结（或简单的二极管）的详细信息后，让我们尝试进行两个 PN 结连接。如果在单个PN结上添加另一种P型材料或N型材料，则会形成另一个结。这种结构简称为晶体管。

晶体管是一种三端半导体器件，可调节电流或电压并充当信号的开关或栅极。

晶体管的用途

• 晶体管充当放大器，必须增加信号强度。

• 晶体管还充当在可用选项之间进行选择的开关。

• 它还调节信号的输入电流和电压。

晶体管的结构细节

晶体管是一种三端固态器件，由两个二极管背对背连接而成。因此它有两个 PN 结。从其中存在的三种半导体材料中引出三个端子。这种类型的连接提供两种类型的晶体管。它们是PNP和NPN，分别表示介于两个P型之间的N型材料，另一种是介于两个N型之间的P型材料。

下图显示了晶体管的基本结构

从晶体管引出的三个端子表示发射极、基极和集电极端子。它们的功能如下所述。

发射器

• 上图所示结构的左侧可以理解为Emitter。

• 它具有适中的尺寸并且是重度掺杂的，因为其主要功能是提供许多多数载流子，即电子或空穴。

• 由于它发射电子，因此被称为发射器。

• 这仅用字母E表示。

根据

• 上图中中间的材质就是Base。

• 这是薄且轻掺杂的。

• 其主要功能是将多数载流子从发射极传递到集电极。

• 这由字母B表示。

集电极

• 上图中右侧的材质可以理解为一个Collector。

• 它的名字就暗示了它收集载体的功能。

• 它的尺寸比发射极和基极稍大一些。它是适度掺杂的。

• 这由字母C表示。

PNP和NPN晶体管的符号如下所示。

上图中的箭头表示晶体管的发射极。由于晶体管的集电极必须消耗更大的功率，因此它被做得很大。由于发射极和集电极的特定功能，它们不能互换。因此，在使用晶体管时始终要牢记端子。

在实用的晶体管中，发射极引线附近有一个凹口用于识别。PNP 和 NPN 晶体管可以使用万用表来区分。下图显示了不同的实用晶体管的外观。

到目前为止，我们已经讨论了晶体管的结构细节，但要了解晶体管的工作原理，首先我们需要了解偏置。

晶体管偏置

我们知道晶体管是两个二极管的组合，因此这里有两个结点。由于一个结位于发射极和基极之间，因此称为发射极-基极结，同样，另一个结称为集电极-基极结。

偏置是通过提供电源来控制电路的操作。两个 PN 结的功能是通过某些直流电源向电路提供偏置来控制的。下图显示了晶体管如何偏置。

看了上图就明白了

• N型材料提供负电源，P型材料提供正电源，使电路正向偏置。

• N型材料提供正电源，P型材料提供负电源，使电路反向偏置。

通过施加电源，发射极基极结始终处于正向偏置，因为发射极电阻非常小。集电极基极结反向偏置，其电阻稍高。在发射极结处，小的正向偏压就足够了，而在集电极结处必须施加高的反向偏压。

上述电路中所示的电流方向，也称为常规电流，是与电子电流相反的空穴电流的运动。

PNP晶体管的操作

PNP 晶体管的工作原理可以通过查看下图来解释，其中发射极-基极结正向偏置，集电极-基极结反向偏置。

电压V _EE在发射极提供正电势，其排斥P型材料中的空穴，并且这些空穴穿过发射极-基极结到达基极区域。空穴与 N 区自由电子重新结合的百分比非常低。这提供了构成基极电流I _B的非常低的电流。_剩余的空穴穿过集电极-基极结，构成集电极电流IC，即空穴电流。

当空穴到达集电极端子时，来自电池负极端子的电子填充集电极中的空间。该流量缓慢增加，少数电子电流流过发射极，其中进入V _EE正极端子的每个电子通过向发射极结移动而被空穴取代。这构成了发射极电流I _E。

因此我们可以理解 -

• PNP 晶体管中的传导是通过孔进行的。

• 集电极电流略小于发射极电流。

• 发射极电流的增加或减少会影响集电极电流。

NPN晶体管的操作

NPN 晶体管的工作原理可以通过查看下图来解释，其中发射极-基极结正向偏置，集电极-基极结反向偏置。

电压V _EE在发射极提供负电势，该负电势排斥N型材料中的电子，并且这些电子穿过发射极-基极结到达基极区域。在那里，电子与 P 区自由空穴重新结合的比例非常低。这提供了构成基极电流I _B的非常低的电流。剩余的空穴穿过集电极-基极结，构成集电极电流I _C。

当电子离开集电极端子并进入电池的正极端子时，来自电池V _EE的负极端子的电子进入发射极区域。该电流缓慢增加，电子电流流过晶体管。

因此我们可以理解 -

• NPN 晶体管中的传导是通过电子进行的。

• 集电极电流高于发射极电流。

• 发射极电流的增加或减少会影响集电极电流。

晶体管的优点

使用晶体管有很多优点，例如 -

• 高电压增益。
• 较低的电源电压就足够了。
• 最适合低功率应用。
• 体积更小、重量更轻。
• 机械强度比真空管更强。
• 不需要像真空管那样的外部加热。
• 非常适合与电阻和二极管集成生产IC。

存在一些缺点，例如由于功耗较低，它们不能用于高功率应用。它们具有较低的输入阻抗并且与温度相关。

晶体管配置

任何晶体管都有三个端子：发射极、基极和集电极。使用这 3 个端子，晶体管可以连接在一个电路中，其中一个端子以三种不同的可能配置为输入和输出共用。

三种类型的配置是公共基极、公共发射极和公共集电极配置。在每种配置中，发射结正向偏置，集电极结反向偏置。

公共底座 (CB) 配置

该名称本身意味着基极端子被视为晶体管输入和输出的公共端子。NPN 和 PNP 晶体管的公共基极连接如下图所示。

为了便于理解，让我们考虑 CB 配置中的 NPN 晶体管。当施加发射极电压时，由于它是正向偏置，来自负极端子的电子排斥发射极电子，并且电流流经发射极和基极到达集电极以贡献集电极电流。集电极电压V _CB在整个过程中保持恒定。

在 CB 配置中，输入电流为发射极电流I _E，输出电流为集电极电流I _C。

电流放大系数（α）

当集电极电压V _CB保持恒定时，集电极电流的变化（ΔI _C）与发射极电流的变化（ΔI _E ）之比称为电流放大系数。它用α表示。

$\alpha = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_E}$ 在恒定 V _CB下

集电极电流表达式

有了上述想法，让我们尝试画出集电极电流的表达式。

随着发射极电流的流动，还有一定量的基极电流I _B由于电子空穴复合而流经基极端子。由于集电极-基极结反向偏置，因此少数电荷载流子会产生另一种电流。_这就是漏电流，可以理解为Ileakage。这是由于少数电荷载流子，因此非常小。

到达集电极端子的发射极电流为

$$\alpha I_E$$

总集电极电流

$$I_C = \alpha I_E + I_{泄漏}$$

如果发射极-基极电压V _EB = 0，即使如此，也会有小的漏电流流动，这可以称为ICBO _（输出开路的集电极-基极电流）。

因此集电极电流可以表示为

$$I_C = \alpha I_E + I_{CBO}$$

$$I_E = I_C + I_B$$

$$I_C = \alpha (I_C + I_B) + I_{CBO}$$

$$I_C (1 - \alpha) = \alpha I_B + I_{CBO}$$

$$I_C = \frac{\alpha}{1 - \alpha}I_B + \frac{I_{CBO}}{1 - \alpha}$$

$$I_C = \left ( \frac{\alpha}{1 - \alpha} \right )I_B + \left ( \frac{1}{1 - \alpha} \right )I_{CBO}$$

因此，上面导出的是集电极电流的表达式。集电极电流的值取决于基极电流和漏电流以及所使用的晶体管的电流放大系数。

CB配置特点

• 此配置提供电压增益但不提供电流增益。

• 当V _{CB恒定时，随着发射极-基极电压V EB}的小幅增加，发射极电流I _E增加。

• 发射极电流I _{E与集电极电压V CB}无关。

• _{当V EB}保持恒定时，集电极电压V _CB仅在低电压下才会影响集电极电流I _{C 。}

• 输入电阻R _i是在集电极基极电压V _{CB恒定的情况下发射极-基极电压的变化(ΔV EB} )与发射极电流的变化(ΔI _E )的比率。

$R_i = \frac{\Delta V_{EB}}{\Delta I_E}$ 在恒定 V _CB下

• 由于输入电阻非常低，所以较小的V _EB值就足以产生大的发射极电流I _E。

• 输出电阻R _o是在发射极电流IE恒定时集电极基极电压的变化(ΔV _CB )与集电极电流的变化(ΔI _C )的比率。

$R_o = \frac{\Delta V_{CB}}{\Delta I_C}$ 在常数 I _E处

• 由于输出电阻非常高，V _{CB的较大变化只会导致集电极电流 I C}发生很小的变化。

• 该配置针对温度升高提供了良好的稳定性。

• CB 配置用于高频应用。

共发射极 (CE) 配置

该名称本身意味着发射极端子被视为晶体管输入和输出的公共端子。NPN 和 PNP 晶体管的共发射极连接如下图所示。

正如 CB 配置一样，发射结正向偏置，集电极结反向偏置。电子的流动以相同的方式控制。这里输入电流是基极电流I _B，输出电流是集电极电流I _{C 。}

基极电流放大系数（β）

_{集电极电流变化 (ΔI C} ) 与基极电流变化 (ΔI _B )的比率称为基极电流放大系数。用β表示。

$$\beta = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_B}$$

β 和 α 之间的关系

让我们尝试推导出基极电流放大系数和发射极电流放大系数之间的关系。

$$\beta = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_B}$$

$$\alpha = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_E}$$

$$I_E = I_B + I_C$$

$$\Delta I_E = \Delta I_B + \Delta I_C$$

$$\Delta I_B = \Delta I_E - \Delta I_C$$

我们可以写

$$\beta = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_E - \Delta I_C}$$

除以 ΔI _E

$$\beta = \frac{\Delta I_C/\Delta I_E}{\frac{\Delta I_E}{\Delta I_E} - \frac{\Delta I_C}{\Delta I_E}}$$

我们有

$$\alpha = \Delta I_C / \Delta I_E$$

所以，

$$\beta = \frac{\alpha}{1 - \alpha}$$

从上式可以明显看出，当α接近1时，β达到无穷大。

因此，共发射极连接的电流增益非常高。这就是这种电路连接主要用于所有晶体管应用的原因。

集电极电流的表达式

在共发射极配置中，I _B是输入电流，_IC是输出电流。

我们知道

$$I_E = I_B + I_C$$

和

$$I_C = \alpha I_E + I_{CBO}$$

$$= \alpha(I_B + I_C) + I_{CBO}$$

$$I_C(1 - \alpha) = \alpha I_B + I_{CBO}$$

$$I_C = \frac{\alpha}{1 - \alpha}I_B + \frac{1}{1 - \alpha}I_{CBO}$$

如果基极电路开路，即 I _B = 0，

基极开路时的集电极发射极电流为 I _CEO

$$I_{CEO} = \frac{1}{1 - \alpha}I_{CBO}$$

将其值代入前面的方程中，我们得到

$$I_C = \frac{\alpha}{1 - \alpha}I_B + I_{CEO}$$

$$I_C = \beta I_B + I_{CEO}$$

由此得到集电极电流的方程。

膝点电压

在CE配置中，通过保持基极电流I _B恒定，如果V _CE变化，IC_增加到接近V _CE的1v ，并且此后保持恒定。_{集电极电流 I C}随V _CE变化的 V _CE值称为拐点电压。晶体管在 CE 配置下运行时，它们的运行电压高于该拐点电压。

CE配置的特点

• 该配置提供良好的电流增益和电压增益。

• 保持 V _{CE恒定，随着 V BE}的小幅增加，基极电流 I _B比 CB 配置中快速增加。

• 对于任何高于拐点电压的 V _CE值，IC_约等于_βIB。

• 输入电阻R _i是在恒定集电极发射极电压V _{CE下基极发射极电压变化(ΔV BE} )与基极电流变化(ΔI _B )之比。

$R_i = \frac{\Delta V_{BE}}{\Delta I_B}$ 在常数 V _CE下

• 由于输入电阻非常低，所以很小的V _BE值就足以产生大的基极电流I _B。

• 输出电阻Ro是在 I _B恒定时集电极发射极电压变化 (ΔV _CE ) 与集电极电流变化 (ΔI _{C )}的比率。

$R_o = \frac{\Delta V_{CE}}{\Delta I_C}$ 恒定 I _B

• 由于CE电路的输出电阻小于CB电路的输出电阻。

• 这种配置通常用于偏置稳定方法和音频应用。

公共收集器 (CC) 配置

该名称本身意味着集电极端子被视为晶体管输入和输出的公共端子。NPN 和 PNP 晶体管的公共集电极连接如下图所示。

正如 CB 和 CE 配置中一样，发射结正向偏置，集电极结反向偏置。电子的流动以相同的方式控制。这里输入电流是基极电流I _B，输出电流是发射极电流I _{E 。}

电流放大系数（γ）

_{发射极电流变化 (ΔI E} ) 与基极电流变化 (ΔI _B )的比率称为共集电极 (CC) 配置中的电流放大系数。用γ表示。

$$\gamma = \frac{\Delta I_E}{\Delta I_B}$$

• CC 配置中的电流增益与 CE 配置中的电流增益相同。
• CC 配置中的电压增益始终小于 1。

γ 和 α 之间的关系

让我们尝试画出 γ 和 α 之间的关系

$$\gamma = \frac{\Delta I_E}{\Delta I_B}$$

$$\alpha = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_E}$$

$$I_E = I_B + I_C$$

$$\Delta I_E = \Delta I_B + \Delta I_C$$

$$\Delta I_B = \Delta I_E - \Delta I_C$$

_{代入 I B}的值，我们得到

$$\gamma = \frac{\Delta I_E}{\Delta I_E - \Delta I_C}$$

除以 ΔI _E

$$\gamma = \frac{\Delta I_E / \Delta I_E}{\frac{\Delta I_E}{\Delta I_E} - \frac{\Delta I_C}{\Delta I_E}}$$

$$= \frac{1}{1 - \alpha}$$

$$\gamma = \frac{1}{1 - \alpha}$$

集电极电流表达式

我们知道

$$I_C = \alpha I_E + I_{CBO}$$

$$I_E = I_B + I_C = I_B + (\alpha I_E + I_{CBO})$$

$$I_E(1 - \alpha) = I_B + I_{CBO}$$

$$I_E = \frac{I_B}{1 - \alpha} + \frac{I_{CBO}}{1 - \alpha}$$

$$I_C \cong I_E = (\beta + 1)I_B + (\beta + 1)I_{CBO}$$

上式是集电极电流的表达式。

CC 配置的特点

• 此配置提供电流增益但不提供电压增益。

• 在 CC 配置中，输入电阻较高，输出电阻较低。

• 该电路提供的电压增益小于1。

• 集电极电流和基极电流之和等于发射极电流。

• 输入和输出信号同相。

• 该配置用作非反相放大器输出。

• 该电路主要用于阻抗匹配。这意味着，从高阻抗源驱动低阻抗负载。

晶体管工作区域

提供直流电源用于晶体管的操作。该直流电源提供给晶体管的两个 PN 结，影响这些发射极和集电极结中多数载流子的Behave。

根据我们的要求，结有正向偏置和反向偏置。正向偏压是指向 p 型材料施加正电压，向 n 型材料施加负电压的情况。反向偏压是指向 n 型材料施加正电压，向 p 型材料施加负电压的情况。

晶体管偏置

提供合适的外部直流电压称为偏置。对晶体管的发射极和集电极结进行正向或反向偏置。

这些偏置方法使晶体管电路工作在有源区、饱和区、截止区和反有源区（很少使用）四种区域。看看下表就可以理解这一点。

在这些区域中，反向有源区域，即有源区域的反转，不适合任何应用，因此不被使用。

活动区域

这是晶体管有许多应用的领域。这也称为线性区域。晶体管位于该区域时，可以更好地充当放大器。

下面的电路图显示了工作在有源区的晶体管。

该区域位于饱和和截止之间。当发射结正向偏置且集电极结反向偏置时，晶体管工作在有源区。

在工作状态下，集电极电流为基极电流的β倍，即

$$I_C = \beta I_B$$

其中 I _C = 集电极电流，β = 电流放大系数，I _B = 基极电流。

饱和区

这是晶体管倾向于表现为闭合开关的区域。晶体管具有集电极和发射极短路的效果。在此工作模式下，集电极和发射极电流最大。

下图显示了工作在饱和区的晶体管。

当发射极和集电极结都正向偏置时，晶体管工作在饱和区。

在饱和模式下，

$$\beta < \frac{I_C}{I_B}$$

由于在饱和区，晶体管往往表现为闭合开关，

$$I_C = I_E$$

其中 I _C = 集电极电流，I _E = 发射极电流。

截止区域

这是晶体管往往表现为开路开关的区域。晶体管具有其集电极和基极打开的效果。在此工作模式下，集电极、发射极和基极电流均为零。

下图显示了工作在截止区的晶体管。

当发射极和集电极结都反向偏置时，晶体管工作在截止区。

由于在截止区，集电极电流、发射极电流和基极电流为零，我们可以写为

$$I_C = I_E = I_B = 0$$

其中 I _C = 集电极电流，I _E = 发射极电流，I _B = 基极电流。

晶体管负载线分析

到目前为止，我们已经讨论了晶体管的不同工作区域。但在所有这些区域中，我们发现晶体管在有源区工作良好，因此也称为线性区。晶体管的输出是集电极电流和集电极电压。

输出特性

当考虑晶体管的输出特性时，不同输入值的曲线如下所示。

上图中，绘制了不同基极电流I B 值下集电极电流IC和_集电极电压_V CE之间_的输出特性。这里考虑不同的输入值以获得不同的输出曲线。

载重线

当考虑最大可能的集电极电流值时，该点将出现在 Y 轴上，它只不过是饱和点。同样，当考虑最大可能的集电极发射极电压值时，该点将出现在 X 轴上，即截止点。

当画一条线连接这两个点时，这样的线可以称为负载线。之所以这样称呼，是因为它象征着负载处的输出。当在输出特性曲线上绘制该线时，该线在称为工作点或静态点或简称为Q 点的点处接触。

负载线的概念可以通过下图来理解。

通过连接饱和点和截止点来绘制负载线。位于这两者之间的区域是线性区域。晶体管在此线性区域中充当良好的放大器。

如果仅在向晶体管施加直流偏置而没有施加输入信号时才绘制该负载线，则这样的负载线称为直流负载线。而在施加输入信号和直流电压的条件下绘制的负载线，这样的线被称为交流负载线。

直流负载线

当给晶体管施加偏置并且在其输入端没有施加信号时，在这种条件下绘制的负载线可以理解为直流条件。这里不会有放大，因为信号不存在。电路如下图所示。

任何给定时间的集电极发射极电压值为

$$V_{CE} = V_{CC} - I_C R_C$$

由于V _CC和R _C是固定值，因此上述方程是一次方程，因此输出特性将是一条直线。这条线称为直流负载线。下图显示了直流负载线。

为了获得负载线，需要确定直线的两个端点。设这两点为 A 和 B。

为了获得A

当集电极发射极电压V _CE = 0 时，集电极电流最大，等于V _CC /R _C。_{这给出了 V CE}的最大值。这显示为

$$V_{CE} = V_{CC} - I_C R_C$$

$$0 = V_{CC} - I_C R_C$$

$$I_C = V_{CC}/R_C$$

这给出了集电极电流轴上的点 A (OA = V _CC /R _C )，如上图所示。

获得B

当集电极电流IC ₌ 0时，集电极发射极电压最大，等于V _CC。_{这给出了 I C}的最大值。这显示为

$$V_{CE} = V_{CC} - I_C R_C$$

$$= V_{CC}$$

（ASIC ₌ 0）

这给出了B点，这意味着上图所示的集电极发射极电压轴上的(OB = V _{CC )。}

因此，我们确定了饱和点和截止点，并得知负载线是一条直线。这样，就可以画出一条直流负载线。

交流负载线

前面讨论的直流负载线分析没有施加交流电压时集电极电流和电压的变化。而交流负载线给出峰峰值电压，或给定放大器的最大可能输出摆幅。

为了便于理解，我们将考虑 CE 放大器的交流等效电路。

由上图可知，

$$V_{CE} = (R_C // R_1) \times I_C$$

$$r_C = R_C // R_1$$

对于作为放大器工作的晶体管，它应该保持在有源区。静态点的选择应使最大输入信号偏移在负半周期和正半周期上对称。

因此，

$V_{max} = V_{CEQ}$ 和 $V_{min} = -V_{CEQ}$

其中 V _CEQ是静态点的发射极-集电极电压

下图表示在饱和点和截止点之间绘制的交流负载线。

由上图可知，饱和点时的电流IC为

$$I_{C(周六)} = I_{CQ} + (V_{CEQ}/r_C)$$

截止点电压V _CE为

$$V_{CE(关闭)} = V_{CEQ} + I_{CQ}r_C$$

因此，相应的 V _CEQ = V _CEQ / (R _C // R ₁ ) 的最大电流为

$$I_{CQ} = I_{CQ} * (R_C // R_1)$$

因此，通过添加静态电流，交流负载线的端点为

$$I_{C(周六)} = I_{CQ} + V_{CEQ}/ (R_C // R_1)$$

$$V_{CE(关闭)} = V_{CEQ} + I_{CQ} * (R_C // R_1)$$

交直流负载线

当交流和直流负载线用图表表示时，可以理解它们并不相同。这两条线均相交于Q 点或静止点。交流负载线的端点是饱和点和截止点。这一点从下图就可以理解。

从上图可知，当基极电流IB值为10mA时，得到静态点（黑点）。这是交流负载线和直流负载线的交点。

在下一章中，我们将详细讨论静态点或工作点的概念。

工作点

当绘制一条连接饱和点和截止点的线时，这样的线可以称为负载线。当在输出特性曲线上绘制这条线时，该线在称为工作点的点处接触。

该工作点也称为静态点或简称为Q 点。可以有许多这样的交点，但选择 Q 点的方式是，无论 AC 信号摆幅如何，晶体管都保持在有源区。

下图显示了如何表示工作点。

工作点不应受到干扰，因为它应保持稳定以实现忠实的放大。因此，静态点或 Q 点是实现忠实放大的值。

忠实的放大

增加信号强度的过程称为放大。这种放大在信号成分没有任何损失的情况下被称为忠实放大。

忠实放大是通过增加信号强度来获得输入信号的完整部分的过程。这是在其输入端施加交流信号时完成的。

在上图中，所施加的输入信号被完全放大和再现，没有任何损失。这可以理解为忠实放大。

工作点的选择使其位于有源区域内，有助于无任何损失地再现完整信号。

如果工作点被认为接近饱和点，那么放大将如下。

如果工作点被认为接近截止点，那么放大将如下。

因此，工作点的放置是实现忠实放大的重要因素。但为了使晶体管作为放大器正常工作，其输入电路（即基极-发射极结）保持正向偏置，其输出电路（即集电极-基极结）保持反向偏置。

因此，放大的信号包含与输入信号相同的信息，而信号的强度增加。

忠实放大的关键因素

为了保证忠实放大，必须满足以下基本条件。

• 适当的零信号集电极电流
• 任何时刻的最小适当基极-发射极电压 (V _BE )。
• 任何时刻的最小适当集电极-发射极电压 (V _CE )。

这些条件的满足确保了晶体管在具有输入正向偏置和输出反向偏置的有源区域内工作。

正确的零信号集电极电流

为了理解这一点，让我们考虑一个 NPN 晶体管电路，如下图所示。基极-发射极结正向偏置，集电极-发射极结反向偏置。当在输入端施加信号时，NPN 晶体管的基极-发射极结在输入的正半周期内受到正向偏置，因此它出现在输出端。

对于负半周期，同一结受到反向偏置，因此电路不导通。这会导致不忠实的放大，如下图所示。

现在让我们介绍一下基本电路中的电池V _{BB 。}该电压的大小应使得晶体管的基极-发射极结应保持正向偏置，即使对于输入信号的负半周期也是如此。当没有施加输入信号时，由于 V _BB ，电路中会产生直流电流。这被称为零信号集电极_电流IC 。

在输入的正半周期期间，基极-发射极结正向偏置更大，因此集电极电流增加。在输入的负半周期期间，输入结的正向偏置较小，因此集电极电流减小。因此，输入的两个周期都出现在输出中，从而得到忠实的放大结果，如下图所示。

因此，为了忠实放大，必须流动适当的零信号集电极电流。零信号集电极电流值应至少等于仅由信号引起的最大集电极电流。

任何时刻适当的最小 V _BE

最小基极至发射极电压 V _BE应大于正向偏置结的接通电压。硅晶体管导通所需的最小电压为 0.7V，锗晶体管导通所需的最小电压为 0.5V。如果基极-发射极电压V _BE大于该电压，势垒被克服，因此基极电流和集电极电流急剧增加。

因此，如果输入信号的任何部分的 V _BE下降，则由于由此产生的集电极电流较小，该部分将被放大到较小的程度，从而导致不忠实的放大。

任何时刻适当的最小 V _CE

为了实现忠实的放大，集电极发射极电压V _CE不应低于切入电压，称为拐点电压。如果V _CE小于拐点电压，集电极基极结将无法正确反向偏置。然后集电极无法吸引发射极发射的电子，它们将流向基极，从而增加基极电流。因此β值下降。

因此，如果输入信号的任何部分的 V _CE下降，该部分的倍增程度就会变小，从而导致不忠实的放大。因此，如果 V _CE大于 V _KNEE，则集电极-基极结正确反向偏置，并且 β 值保持恒定，从而实现忠实的放大。

晶体管作为放大器

对于充当放大器的晶体管，应该对其进行适当的偏置。我们将在下一章讨论适当偏置的必要性。在这里，让我们重点关注晶体管如何作为放大器工作。

晶体管放大器

晶体管通过提高微弱信号的强度来充当放大器。施加到发射极基极结的直流偏置电压使其保持正向偏置状态。无论信号的极性如何，都会保持该正向偏置。下图显示了晶体管作为放大器连接时的样子。

输入电路中的低电阻使得输入信号的任何微小变化都会导致输出发生明显变化。输入信号引起的发射极电流贡献集电极电流，该电流流经负载电阻R _L时，会在其两端产生较大的压降。因此，小输入电压会产生大输出电压，这表明晶体管起到放大器的作用。

例子

假设所施加的输入电压发生 0.1v 的变化，这会进一步导致发射极电流发生 1mA 的变化。这个发射极电流显然会引起集电极电流的变化，同样是1mA。

放置在集电极上的 5kΩ 负载电阻将产生电压

5kΩ × 1mA = 5V

因此可以观察到，输入中 0.1v 的变化会导致输出中 5v 的变化，这意味着信号的电压电平被放大。

放大器性能

由于多采用共发射极连接方式，我们先了解一下与该连接方式相关的几个重要术语。

输入电阻

由于输入电路为正向偏置，因此输入电阻较低。输入电阻是基极-发射极结对信号流提供的阻力。

根据定义，它是在恒定集电极-发射极电压下基极-发射极电压的微小变化 (ΔV _BE ) 与基极电流变化 (ΔI _B )的比率。

输入电阻，$R_i = \frac{\Delta V_{BE}}{\Delta I_B}$

其中，R _i = 输入电阻，V _BE = 基极-发射极电压，I _B = 基极电流。

输出电阻

晶体管放大器的输出电阻非常高。集电极电流随集电极-发射极电压的变化而变化非常小。

根据定义，它是在恒定基极电流下集电极-发射极电压变化 (ΔV _CE ) 与集电极电流变化 (ΔI _C )之比。

输出电阻 = $R_o = \frac{\Delta V_{CE}}{\Delta I_C}$

其中 Ro ₌输出电阻，V _CE = 集电极-发射极电压，IC ₌集电极-发射极电压。

有效集电极负载

负载连接在晶体管的集电极上，对于单级放大器，输出电压从晶体管的集电极获取，对于多级放大器，输出电压从晶体管电路的级联级收集。

根据定义，它是交流集电极电流所见的总负载。对于单级放大器，有效集电极负载是 R _C和 R _o的并联组合。

有效集电极负载，$R_{AC} = R_C // R_o$

$$= \frac{R_C \times R_o}{R_C + R_o} = R_{AC}$$

因此，对于单级放大器，有效负载等于集电极负载 R _C。

在多级放大器（即具有多个放大级）中，下一级的输入电阻R _{i也会受到影响。}

有效集电极负载变为 R _C、 Ro_和R _i的并联组合，即

有效集电极负载，$R_{AC} = R_C // R_o // R_i$

$$R_C // R_i = \frac{R_C R_i}{R_C + R_i}$$

由于输入电阻R _i很小，因此有效负载减小。

电流增益

当观察到输入和输出电流变化时以电流表示的增益称为电流增益。_{根据定义，它是集电极电流变化（ΔI C}）与基极电流变化（ΔI _B）之比。

电流增益，$\beta = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_B}$

β的取值范围为20～500。电流增益表示输入电流变为集电极电流的β倍。

电压增益

当观察到输入和输出电流的变化时以电压表示的增益称为电压增益。_{根据定义，它是输出电压变化 (ΔV CE} ) 与输入电压变化 (ΔV _BE )的比率。

电压增益，$A_V = \frac{\Delta V_{CE}}{\Delta V_{BE}}$

$$= \frac{变化\: 输出\: 电流\乘以有效\: 负载}{变化\: 输入\: 电流\乘以输入\: 电阻}$$

$$= \frac{\Delta I_C \times R_{AC}}{\Delta I_B \times R_i} = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_B} \times \frac{R_{AC}}{R_i} = \beta \times \frac{R_{AC}}{R_i}$$

对于单级，R _AC = R _C。

然而，对于多级，

$$R_{AC} = \frac{R_C \times R_i}{R_C + R_i}$$

其中R _i是下一级的输入电阻。

功率增益

当观察到输入和输出电流的变化时以功率表示的增益称为功率增益。

根据定义，它是输出信号功率与输入信号功率的比值。

功率增益，$A_P = \frac{(\Delta I_C)^2 \times R_{AC}}{(\Delta I_B)^2 \times R_i}$

$$= \left ( \frac{\Delta I_C}{\Delta I_B} \right ) \times \frac{\Delta I_C \times R_{AC}}{\Delta I_B \times R_i}$$

= 电流增益 × 电压增益

因此，这些都是涉及放大器性能的重要术语。

晶体管偏置

偏置是提供有助于电路运行的直流电压的过程。晶体管的作用是使发射极基结正向偏置，集电极基极结反向偏置，使其保持在有源区，起到放大器的作用。

在上一章中，我们解释了如果输入和输出部分都偏置的话，晶体管如何充当良好的放大器。

晶体管偏置

在信号通过期间，零信号集电极电流的正确流动和集电极发射极电压的维持被称为晶体管偏置。提供晶体管偏置的电路称为偏置电路。

需要直流偏置

如果一个非常小的电压信号被加到BJT的输入端，它就不能被放大。因为，对于 BJT 来说，要放大信号，必须满足两个条件。

• 输入电压应超过晶体管导通的接通电压。

• BJT 应位于有源区，作为放大器运行。

如果外部通过BJT给予适当的直流电压和电流，使BJT工作在有源区，叠加待放大的交流信号，就可以避免这个问题。选择给定的直流电压和电流，使晶体管在整个输入交流周期内保持在活动区域​​。因此需要直流偏置。

下图显示了在输入和输出电路上均提供直流偏置的晶体管放大器。

对于要作为忠实放大器工作的晶体管，工作点应该稳定。让我们看看影响工作点稳定的因素。

影响工作点的因素

影响工作点的主要因素是温度。工作点会因温度变化而发生变化。

_{随着温度升高， ICE}、β、V _BE的值会受到影响。

• I _CBO翻倍（每上升 10 ^o）
• V _BE减少 2.5mv（每上升1 ^{o ）}

所以影响工作点的主要问题是温度。因此，工作点应独立于温度，以实现稳定性。为了实现这一点，引入了偏置电路。

稳定化

使工作点不受温度变化或晶体管参数变化影响的过程称为稳定。

_{一旦实现稳定， IC}和 V _CE的值就变得与温度变化或晶体管更换无关。良好的偏置电路有助于工作点的稳定。

需要稳定

由于以下原因，必须实现工作点的稳定。

• _{I C}的温度依赖性
• 个体差异
• 热失控

让我们详细了解这些概念。

_{I C}的温度依赖性

_{集电极电流 I C}的表达式为

$$I_C = \beta I_B + I_{CEO}$$

$$= \beta I_B + (\beta + 1) I_{CBO}$$

集电极漏电流I _CBO受温度变化的影响很大。为了解决这个问题，设置偏置条件以使零信号集电极电流 I _C = 1 mA。因此，需要稳定工作点，即必须保持IC_恒定。

个体差异

_{由于每个晶体管的β值和V BE}值并不相同，因此每当更换晶体管时，工作点就会发生变化。因此，有必要稳定工作点。

热失控

_{集电极电流 I C}的表达式为

$$I_C = \beta I_B + I_{CEO}$$

$$= \beta I_B + (\beta + 1)I_{CBO}$$

集电极电流的流动以及集电极漏电流导致热量耗散。如果工作点不稳定，则会出现累积效应，从而增加散热量。

这种不稳定晶体管的自毁被称为热失控。

为了避免热失控和晶体管的损坏，需要稳定工作点，即保持I _C恒定。

稳定系数

应当理解，尽管I _CBO或I _{CO变化，但I C}应当保持恒定。偏置电路成功维持这一状态的程度是通过稳定性因子来衡量的。用S表示。

_{根据定义，在β和IB}恒定的情况下，集电极电流I _C相对于集电极漏电流I _CO的变化率称为稳定系数。

$S = \frac{d I_C}{d I_{CO}}$ 在常数 I _B和 β下

因此我们可以理解，集电极漏电流的任何变化都会在很大程度上改变集电极电流。稳定系数应尽可能低，以免集电极电流受到影响。S=1是理想值。

CE 配置的稳定因子的一般表达式可以如下获得。

$$I_C = \beta I_B + (\beta + 1)I_{CO}$$

对上面的表达式对 I _C求导，我们得到

$$1 = \beta \frac{d I_B}{d I_C} + (\beta + 1)\frac{d I_{CO}}{dI_C}$$

或者

$$1 = \beta \frac{d I_B}{d I_C} + \frac{(\beta + 1)}{S}$$

由于 $\frac{d I_{CO}}{d I_C} = \frac{1}{S}$

或者

$$S = \frac{\beta + 1}{1 - \beta \left (\frac{d I_B}{d I_C} \right )}$$

因此，稳定系数 S 取决于 β、IB_和I _C。

晶体管偏置方法

晶体管电路中的偏置是通过使用两个直流源V _BB和V _CC来完成的。将直流电源最小化为一个电源而不是两个电源是经济的，这也使电路变得简单。

常用的晶体管偏置方法有

• 基极电阻法
• 集电极到基极偏置
• 使用集电极反馈电阻进行偏置
• 分压器偏置

所有这些方法都有相同的基本原理，即在零信号条件下从V _CC获得所需的I _B和I _C值。

基极电阻法

在这种方法中，顾名思义，在基极连接一个高阻值的电阻R _{B 。}所需的零信号基极电流由流过R _{B的V CC}提供。基极发射极结正向偏置，因为基极相对于发射极为正。

通过选择适当的基极电阻 RB值，可以使所需的零信号基极电流值以及集电极电流（IC ₌ βIB _）流动。_{因此R B}的值是已知的。下图显示了基极电阻法偏置电路的样子。

令 I _C为所需的零信号集电极电流。所以，

$$I_B = \frac{I_C}{\beta}$$

_{考虑 V CC} 、基极、发射极和地的闭合电路，同时应用基尔霍夫电压定律，我们得到，

$$V_{CC} = I_B R_B + V_{BE}$$

或者

$$I_B R_B = V_{CC} - V_{BE}$$

所以

$$R_B = \frac{V_{CC} - V_{BE}}{I_B}$$

_{由于与 V CC}相比， V _BE通常相当小，因此可以忽略前者，误差很小。然后，

$$R_B = \frac{V_{CC}}{I_B}$$

我们知道V _CC是一个固定的已知量，而IB_则选择某个合适的值。由于R _B可以直接求出，因此这种方法称为固定偏差法。

稳定系数

$$S = \frac{\beta + 1}{1 - \beta \left ( \frac{d I_B}{d I_C} \right )}$$

在固定偏置偏置方法中，IB_独立于 I _C，因此，

$$\frac{d I_B}{d I_C} = 0$$

将上述值代入前面的方程中，

稳定因子，$S = \beta + 1$

因此，固定偏置中的稳定因子为 (β+1)，这意味着 I _{C 的变化是 I CO}变化的 (β+1) 倍。

优点

• 电路很简单。
• 只需要一个电阻R _{E 。}
• 偏置条件很容易设置。
• 无负载效应，因为基极-发射极结处不存在电阻。

缺点

• 由于无法阻止热量的产生，稳定性较差。

• 稳定性系数非常高。因此，热失控的可能性很大。

因此，这种方法很少被采用。

集电极到基极偏置

集电极到基极偏置电路与基极偏置电路相同，只是基极电阻 R _B返回到集电极，而不是返回到 V _CC电源，如下图所示。

该电路有助于显着提高稳定性。_{如果 I C}的值增加，则 R _L两端的电压增加，因此 V _CE也会增加。这又降低了基极电流I _B。这一行动在一定程度上补偿了原来的增加。

给出零信号集电极电流I _{C所需的R B}值可以如下计算。

R _L两端的电压降为

$$R_L = (I_C + I_B)R_L \cong I_C R_L$$

从图中，

$$I_C R_L + I_B R_B + V_{BE} = V_{CC}$$

或者

$$I_B R_B = V_{CC} - V_{BE} - I_C R_L$$

所以

$$R_B = \frac{V_{CC} - V_{BE} - I_C R_L}{I_B}$$

或者

$$R_B = \frac{(V_{CC} - V_{BE} - I_C R_L)\beta}{I_C}$$

应用KVL我们有

$$(I_B + I_C)R_L + I_B R_B + V_{BE} = V_{CC}$$

或者

$$I_B(R_L + R_B) + I_C R_L + V_{BE} = V_{CC}$$

所以

$$I_B = \frac{V_{CC} - V_{BE} - I_C R_L}{R_L + R_B}$$

由于 V _BE几乎与集电极电流无关，我们得到

$$\frac{d I_B}{d I_C} = - \frac{R_L}{R_L + R_B}$$

我们知道

$$S = \frac{1 + \beta}{1 - \beta (d I_B / d I_C)}$$

所以

$$S = \frac{1 + \beta}{1 + \beta \left ( \frac{R_L}{R_L + R_B} \right )}$$

该值小于固定偏置电路获得的(1+β)。因此，稳定性得到改善。

该电路提供负反馈，从而降低放大器的增益。因此，集电极至基极偏置电路稳定性的提高是以交流电压增益为代价的。

对科尔有偏见