新概念模拟电路_第一册_晶体管_读书笔记

0. 绪言

0.1 什么是电子技术

电子元器件包括三个层面的技术：第一层是电子元器件的设计生产，第二层是利用电子元器件实现某种实际的功能，第三层是把若干个功能模块组成一个系统。

电子技术就是完成第二层面的工作，它的核心定义是，以集成电路、分立元器件等电子零部件为基础，设计生产出符合要求的功能电路或者独立小系统。

一般来讲，电子技术又被分为信息电子技术、功率电子技术(又叫电力电子技术)两类，前者以采集信息、处理信息、释放信息为核心，手机、电脑、医疗设备等都属于此类；后者以控制大功率设备为主，比如电网中的电能质量监测和改善、大功率电源、电动汽车等都属于此类。

在信息电子技术中，又包含模拟电子技术和数字电子技术。

0.2 模拟电子技术

对原始信号不进行数字化处理的电子技术，称为模拟电子技术。专门研究数字信号的运算处理的电子技术称为数字电子技术。

模拟电子技术一般分为信号的放大、信号的调理、信号的功率驱动、信号的产生，以及专门的电源技术。由于我们生活的世界中，存在的信号都是模拟信号，我们的感官也只能接受模拟信号，因此，无论数字电子技术怎样发展，它都不能取代模拟电子技术。比如我们现在使用的手机都是数字化手机，但是麦克风拾取说话声音，喇叭发出对方的说话声都是模拟技术在发挥作用。双麦克风降噪技术,可以把远处嘈杂背景音几乎全部去掉,而只保留主人说话的声音，就是一个典型的模拟技术应用。

0.3 模拟电子技术的学习方法

1. 以解决实际电路问题为主
2. 学习过程中，不再严格遵循“公理——定理——推论”的流程。在很多场合，结论可能是来自于试验科学，公式可能是一个近似公式。请合理应用它们
3. 熟练掌握仿真软件。Multism、TINA、PSPICE等均可。
4. 对关键电路进行“理论估算——仿真验证——对比分析”。
5. 注重实验与仿真。

1. 晶体管分类

1947年肖克利发明的晶体管，属于双极型晶体管[Bipolar Junction Transistor-BJT]。 此外，晶体管还有另外一个分支，叫场效应管(Field effect Transistor-FET) ，由结型场效应管(Junction Field Effect Transistor-JFET，1952年诞生)和应用更为广泛的金属氧化物半导体场效应管( Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor-MOSFET，1960年诞生)组成。它们各有特点，应用于不同的场合，且到目前为止，长期共存。

2. 双极型晶体管的原理及其放大特性

2.1 晶体管的引入

为了实现对电压信号的放大，可以通过受控源来实现。受控源共有四种类型：电压-电压受控源(VCVS)、电流-电压受控源(CCVS)、电压-电流受控源(VCCS)、电流-电流受控源(CCCS)。

可惜的是，目前为止，实现VCVS功能的，只有变压器，而且只能放大高频信号，无法放大低频或直流信号；且目前没有实现CCVS功能的器件。

不过能够实现CCCS功能的器件已经在1947被发明出来了，就是BJT。

实现VCCS功能的器件也在1952年被发明，就是JFET，并且在1960年时，MOSFET也诞生了，它们两个也属于晶体管，合成为FET。

2.2 双极型晶体管

如下图所示，晶体管中箭头方向代表了管子的类型:箭头向外的，是NPN型，箭头朝里的，是PNP型。因此，一个箭头起到了两个作用:第一， 标注了哪个管脚是发射极，第二，指明该晶体管是NPN还是PNP。

BJT的电流定义非常简单，它依从于发射极电流的方向。对NPN管，发射极电流i_E是流出的，那么基极电流i_B和集电极电流i_C都定义为流入的。对于PNP管，发射极电流i_E是流入的，那么基极电流i_B和集电极电流i_C都定义为流出的。

对于NPN管，基极是P型半导体，定义基极电位减去发射极电位为发射结电压u_BE,此值为正值才能让发射结的PN结处于正向导通状态。
对于PNP管，基极是N型半导体，定义发射极电位减去基极电位为发射结电压u_BE,此值为正值才能让发射结的PN结处于正向导通状态。

完成上述的基本定义后，给出晶体管表现出的最简单的规律：

• 晶体管的三个管脚的电流，永远满足KCL：i_B + i_C = i_E
• 在晶体管处于放大状态下，它的集电极电流i_C唯一受控于基极电流i_B，而与C、E两端的电压u_CE无关：i_C = βi_B

因此，晶体管其实就是一个受控电流源。

2.3 NPN型晶体管的伏安特性

描述一个电学器件的特性，最直观的方法就是了解其伏安特性。晶体管有三个引脚，因此晶体管的伏安特性一般有两种：输入伏安特性和输出伏安特性。

• 输入伏安特性
  晶体管的输入伏安特性，是指在一个确定的u_CE下，基极电流i_B与发射结电压u_BE之间的关系。
  一般情况下，当u_BE>0.7V时，晶体管的i_B开始呈现出较为明显的电流。
  

• 输出伏安特性
  晶体管的输出伏安特性，是指在一个确定基极电流i_B下，集电极电流i_C与u_CE之间的关系。
  
  
• 简化的输出伏安特性
  

2.4 静态和动态

静态，是指某一特定的 ，不变化的状态。比如给一个无源部件施加一个电压，此时部件确定，电压不变，流过部件的电流也不会变化，电路中所有参量都处于静止状态，这就叫静态。研究静止状态下，各个参量之间的关系，称为静态分析。
静态时的所有量，都用一个下标Q(quiescent，静止、沉寂)来表达。比如U_Q,代表静态时部件两端的电压，而l_Q，则代表静态时流过部件的电流。

动态，是指电路中某一个量发生一定数量的变化 ，导致其它参量随之发生一定的变化 ，这种变化的状态，称为动态。研究动态时变化量之间的关系，称为动态分析。

2.5 静态和信号的耦合

要想实现完美的放大，就要让晶体管在不加入信号的时候，就处于一个较为合适的位置。这个合适的位置，就是晶体管的静态工作点。

所谓的静态工作点，是指晶体管放大电路在电源供应正常，且没有施加输入信号的情况下，晶体管各管脚电流以及电压的集合 ，它是对静态的准确描述，通常在输入、输出伏安特性图中， 表现为一个确定的位置，因此称为静态工作点。该点用Q表示，代表该点的电压、电流量以下标加Q ,全大写表示。

要想让晶体管对输入电压信号进行有效的放大，必须解决两个问题:确定合适的静态工作点，以及完成对信号的输入耦合，输出耦合。

何谓耦合？耦合，英文为coupling，源自couple (两个东西的对接)。虽然在不同的领域耦合有不同的解释，但是在电子学领域，耦合的含义是两组或者两组以上的电子学系统通过合适的方法(无论有线、无线，电阻、电容、变压器或者空间场),实现能量或者信息的传递。

下图电路是一个静态工作点合适的电路，那么如何连接，才能使输入信号u_i(交流信号)介入到这个电路中？这个问题也可以叫做：输入信号如何耦合到放大电路中，或者叫如何实现输入耦合。

下图电路给出了一种解决方案，它即解决了输入耦合，也解决了输出耦合。该电路的全称是“"NPN管组成的阻容耦合共射级单级放大电路”。C₁实现输入耦合，C₂实现输出耦合。

这种阻容耦合方法的缺点是：只能耦合交流信号，阻隔了低频或者直流信号。

2.6 晶体管的四种工作状态

• 截止状态
  是指晶体管基极没有产生明显的电流，即l_BQ 非常小，导致I_CQ 也很小，就像整个晶体管没有导通一样。至于多么小算截止，取决于电路的具体要求。
  一般情况下 ，当认定发射结零偏或者反偏，而集电结反偏时，为截止状态。

• 放大状态
  是指晶体管处于l_BQ 合适，且满足l_CQ=βl_BQ 的状态，在输出伏安特性图中，静态工作点处于放大区。这种状态是模拟电子技术最常使用的状态，此时，输入导致i_B 变化，会相应引起i_C变化。
  一般情况下 ，当认定发射结正偏，且集电结反偏时，为放大状态。

• 饱和状态
  饱和状态是指在晶体管;在输出伏安特性图中，进入了饱和区。此时，l_CQ<βl_BQ且随U_CEQ变化。饱和状态容易被人理解为I_CQ 太大，大到不能再大了。这是错误的，I_CQ 很小时，也会进入饱和态。任何状态下，只要U_CEQ小于U_CES，晶体管就处于饱和状态。
  在饱和状态下，再增加l_BQ，I_CQ则几乎不再增加，这是饱和的唯一关键特征。
  一般情况下，当认定发射结正偏，集电结也正偏，为饱和状态。

• 倒置状态
  除此之外，晶体管还有第4种奇异的状态，叫倒置状态。所谓的倒置状态，就是在放大电路中把集电极和发射极接反了。比如一个设计好的电路，按照晶体管管脚排列,正常接入就是放大电路，但是有人就粗心，把晶体管的管脚搞错了，该接集电极的插孔，接入了晶体管的发射极，而该接入发射极的插孔，就接成了集电极。这样，就使得电路中的晶体管处于了倒置状态。把它拔下来，c和e管脚颠倒一下，就好了。
  由于晶体管在PN结拓扑上，集电极和发射极没有本质区别，因此这样接一般不会烧毁晶体管，只是此时的晶体管β下降非常严重。
  一般情况下 ，当认定晶体管发射结处于反偏，集电结正偏时，为倒置状态。

上述中，前三种状态，是晶体管常见的工作状态:在模拟电路中，常工作于放大状态，避免出现截止或者饱和;而在数字电路中或者电力电子中，则期望晶体管或者处于截止状态，或者处于饱和状态，唯独不期望它出现放大状态。

2.7 晶体管电路的工作状态判断以及静态分析

晶体管电路的静态分析求解，决定了晶体管目前处于4种工作状态的哪一种，也就决定了晶体管电路的性质：

• 对模拟信号放大来说，晶体管在静态时一般处于放大状态。
• 对于数字信号传递或者运算时，晶体管一般处于饱和状态或者截止状态。 倒置状态比较特殊,一般很少使用。

判断晶体管工作状态的判断流程图如下图所示。

首先来看，如何判断一个电路是不是放大结构呢？

下图中的实线箭头，绘出了NPN、PNP晶体管正常放大状态时的静态电流方向，暂称为"期望电流方向”。在电路中，晶体管外部的电源都是试图让晶体管产生电流的，把晶体管的任何两极之间视为电阻，则电源会产生一个"电源电流方向”。在一个电路中 ，当“电源电流方向”与晶体管的”期望电流方向” 吻合，则该电路属于放大结构。

下图是各种不同类型的晶体管直流通路(β均为100)。所谓的直流通路，是完整电路中去除信号耦合部分(因为电容隔直通交，所以把电容部分电路去掉)，留下的只影响晶体管直流(静态)状态的那部分电路。利用它可以清晰计算出静态工作点。请判断下图中哪些电路属于放大结构。

可以看出，子图(a)、子图(b)、 子图(d)、子图(f)属于放大结构。其余都不是。在这些不是放大结构的电路中，实线为“期望电流方向”，虚线为“电源电流方向”。

子图(c)的电源电流方向与期望电流方向不一致，子图(e)中的电容阻断了基极的电源电流，子图(g)和子图(h)中不会产生基极电流。

学会了如何判断电路是否为放大结构后，我们继续按照流程图判断晶体管的工作状态。

先看流程图左侧，初步判断电路不属于放大结构。此时，如果对调晶体管的c和e极，电路变为放大结构，那么此前它一定是倒置状态，因为倒置状态的本质定义为，将放大状态下的晶体管，对调其c和e极，一定变为倒置状态。如果对调之后，仍不是放大结构，那么它一定是截止状态。

因此，以目前的能力，无需任何计算，就可以将“截止状态”和“倒置状态”判断出来。

再看流程图右侧。如果电路属于放大结构，那么它一定是放大状态或者饱和状态，到底是哪一种呢?这就需要静态估算，即图中的“估算静态工作点"。

所谓的静态估算，就是用简单的方法，大致计算出晶体管电路的静态，包括各支路电流，各节点电位。估算的核心，就是假设晶体管的U_BEQ 约等于0.7V。 除此之外，所有的计算，都依赖于最简单的欧姆定律、基尔霍夫定律。在静态估算中，一般要求给出的静态工作点，是给出I_CQ 和U_CEQ。 这两个值一旦获得，其工作状态一目了然。

晶体管静态估算的标准步骤如下：

1. 依据U_BEQ=0.7V，完成I_BQ的估算。
2. 假设晶体管处于放大状态，即I_CQ=βI_BQ，求解出U_CEQ。
3. 如果U_CEQ>=0.3V，则假设成立，晶体管处于放大状态，I_CQ和U_CEQ如前所求。
4. 如果U_CEQ<0.3V ，则假设不成立，晶体管处于饱和状态：U_CEQ强制等于0.3V ，并据此计算出I_CQ。其实，此时我们计算出这两个值，意义也不大了。

下面给出一个例题：

2.8 图解法

一般来讲，求下图电路中的I_BQ和U_BEQ有三种方法：估算法、函数求解法、图解法。

• 估算法，就是前一节所用的方法。它的核心是假设U_BEQ 约为0.7V。 一旦使用此假设， 后续求解就很简单，但这个假设是有误差的，因此估算结果不太准确。当供电电压越大，这种方法的误差越小。

• 函数求解法，它的核心是，必须知道输入伏安特性、输出伏安特性的数学表达式，然后通过解方程求解。

• 图解法，它的核心是，已知晶体管伏安特性图，。在图中通过伏安特性曲线和另一直线的交点，求解静态工作点的位置，然后目测结果。

2.8.1 输入伏安特性图解法

2.8.2 输出伏安特性图解法

2.8.3 两部件串联的图解法

部件A的伏安特性如图所示。

部件B的伏安特性如图所示。

将这两个部件连接成如图所示的电路。用图解法求解电路的输出

在电路中,输出电压是部件B两端的电压。因此,以部件B的伏安特性曲线为基础,在图中找到横轴等于U_I位置,以此位置为中心,将部件A的伏安特性曲线实施横向镜像,绘制在原图中,此时,两根曲线一定会有一个交点。此交点横轴即为输出电压,纵轴就是输出电流。

再举个例子：电路如下图所示，已知二极管的伏安特性，求输出电压。

运用图解法，首先绘制出二极管的伏安特性曲线，然后，在横轴1V的位置处，绘制200Ω电阻的伏安特性的镜像曲线。这样，两曲线的交点即为所求的输出电压。

当然，上述两小节的输入伏安特性及输出伏安特性也可以采用两部件串联的图解法。

• 对于输入伏安特性来说，回路电压就是3.2V，两个部件分别是R_B和晶体管的发射结。
  

• 对于输出伏安特性来说，回路电压是3.2V，两个部件分别是R_C和晶体管U_CEQ
  

2.9 动态求解方法——以硅稳压管为例

2.9.1 硅稳压管简要介绍

硅稳压管是一种特殊二极管。特殊在于它的反向特性。

普通二极管反向击穿电压很高，且击穿特性并不是十分陡峭；硅稳压管(齐纳(zener)二极管)，其正向特性与一般二极管近似，其反向特性中，第一，它的击穿电压一般比较低，可以小到几V，第二，它反向击穿时，曲线非常陡峭，且具有稳定，明显的击穿曲线。

由于它在正常使用(用于稳压)中工作在反向击穿状态,因此，其伏安特性可以反着画。

图中, U_Z指其击穿电压,是生产厂家在规定击穿电流为I_Z 情况下测得并发布的,是硅稳压管的重要指标。U_Z一般从几V到几百V ,取决于不同的稳压管型号。

而U_ZO是一个虚拟量,厂家并不公布,是教科书中为了用一根直线(细线)模拟击穿曲线而专门定义的,是指反向击穿曲线按照直线规律下降和横轴的交点电压。

按此近似模拟，硅稳压管正向区域可以描述为一个折线：

其中, r_Z称为稳压管的动态电阻,也是教科书规定的。

2.9.2 利用动态求解法求解变化量

电路如图所示，其中，U_ZO=8V， r_Z=10Ω。问：当u_i有±1V的变化量时，u_Z的变化量是多少？

附：将稳压管替换为动态等效模型(电阻)示意图。

2.10 双极型晶体管放大电路的动态分析

2.10.1 双极型晶体管的动态模型——微变等效模型

所谓的动态模型，是指一个新的电路结构，它由我们已经熟悉的电路元器件组成，包括电阻、电容、 电感、电源、受控源等。针对动态输入，也就是输入的变化量，该电路结构可以客观表征原晶体管各个节点电压、支路电流的变化量。
动态模型是完整模型的简化,有助于简化动态结果的求解过程,但只对动态输入,即输入变化量有效。

对于晶体管来说，晶体管低频动态模型只是用电阻、受控电流源即可实现。

2.10.2 动态分析的三个重要指标

1. 电压放大倍数A_u：
   也叫做电压增益，也可以用G表示，无单位。当输入正弦波的峰峰值为u_i，输出正弦波的峰峰值为u_o，则放大倍数为：
   
   电压放大倍数也常用dB(deciBel)表示，其定义为：
   
   常见的电压放大倍数和dB的关系如下表所示：
   

2. 输入电阻r_i：
   在放大电路正常工作时，针对输入信号而言，从放大电路的输入端看进去的等效电阻。即输入信号电压变化量除以由此产生的输入电流变化量。显然，它属于动态电阻。
   
   多数情况下，我们希望一个放大电路的输入电阻越大越好。这是因为，在实际应用的信号源中，为了防止因短接信号源正负极而导致电源烧毁，会在信号源内部串联上电阻。但是串联的电阻势必会分压，因此，我们希望信号源内部的电阻分压越小越好，也因此，增大放大电路的输入电阻，就会减少信号源内部的电阻的分压。

3. 输出电阻r_o：
   指输出端带负载的能力。放大器不带负载时，其输出端具有的输出信号电压，叫空载电压，当放大器输出端接上负载后，一般情况下输出电压会下降。输出电阻越小的，这种下降越微弱。
   因此，输出电阻越小，输出端的带负载能力越强。
   这也能够解释这一现象：为什么有的电池直接量取其电压为1.5V，但一旦用此电池驱动负载后，再量取电池电压时，会发现电池电压下降的厉害，可能仅为0.5V。这是因为电池用太久后，其输出电阻变大，导致其带负载能力下降。

2.10.3 动态分析的步骤

放大电路的动态分析，可分为如下三步：

1. 第一步，以晶体管微变等效模型为核心，针对原始电路画出动态等效电路
   对原电路画出动态等效电路，可按如下要点进行：
   ① 对电路中的电压不变点，实施接地。
   ② 对电路中的大电容(10~100μF)，实施短接。对电路中的小电容(几pF)，实施开路。
   ③ 将晶体管用晶体管的动态模型代替。
   ④ 整理画出动态等效电路图
   以下图电路为例，将其转换为动态等效电路
   

2. 第二步，依次求解电压放大倍数A_u和输入电阻r_i
   求解放大倍数时，要把输入和输出都写成i_b的表达式，然后消掉i_b即可得到放大倍数。
   以上面的动态等效电路为例。
   
   求解输入电阻r_i，既可以通过直接观察得出，也可以利用公式求得。继续以上面的动态等效电路为例。
   

3. 第三步，求解输出电阻r_o
   这里首先以另外一个放大电路为例，讲清楚求解输出电阻的思想。
   如图所示是一个电压控制电压源的放大电路，虚线内为放大电路本身，包括u_i输入，u_o输出，输入电阻r_i，输出电阻r_o，以及最为关键的放大环节：压控电压源A_uu_i。
   
   输出电阻r_o的计算，可按照如下步骤进行：
   ① 去掉负载电阻。(因为任何放大电路的输出电阻都与负载电阻无关)
   ② 让输入激励源为0。(对于上面的电路图，对电压输入短接即可，此时受控源会变为0)
   ③ 在输出端加一个虚拟电压源u_v，在电路中计算由此引起的i_v，则，
   
   按照上述步骤操作完成后，得到的电路图如下图所示。
   
   求解输出电阻的步骤和思想就是这样。接下来再回到最初的动态等效电路中，去利用此方法求解输出电阻。
   下图就是最初的电路以及对应的动态等效电路。
   
   根据上述方法，对动态等效电路进行处理，得到下图。
   
   由图无需计算便可知道。
   

2.10.4 放大电路动态静态综合求解电路举例

2.11 共基极、共集电极放大电路和PNP管电路