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偏置后的 BJT:使用小信號模型分析 BJT

出處:維庫電子市場網(wǎng) 發(fā)布于:2024-12-31 17:06:01 | 470 次閱讀

  確定晶體管工作模式以及流入或流出其基極、集電極和發(fā)射極的總電流的直流電流和電壓。
  BJT 還能夠放大小幅度信號,此類放大器應(yīng)用將我們帶入“小信號”領(lǐng)域。該境界不取代大信號條件;相反,小信號操作疊加在大信號操作上。我們使用大信號條件來偏置晶體管,而給定電路施加的偏置條件會影響 BJT 的小信號行為。
  小信號模型
  BJT 偏置后,我們可以專注于小信號操作,當(dāng)我們用可產(chǎn)生與晶體管等效功能的更簡單電路元件替換 BJT 時(shí),小信號分析會更容易。請記住,這些模型僅與小信號操作相關(guān),而且,在建立大信號偏置條件之前,您不能使用這些模型。
  混合π模型  我們將討論的第一個(gè)小信號模型稱為混合 π 模型,它看起來像這樣(對于 NPN 晶體管):

  正如您所看到的,它具有三個(gè)端子,分別對應(yīng)于 BJT 的基極、集電極和發(fā)射極。流入基極的電流由基極-發(fā)射極電壓(V BE )和R π決定,集電極電流由電流控制的電流源產(chǎn)生。與大信號NPN一樣,集電極電流流入集電極,基極電流流入基極,發(fā)射極電流從發(fā)射極流出,為基極電流和集電極電流之和。
  集電極電流等于 β 乘以 I B,這并不奇怪。 I B由 V BE和 R π決定,這就是偏置條件發(fā)揮作用的地方:
  $$R_{\pi}=\frac{\beta}{g_m}$$
  $$g_m=跨導(dǎo)=\frac{I_{C_{BIAS}}}{V_t}$$
  因此我們需要 I B來確定 I C,需要 R π來確定 I B,需要 g m來確定 R π,需要 I CBIAS(即大信號集電極電流)來確定 g m。
  可以重新表述混合π模型,以便直接從 V BE計(jì)算到 I C。如果將 β 替換為 g m R π,則有 I C = I B g m R π = g m V BE。
  T型  在某些情況下,您可能更愿意使用以下混合 π 模型的替代方案:

  這稱為 T 模型。它看起來與混合 π 模型有很大不同,但它們在所有情況下都有效,并且會產(chǎn)生相同的結(jié)果(只要數(shù)學(xué)正確)。使用 T 模型,您再次需要知道大信號集電極電流(以計(jì)算 g m),因?yàn)殡娮?RE計(jì)算如下:
  $$R_E=\frac{\alpha}{g_m}$$
  可以使用以下公式計(jì)算參數(shù)α:
  $$\alpha=\frac{\beta}{\beta+1} $$  與混合π模型一樣,T模型可以使用電壓或電流作為控制電流源的變量。在 T 模型中,電流源的表達(dá)式為 g m V BE(如上所示)或 αI E:

  使用模型
  BJT 小信號模型可以直接替代電路圖中的 BJT 符號。確定偏置條件后,移除 BJT,插入小信號模型,并將之前的基極、集電極和發(fā)射極節(jié)點(diǎn)連接到模型的基極、集電極和發(fā)射極端子。
  下一步并不是那么明顯:您需要用短路替換每個(gè)直流電壓源,用開路替換每個(gè)直流電流源,因?yàn)檫@對應(yīng)于它們在小信號操作中的行為。請注意,原理圖中出現(xiàn)的“電壓軌”(例如,V CC、V DD)僅作為電源電壓變?yōu)榻拥剡B接,因?yàn)殡妷很墝?shí)際上是繪制具有一個(gè)端子的正常電壓源的簡寫方式接地。
  此時(shí),您已將電路從大信號轉(zhuǎn)換為小信號,并且準(zhǔn)備好繼續(xù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)電路分析程序。
  考慮早期效應(yīng)
  如果您需要更全面的解釋,我有一篇文章可以介紹早期效果。然而,長話短說,早期效應(yīng)是指 BJT 內(nèi)部發(fā)生的一種現(xiàn)象,導(dǎo)致有源模式集電極電流受到集電極電壓的影響。更具體地,集電極-發(fā)射極電壓的增加導(dǎo)致集電極電流的增加。
  如果您思考上面顯示的小信號模型,您會發(fā)現(xiàn)它們沒有包含早期效應(yīng):影響集電極電流的唯一小信號變量是基極電流、發(fā)射極電流或基極電流。發(fā)射極電壓。如果我們希望小信號模型更加準(zhǔn)確,我們需要考慮早期效應(yīng)。  幸運(yùn)的是,這很容易做到。我們所需要的只是在集電極和發(fā)射極之間連接一個(gè)電阻。

  該電阻代表小信號輸出電阻,計(jì)算公式如下:
  $$R_{O_{SS}}=\frac{V_A+V{_{CE_{BIAS}}}}{I_{C_{BIAS}}}$$
  早期電壓 (V A ) 通常會明顯大于集電極到發(fā)射極電壓,因此您可以將其簡化如下:
  $$R_{O_{SS}}=\frac{V_A}{I_{C_{BIAS}}}$$
  添加此電阻具有直觀意義:早期效應(yīng)告訴我們,較高的集電極到發(fā)射極電壓將導(dǎo)致較高的集電極電流,通過添加此電阻,我們在集電極和發(fā)射極之間打開一條直接受到影響的附加電流路徑由集電極到發(fā)射極電壓。
  結(jié)論
  我們簡要介紹了在放大器分析的背景下將大信號條件與小信號行為分開的概念,并且我們研究了與小信號功能相對應(yīng)的兩種電路結(jié)構(gòu)(混合 π 模型和 T 模型)雙極結(jié)型晶體管。
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