TI培训——电子电路基础知识讲座（第三章上）

第三章晶体管电路设计（上）
3.1 二极管电路
3.1.1 二极管的一般性质
3.1.2 二极管的伏安特性
3.1.3 二极管的动态特性
3.1.4 二极管的分类
3.2 三极管基本特性与三极管恒流源电路
3.2.1 NPN型三极管与恒流源放电电路
3.2.2 PNP型三极管与恒流源充电电路
3.3 共射放大电路
3.3.1 共射放大电路一般性质
3.3.2 放大电路的直流偏移
3.3.3 共射放大电路的失真
3.3.4 共射放大电路的阻抗与密勒效应
3.3.5 共射放大电路的设计

二极管的一般性质

二极管是最简单的双极性半导体元件，最初我们对它的认识仅停留在单向导电性这一层面，实际上，二极管的用途是非常丰富的。

二极管的通断
二极管是非线性元件，分析它在电路中的作用时，最重要的是搞清楚二极管有没有导通。当阳极和阴极之间加上0.7伏以上电压时，就会导通，否则就不导通。

对于任意电路中的二极管：

二极管如果不导通，那么就是开路，直接在电路中将其擦除再分析电路即可。
如果二极管导通，那么它就相当于一个0.7伏的电池，仅此而已。

二极管的伏安特性

知道二极管导通时等效为0.7伏电池就可以解决大多数问题，但是知道二极管的实际伏安特性曲线是什么样子也是很有必要的。

a图是二极管的实际伏安特性曲线。
实际二极管可能在0.5伏就开始导通，并且二极管的两端电压是会随着电流的增大而增大的，只不过变化很缓慢。
多数时候，我们近似成b图那样就行。认为0.7伏以上二极管就突然导通了。当然有的教材里面用的是0.6伏，这不影响学习。无论电流是多少，那么端电压就不再改变了。
虽然二极管不会主动产生能量，但是我们只看结果，不看过程，这个时候二极管就是一个0.7伏的电池。
个别时候，我们还可能把二极管近似看成c图。由于电流增加，电压确实会增加，于是就引入了二极管等效电阻r的概念。那一定要注意，这个等效电阻r 实际上是在伏安特性曲线当中各个点做切线求斜率的结果，所以 r 是一个变化量。
这种近似的，我们在后面三极管放大电路中会用到。

小结

二极管的动态特性

低频下，按电池理解二极管即可，但是当高频信号加载在二极管上时，就要考虑二极管的动态特性了。
二极管的单向导电性并不是十分理想，这是因为二极管的本质是由P型半导体和N型半导体接触形成的 PN 结。
PN 结除了构成单向导电的二极管外，还存在一个结电容。

结电容导致“双向”导电
结电容对二极管当然不是什么好事，这实际上使二极管可以流过一定量的反向电荷。
实际二极管需要一段时间来“恢复”反向阻断能力， trr 称为反向恢复时间（reverse recovery）。

不同工艺结构可以使结电容的大小不一样。
点接触型的 PN 结，可以减小结电容，但是会降低二极管的通流能力。
反之，面接触型的 PN 结，通流能力很强，但是结电容更大。

对单向导电性的影响

低频时，反向导电占整个周期的比例很小，二极管仍然可以看成是单向导电的。
高频时，如果反向导电占整个周期的比例很大，那么二极管就成为了”双向导电”的器件，也就无法使用了。

二极管的反向恢复过程

小结

由于结电容的存在，二极管存在一个反向导电的时刻。当频率很低的时候，反向导电占整个周期不大，我们宏观来看，二极管呈现的还是单向导电性；那如果反向导电时间占整个周期比重很大了，那么它就失去了单向导电性，成为双向导电器件，也就没有办法用了。

二极管的反向恢复曲线当中有一个反向高压 URP，这个值不能太大。约束这个值的量有这么两个：一个是反向恢复时间 trr 它要越短越好，而 tf 在 trr 中所占的比重要越大越好，这样才不至于产生高的反向电压 URP。

二极管的分类

快恢复二极管与肖特基二极管
稳压二极管
发光二极管

快恢复二极管与肖特基二极管

二极管按照反向恢复时间 trr 的大小可以分为：

普通二极管（Rectifier Diode）
快恢复二极管（Fast Recovery Epitaxial Diode，FRED）
肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode，SBD）

普通二极管的反向恢复时间 trr 长达毫秒级，基本只能用于对50赫兹工频交流电进行整流的场合，因此也称为整流二极管（Rectifier Diode）。典型的 1N400x 系列就是整流二极管。
快恢复二极管的 trr 时间是小于200ns的，一般在50纳秒以下，可以用于频率较高的电路中。数字电路中常用的 1N4148 就是典型的应用。
肖特基势垒二极管的反向恢复时间 trr 更短，可达到10纳秒数量级，并且它有两个特殊优点，一个是导通压降小（意味着功耗小），另一个是恢复软度大（不易产生反向恢复高压）。这两个优点使之特别适合低压开关电源电路，典型如 1N5819。

稳压二极管

双向导通

稳压二极管正向导通时，就是普通二极管的特性。
当它反向导通时，表现为特定电压的电池，这与正向导通其实差不多，只不过电压不是固定的0.7V。
稳压二极管首先必须是导通的，才能等效为电池，否则就是开路，可以把它擦掉处理。

稳压二极管稳压的本质
稳压二极管就接在一个10伏电源上，没有办法改变。

稳压二极管的正确使用方法

发光二极管

NPN型三极管与恒流源放电电路

三极管基本特性

晶体管分为三级管和场效应管，三极管电路的学习更具普遍性，场效应管的主要应用放到了电源管理的章节。
晶体管都可以分为 N 型和 P 型，具体到三极管就是 NPN 型三极管和 PNP 型三极管。
我们主要讲解常用的 NPN 型三极管，穿插介绍一些必须要使用 PNP 三极管的电路知识。

所以三极管应该工作在这么三个区域内：饱和区，截止区和放大区。

恒流源放电电路

三极管的特性就是 iC=βiB，没有什么神奇之处。
神奇的是利用三极管的特性所搭建的各种特殊功能的电路。
本节开始我们将陆续介绍那些流传至今仍在使用的电路。

首先 VE，它是等于稳压二极管上的5伏减去 UBE 间的0.7伏得到的，等于4.3伏。而 IC 约等于 IE 就等于 RE 上的电流，所以用 VE 除以 RE 就可以了，得到的是1毫安。而在这个公式当中，我们发现它与电容电压 UC 没关系，所以它是一个恒流源。

三极管电路的求解步骤

在分析有关三极管的电路时，可以先假定三极管处于放大区，满足 iC=βiB 以及 iC 约等于 iE。
然后再根据计算结果，反推 UCE 的取值是否合理，就可以判断之前的假设是否正确，从而得到三极管所工作的状态。

说明三极管并不处于放大区，而是处于饱和区。在认为 UCE 可以降到零的情况，我们可以计算出恒流条件下的最低电容电压应该为4.3伏。也就是说，当电容电压高于4.3伏的时候，三极管可以处于放大区，它可以恒流地给电容放电，那一旦低于4.3伏，三极管并没有坏掉，只不过此时三极管已经处于饱和区，按饱和区的特性来处理而已。

小结：

如同二极管是否导通性质截然不同，三极管是否处于放大区，性质也会截然不同。
我们一般都先假设三极管处于放大区，然后利用 iC=βiB 和 iC 约等于 iE 来求解电路，然后反推 UCE 是否合理。
如果 UCE 合理，说明三极管处于放大区，公式没有问题，原计算不用改动。如果 UCE 不合理，它不能小于0，最多只能等于0，三极管就是饱和了，则会多出 UCE=0 或者 UCE =0.2V 这样的条件（看是否忽略饱和管压降），同样可以重新求解电路。
三极管仍然是在工作的，只不过在不同的区域工作。
三极管的β值我们一般计算的时候都认为在100倍数量级，不会去真的计较它具体是多少。如果一个电路非得β等于123 才能工作，那么这是个失败的设计。
实际三极管造出来以后，会筛选一遍放大倍数，后缀名会体现放大倍数的大体挡位，但并不是说β越大就越贵的意思。
最后，三级管并不知道自己在电路当中扮演的是什么角色，它只是尽力使自己满足 iC=βiB 的性质。电路整体表现出来的特性（比如恒流源）是放大区是饱和区、是充电还是放电，是人们设计之后命名的一个结果。

PNP型三极管与恒流源充电电路

利用 NPN 型三级管是无法实现恒流源充电电路的，要实现充电恒流源，必须使用 PNP 型三极管，如图所示为 PNP 型三极管的等效电路。

P 型管的电路变换方法

在熟练掌握晶体管电路设计前，尽量不要直接去设计 PNP 管电路，而是应该集中精力掌握 NPN 管电路。

PNP 管电路是可以通过 NPN 管电路变换得来的，它的变换原则有三条：

将 VCC 与 GND 对调。
将电路中有方向性元件的正负方向对调。
将 N 管换成 P 管。

这是之前学习到的用 NPN 管构成的恒流源放电电路。

小结：

变换规则：

GND 与 VCC 对调
稳压二极管极性对调
P 管和 N 管对调

共射放大电路一般性质

突然有种模电白学了的失忆感。。不知道是老师没教还是我忘了。。

波形分析法：
1、首先画出横坐标和纵坐标。横坐标代表时间，纵坐标代表电压，类似于示波器界面看到的波形图。
2、画出15伏的电源电压的横线。因为输出信号 uO 是不可能超过15伏的。
3、画出8.5伏的横线，这个8.5伏实际上是输出电压的平均值。
4、根据表达式求出 uO 的最大值，也就是8.5伏减去-5得到的13.5伏。同样求出最小值，8.5减去5得到的是3.5伏。画出这两条横线。
5、再画时间轴，当 ωt=0.5π 的时候，uO 取得是最小值3.5伏；当 ωt=1.5π的时候，uO 取得是最大值13.5伏；而在0，π，2π时，uO 都取得是平均值8.5。把这五个点连起来，这就是输出电压波形。
6、输入电压波形如法炮制。最大值3伏，最小值1伏，平均值2伏，五个时间点连起来，这就画出了波形图。

通过画输入输出波形图，可以很直观的分析出这个放大电路是如何工作的，以及输入和输出的关系。

分析波形图
1、可以看出来，输出是被放大了，而且是反向放大，这确实是一个放大电路。
2、uO 的最大值和最小值都没有超过0和15，说明三极管始终工作在放大区，未饱和或截止。
3、输入信号 uI 的最小值是1伏，说明 BE 之间的二极管始终是导通的，也就是说 iB 一直存在。否则三极管也一定会截止（没有iB就没有iC）。
小结：

放大电路的直流偏移

小结：

共射放大电路的失真

共射放大电路的饱和现象

图示电路，是之前学到的共射放大电路。波形非常漂亮，输入和输出没有失真，完美的放大。
实际上，这个参数是精心设计的，它保证了三极管始终工作在放大区，也就是一直满足 iC = βiB。
本节我们将设计另一些例子，让三极管不总是能工作在放大区。

uO 的最小值低于0伏会怎样？我们想把输出波形往下拉，如何调整给定参数来观测这一现象呢？

共射放大电路是反相放大，输出要往下，实际上我们输入偏置要往上。

uO 的输出电压其实并不是一根线的削底的关系，它的输出电压还受 Ve 的钳位，即不可能低于 Ve 值。而 Ve 是由输入电压减去0.7得到的。实际 Ve 波形有这么一个弧度，所以真正的饱和失真的输出电压波形并不是一根线的削底。

共射放大电路的截止现象

同样是一个共射放大电路，如果我们想 uO 的值最大呢，高于15伏会有什么样的结果？我们想把输出电压往上升，同样的，我们偏置应该往下降，因为共射放大电路的反相放大关系。

小结：

所谓饱和失真，其实就是一个削底的失真。注意这个削底，负半轴的电压波形实际上还受 Ve 的钳位，所以它的波形是 uI 减0.7伏；而截止失真是一个削顶的情况。

共射放大电路的阻抗与密勒效应

电压源的交流等电位

共射放大电路的输入阻抗和输出阻抗

分析电路的输入输出阻抗是十分有必要的，部分反映了电路性能的优劣。放大电路中输入输出阻抗，如无特需说明，都是针对交流信号而言的。对于通常的电压信号，电路的输入阻抗越大，输出阻抗越小，那么这个电路的性能就越优。

共射放大电路的优点：输入阻抗较大
缺点：输出电阻太大

共射放大电路的密勒效应

小结：

共射放大电路的设计

想要大概了解共射放大电路的原理是很简单的，几行数学推导就够了。但是想要真正设计好一个共射放大电路却并非容易的事，我们用了 N 个小节来学习共射放大电路的细节问题，有了这些知识的储备，就可以开始真正设计电路了。

这节内容有点难理解。。。

什么是静态功率？为什么Rc越小静态功率越大？如何计算静态功率？

为什么是十分之一对电路的影响不大？

也就是说，如果R2取值太大了，流经R2的电流就会过小，那么就不能忽略基极支路的电流，这点的电位就不能单单由R1和R2这两个电阻决定。

小结：