信号是怎么在晶体管中被放大的

前言：
从事电子通信行业的工程师想必大学都学过模电数电，但大学的教育大多只是对学生的行业认知起启蒙作用，很少有深入细致地讲解每种结构的工作机理，以及这些结构能被用来干什么。如果在上课的时候就被告知，我们接下来要学的某某器件结构会用在什么电路上起什么作用，想必学生的学习热情会高很多，半导体人才也不至于会有这么大缺口了。

大部分人在大学学的都是基于BJT的放大电路，但是实际使用的却更多是MOSFET结构。本文还是先从BJT开始分析。

单晶体管模型

根据掺杂不同可以分为NPN管和PNP管，有E（发射极）、B（基极）、C（集电极）三个极，两个PN结（发射结和集电结）。以NPN管为例，发射区电子浓度高会扩散到基区形成发射极电流IE；基区相当于水龙头的阀门，薄且空穴浓度低，少部分扩散来的电子会与空穴复合形成积极电流IB；集电区面积很大，加上正压后扩散到基区的电子大部分会漂移到集电区，形成集电极电流IC。IC比IB大很多，因而可以起到放大作用，IC=βIB。

根据两个PN结的偏置状态，BJT会处于截止、放大和饱和状态。

对应的输出特性曲线如下：

因为共射极接法可以放大电压和电流，使用最广，因此下面主要以NPN BJT的CE接法分析。

共射极电路的信号输入在基极，输出在集电极，发射极既在输入回路，也在输出回路，因此叫共射极，Common Emiter（CE），典型共射极放大电路如下。需要满足发射结正偏，集电结反偏的前提条件，因此需要在B极上加上直流偏置，保证晶体管打开，C极上加电压提供能量，输入的交流小信号加载在直流偏置上后，被“驮“到一个相对高的电平，大于VBE的开启电压Uth后，开始放大。集电极的输出电平也会有一个很高的直流分量，因此需要隔直电容滤掉直流分量，得到输入交流信号的放大信号。这些直流分量就是通常说的静态工作点，也是放大电路工作的前提。

在静态工作点，VBE=VBB-IBRB；VCE=VCC-ICRC；IC=βIB。因此VBE与IB同向，VCE与IC反向，IC与IB同向，输出uo与输入ui反向。在静态的基础上加上输入信号的微小摆幅，输出信号就在特性曲线上移动，摆出正弦波信号。输入电阻Ri=RB+Rbe+Rbb，输出电阻Ro=RC。
输入电阻上的电流产生的压降会损耗输入信号的幅值，因此输入电阻一般越大越好，保证输入信号衰减小；输出电阻上的电流产生的压降会损耗输出信号的幅值，因此输出电阻越小越好，保证能量都能输出到负载。MOSFET与BJT相比，信号输入的Gate与PN结之间有绝缘的SiO2完全隔开，输入电阻相当于∞，并且导通阻抗Rdson非常小，现代电路大多采用MOS管结构。

放大原理与BJT一样，G-B，S-E，D-C，和BJT一一对应，一般采用共源极接法。

差分放大电路

电路中用的最广的当属运算放大器，很多课本上只教了符号，但是没讲运算放大器是怎么实现的，以及为什么会有“虚短“和”虚断“。

两个MOS管结构完全一样，各电阻也对称设置，则两个MOS管的静态工作点也一样，各项电气参数相同。对于大小相等，极性相同的共模信号，uo=0。对于大小相等，极性相反的差模信号，Δuo=2*Δud。因为输入信号都接在Gate，因此电流为零，此为“虚断“；两个管子对称，参数一致，两个Gate电压相同，此为”虚短“。在此基础上就得到运算放大器。

在运算放大器基础上，利用闭环反馈，就可以实现反向同向、加减法、积分微分、指数对数等运算。这里较为简单，就不再详细解释了。

不得不说，集成电路真是项伟大的发明，其中凝聚的智慧让人望而生畏。
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