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初級模擬電路:4-4 re模型詳解

2020-09-12 02:52:59 作業系統

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      re建模的基本思路是,將BJT晶體管的輸入埠(通常為發射結)近似視為一個等效二極管,將輸出端埠(通常為集電極和一個公共端子,公共端子是B還是E,取決于電路是共基接法還是共射接法)近似視為一個等效的受控電流源,

      下面我們分別詳細介紹共基、共射、共集組態的re模型,

 

 

1. 共基組態

      共基組態的基本接法和近似等效電路如下圖所示,我們這里先對npn型晶體管進行分析:

圖4-4.01 

      圖中,黑色字體的v和i是標準二埠的規定方向,而實際BJT中的電壓電流方向我們用藍色予以表示,

      注意上面電路中的電壓/電流符號用的都是交直流總和形式,下面我們進行直流和交流的分離:對于二極管,在靜態作業點附近可等效視為為一個交流電阻(參見:1-4 二極管的電阻);而對于受控電流源,其直流α引數和交流α引數是非常接近的,因此,可以得到純交流部分的等效電路如下圖所示:

圖4-4.02 

      對于純交流電路,我們所有的電壓電流引數使用的都是相量表示法(變數大寫、下標小寫,如:Vi、Ie),這個和交流分量的寫法(如:vi、ie)的含義是一致的,寫成相量形式表示法,對今后的計算會比較方便,

      (題外話:在電路基本理論中,這個名詞的寫法是“相量”(phasor),不是數學中的“向量”(vector),相量是一個復數!)

      下面我們計算共基組態re模型的4個典型交流引數:(交流)輸入阻抗、(交流)輸出阻抗、(交流)電壓放大倍數、(交流)電流放大倍數,為敘述簡潔,人們一般都會省略“交流”兩字,但你心里要清楚,這4個量都是基于交直流分離后的純交流電路而言的,

 

● 輸入阻抗:

      輸入阻抗比較簡單,從圖中一眼就可以看出,輸入阻抗就是二極管交流電阻:

 

● 輸出阻抗:

      從上圖4-4.02中可以看到,在二埠的輸出部分是一個受控電流源,其電流僅受輸入端的電流Ie控制,基本不受輸出端電壓Vo的影響,根據電路理論,理想電流源的內阻為無窮大(不管是獨立電流源還是受控電流源),因此,輸出阻抗為無窮大,

      比如:假設將輸入電流Ie置于0,則輸出電流Ic也為0,不管在輸出端外加多大的電壓Vo,輸出埠始終無電流通過,相當于開路狀態,則根據輸出電阻的定義式:

      事實上,上面這個結論只是由我們的re簡化模型的電路圖得出的理想情況,共基組態真實的輸出阻抗應該從晶體管共基組態的輸出曲線上讀出,從下圖的共基組態輸出曲線中可以看出,在放大區,每一根“輸出總電壓(VCB)”與“輸出總電流(Ic)”曲線的斜率都接近水平(即斜率k接近于0),則動態電阻(為斜率k的倒數)接近無窮大,但并不是真正的無窮大,一般根據廠商的實測資料,共基組態的BJT晶體管的輸出阻抗Zo通常都在兆歐級,在通常的簡化計算中,我們將其近似看作無窮大,

圖4-4.03 

 

● 電壓放大倍數:

      計算電壓放大倍數,需要在輸出端接上負載電阻,如下圖所示:

圖4-4.04 

      輸入電壓Vi和輸出電壓Vo分別為:

      因此電壓放大倍數為:

      說明:從上式可以看到,共基放大電路的電壓放大倍數不僅取決于BJT本身的性能,還取決于外接的負載電阻RL的值,

 

● 電流放大倍數:

      電流放大倍數為輸出電流Io和輸入電流Ii的比值:

案例4-4-1:對于下圖的共基組態re等效模型,已知IE=3mA,α=0.98,試求:(1)輸入阻抗;(2)電壓放大倍數;(3)電流放大倍數;

圖4-04.a1 

 

解:(1)輸入阻抗re由二極管的靜態作業電流決定:

 


 

(2)電壓放大倍數為:

 


 

(3)電流放大倍數為:

      對于pnp型晶體管,其分析方法也是類似的,只是其中有些電流與電壓的方向不同:輸入電流iI與輸入埠的實際電流iE同方向;輸出電流iO與輸出埠的實際電流iC反向,如下圖所示:

圖4-4.05 

      其4個典型交流引數的最終計算結果與npn型的結論是一致的:

 

 

2. 共射組態

      共射組態的基本接法和近似等效電路如下圖所示,我們這里同樣先對npn型晶體管進行分析:

圖4-4.06 

      然后進行直流和交流的分離:對于二極管,在靜態作業點附近可等效視為為一個交流電阻;而對于受控電流源,其直流β引數和交流β引數也是非常接近的,因此,可以得到純交流部分的等效電路如下圖所示:

圖4-4.07 

      下面我們計算共基組態re模型的4個典型交流引數:

 

● 輸入阻抗:

      輸入阻抗的計算式為:

      而Vbe為:

      將Vbe代入上式得:

      對于共射組態,一般的β典型值在幾十到幾百左右,re的典型值大概為幾歐到十幾歐左右,故輸入阻抗Zi的典型值一般為幾kΩ量級,

      算出輸入阻抗后,我們可以對共射組態的re模型電路作等效變形,把輸入和輸出的電路分離開,如下圖所示的樣子:

圖4-4.08 

      輸入阻抗化為一個獨立的βre(嚴格來講應該是(1+β)re,近似為βre),輸出電流仍然同Ic,并且受Ib控制,電路作了以上等效變形后,在后續的計算上會方便很多,后文中,我們都將使用這個等效變形后的共射組態re模型電路,

 

● 輸出阻抗:

      在二埠的輸出部分是一個受控電流源,其電流僅受輸入端的電流Ib控制,基本不受輸出端電壓Vo的影響,根據電路理論,理想電流源的內阻為無窮大(不管是獨立電流源還是受控電流源),因此,輸出阻抗為無窮大,

      比如,假設將輸入電流Ib置于非常小(近似于0),則根據輸出電阻的定義式:

      同樣的,上面這個式子只是由re簡化模型的電路圖得出的理想情況,真正的輸出阻抗應該從晶體管共射組態的輸出曲線上讀出,其輸出曲線如下圖所示,

圖4-4.09 

      輸出阻抗實質上就是輸出曲線的動態電阻,不過和共基組態相比,共射組態的各條輸出曲線并不那么水平,因此,其真正的輸出阻抗要比共基組態小得多,其在各點的輸出阻抗即為輸出曲線在這個點處的斜率的倒數,而且在不同點的輸出阻抗都不相同,靜態集電極電流IC越大,則斜率越陡,輸出阻抗越小,

      一般廠商在資料手冊中都會給出幾個典型作業點的測驗資料,對于共射組態的輸出阻抗Zo,其典型值大約在幾十kΩ左右,

      下圖是修正過的共射組態的re模型,圖中加上了非理想輸出電阻ro的影響:

圖4-4.10 

 

● 電壓放大倍數:

      計算電壓放大倍數,需要在輸出端接上負載電阻,為簡化說明概念,我們暫時先不考慮非理想輸出電阻ro的影響,如下圖所示:

圖4-4.11 

      輸入電壓Vi和輸出電壓Vo分別為:

      因此電壓放大倍數為:

      說明:從上式可以看到,共射放大電路的電壓放大倍數也不僅取決于BJT本身的性能,還取決于外接的負載電阻RL的值,負號表明,輸出電壓和輸入電壓的方向相反,

 

● 電流放大倍數:

      電流放大倍數為輸出電流Io和輸入電流Ii的比值:

 

● 厄利電壓:

      我們回顧一下上面的共射組態的輸出特性曲線(圖4-4.09),雖然各條曲線的斜率都各不相同,但它們之間其實是有規律的,所有的放大區的直線反向延長后都會交于一點,如下圖所示:

圖4-4.12 

      這個規律最早在1952年由James M. Early發現的,故圖中這個交點處的電壓VA稱為Early電壓(厄利電壓),一般厄利電壓的典型值在50~300V左右,知道了這個特性,輸出阻抗(即輸出曲線的動態電阻)就可以從靜態電壓電流計算得到,上圖中Q1點處的斜率為:

      由于VCEQ一般比VA小一個數量級,故上式可近似為:

      故在靜態作業點Q1處的輸出阻抗為:

      關于厄利電壓,一般只要知道一下其原理即可,實際應用中不常會用到,

 

 

3. 共集組態

      對于共集電極組態,通常采用和共射組態相同的re模型,其主要的應用就是“射極跟隨器”,在后面的章節中我們會詳細分析,

     

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( end of 4-4)


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