初级模拟电路：3-5 共射组态

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      在这一小节中，咱们详细分析BJT的共射组态电路，共射组态是BJT最经常使用的一种放大组态。在BJT的共射组态中，“输入端口”和“输出端口”共用BJT的射极端子（故称为“共射”），造成一个双端口网络，以下图所示：

图 3-5.01 

      咱们能够将其画成如下的PN结形式，来分析在共射组态电路链接的偏置下，载流子的流动状况：

图 3-5.02 

      咱们以上面左图的npn为例进行分析：在图中，发射极结正偏，且使V_CC大于V_BB从而使得集电结反偏。

      先来看发射结得状况：当发射结正偏时，发射区的自由电子大量进入基区，造成发射极电流I_E。因为基区掺杂浓度很低，从发射区过来的自由电子只有很小一部分能与基区的空穴复合，而后在基区的价带运动到基极端子，再经过导线回到电源V_BB的正极，从而构成基极电流I_B（通常为微安级）。

      前面说过，基区一般作得很是薄，因此从发射区过来的大量剩余的自由电子，会继续向前运动穿过反偏的集电结，从而进入集电区，而后在电源V_CC正极的吸引下，在集电区的导带运动到集电极端子，再经过导线回到电源V_CC的正极，从而构成集电极电流I_C。

      至于由基区的空穴运动构成的电流，因为基极的掺杂浓度很低，对总电流的影响很小，故基极的空穴电流咱们就忽略不考虑了。

      从图中能够看到，在共射组态时，基础公式仍然成立：

      在后面的分析中，咱们都将以npn型晶体管为例进行分析；pnp的分析方法实际上是同样的，只是电流方向相反而已。

 

1.   输入特性

      共射组态型电路的输入特性（input characteristics）是指：在必定的输出端电压V_CE下，输入电压和输入电流之间的关系（即：V_BE-I_B伏安关系）。

图 3-5.03 

      从上图中咱们能够看到，V_BE-I_B的伏安曲线与二极管特性曲线很类似，只不过输入电流的当量等级小了不少，为微安级。并且和共基组态相似，不一样的输出端口电压（这里是V_CE）对于输入特性的影响很是小，几乎能够忽略输出端口电压对输入特性的影响。

      和共基组态同样，共射组态的输入特性也能够像二极管那样作分段近似：当小于0.7V时视为截止，到达0.7V后视为导通。

 

2.   输出特性

      共射组态型电路的输出特性（output characteristics）是指：在必定的输入电流I_B下，输出电流与输出电压的关系（即：V_CE-I_C伏安关系）。

      共射组态电路的输出特性伏安曲线图以下图所示：

图 3-5.04 

      在上图中咱们能够看到，输出特性伏安曲线图一样分为3个区域，分别是：放大区、截止区、饱和区。可是和共基组态的输出特性曲线有几点不一样，咱们将二者的曲线图并排放置于下，能够看出有如下几点不一样：

图 3-5.05 

      ● 在共射组态下，放大区的伏安曲线并不像共基组态那样十分水平，而是有略微的倾斜；

      ● 共射组态的截止区再也不所有位于横坐标之下，而是位于横坐标之上的小块区域；

      ● 共射组态的饱和区也再也不是输出端口电压小于0的区域，而是当输出端口电压V_CE小于某个阈值V_CEsat后，就进入饱和区。

      下面咱们对各个区域分别进行详细描述：

 

（1） 放大区

      放大区（active region）是图中绿色部分，占据曲线图的大部分面积。当共射组态电路的：发射结正偏、集电结反偏时（就是咱们前面分析过的最经常使用的偏置组合），输出伏安曲线就处于放大区。

      对于放大区范围内的伏安特性曲线，咱们能够看出如下2个特性：

      ① 在放大区范围内伏安曲线再也不水平，这说明输出端口电压V_CE对集电极电流I_C会产生必定的影响。

      ② 对于每个特定基极电流I_B，都有一根对应的输出特性伏安曲线。而且基极电流I_B为微安级，而输出电流I_C为毫安级。

 

（2） 截止区

      截止区（cutoff region）是图中红色区域部分。按定义来说，就是发射结偏置电压为0或反偏，而集电结正偏的区域。与共基组态不一样的是，因为共射组态电路接法的特殊性，当基极电流I_B为0，若集电结偏置使得V_CE大于0时，输出电流I_C并不为0，而是有一点略微的正值的。咱们将共射组态的电路以PN结的形式重画于下：

图 3-5.06 

      在上右图中咱们能够看到，发射结开路，使基极电流I_B为0。但从总体来看，因为中间的基极很是薄，整个三极管近似可视为一个电阻很大的纯N型半导体，只是中间稍微有点PN结的阻碍。当外加电压V_CE加在其上时，会产生一个电流I_CEO（这里“O”的意思是基极开路），这个电流比之前说的PN结反偏电流要大不少（大约0.1毫安级），通常不能忽略。

      所以，共射组态的截止区定义为输出电流I_C小于I_CEO部分的区域，即图中红色部分。也就是当I_B≤0时的输出区域。

 

（3） 饱和区

      饱和区（saturation region）是图中橙色部分。从定义上讲，当共射组态电路的：发射结正偏，集电结也正偏（V_CB<0）时，伏安曲线就处于饱和区。咱们仍以PN结图的形式来讲明：

图 3-5.07 

      当发射结正偏时，V_BE的大小通常为0.7V左右。在上图中，要使集电结正偏，V_CE的电压就必须小于V_BE，当集电结开始正偏时，这个正偏电场会对发射极过来的电子产生一个阻力，使得从发射极过来的电子变少，表如今输出伏安特性曲线上就是随着V_CE的减少，I_C开始变小。当集电结正偏继续增大到某一阈值后（即V_CE继续减少到某一阈值后），发射极过来的电子会急剧减小（即I_C急剧减少）。在输出特性曲线图上，这个值标记为V_CEsat（sat是“saturation”的简写，意思是“饱和”），这个V_CEsat的典型值通常为0.1~0.3V左右。V_CE小于V_CEsat越多，集电结就正偏的越厉害，它对自由电子的阻碍就越大，I_C就越减少。

      所以，当发射结正偏时，V_CE若小于V_CEsat，咱们就说：共射电路进入了饱和区。

 

3.   参数β

      参数β通常由共射组态电路来定义，咱们将图3-5.02重画于下：

图 3-5.08 

      在上图中，咱们定义直流参数β_dc为：电流I_C流与电流I_B的比值。用公式表示即为：

      再定义交流参数β_ac为：当V_CE不变时，“集电极电流微小变化”与“基极电流微小变化”的比值，用公式表示即为：

      交流参数β_ac的正式名称为共射前向放大系数（common-emitter, forward-current, amplification factor）。大多数状况下，直流参数β_dc和交流参数β_ac的大小很是接近，能够相互通用。对于实际器件，通常β的典型值在50~400之间。

      在BJT的数据规格书上，一般用h_fe来表示β_ac参数，至于为何叫h_fe，这个是根据电路理论的二端口混合参数进行定义的，咱们在下一章讲BJT放大电路的交流分析时再讲。

 

● 参数β和参数α的关系

      通常β参数的定义也能够用于共基组态电路，所以根据前面α和β参数的定义，再加上电流总关系式，能够推导出α和β参数之间的换算公式，咱们将三个关系式列于下：

      将这三个式子联立进行计算，消去其中的I_E，I_B，I_C，最后可得：

      另外，还有一个从上式导出的关系式咱们也常常用到：

 

4.   击穿区域

      和共基组态相似，在前面图3-5.04的共射组态输出特性伏安曲线图上， V_CE不能无限制增大，当V_CE超过某一阈值后，集电极电流I_C会急速增加。就像普通二极管的反向击穿同样，集电结的反偏电压若是太大，也会发生反向击穿。以下图所示：

图 3-5.09 

      在图中咱们能够看到，击穿电压标记为V_(BR)CEO，也有的教材或规格书中把它标为BV_CEO的，基本都是一个意思。这张图里稍微有点怪异的地方是，当I_B很小时，I_C在击穿区域内有一段是呈负电阻状态，即：I_C增大但同时V_CE减少。这个是因为“厄利效应”产生的，这里咱们能够先无论它。在设计电路参数时，只需注意不要让BJT进入击穿区域就能够了。

     

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（ end of 3-5 ）