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偏置后的BJT:用小信号模型分析BJT

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本文介绍了两种可用于分析双极结型晶体管的小信号行为的电路。

     

    我们经常使用BJT作为简单的电气开关(如我之前关于BJT开关/驱动电路的快速分析的文章中所述  )。这些应用集中在晶体管的“大信号”条件下,这意味着决定晶体管工作模式的直流电流和电压以及流入或流出其基极,集电极和发射极的总电流。

    BJT还能够放大小幅度信号,这些放大器应用将我们引入“小信号”领域。这个领域并不能代替大信号条件; 相反,小信号操作叠加在大信号操作上。我们使用大信号条件来偏置晶体管,并且给定电路施加的偏置条件影响BJT的小信号行为。

     

    小信号模型

    在BJT偏置之后,我们可以专注于小信号操作,当我们用更简单的电路元件替换BJT时,小信号分析更容易,这些电路元件产生与晶体管相当的功能。请记住,这些模型与小信号操作相关,此外,在建立大信号偏置条件之前,不能使用模型。

     

    混合π模型

    我们将讨论的第一个小信号模型称为混合π模型,它看起来像这样(对于NPN晶体管):

     

     

    如您所见,它有三个与BJT的基座,集电极和发射器相对应的端子。流入基极的电流由基极 - 发射极电压(V BE)和Rπ确定,集电极电流由电流控制的电流源产生。正如大信号NPN一样,集电极电流流入集电极,基极电流流入基极,发射极电流流出发射极,是基极电流和集电极电流之和。

    集电极电流等于β倍我乙,这并不奇怪。I B由V BE和Rπ确定,这就是偏置条件发挥作用的地方:

     

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    T模型

    在某些情况下,您可能更喜欢使用以下混合π模型的替代方法:

     

     

    这称为T模型。它看起来与混合π模型有很大的不同,但它们在所有情况下都是有效的并且会产生相同的结果(只要你得到正确的数学)。使用T模型,您再次需要知道大信号集电极电流(计算g m),因为电阻R E计算如下:

     

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    使用模型

    BJT小信号模型是电路图中BJT符号的直接替代品。确定偏置条件后,移除BJT,插入小信号模型,并将先前的基极,集电极和发射极节点连接到模型的基极,集电极和发射极端子。

    下一步不是那么明显:您需要用短路替换每个直流电压源,并且每个直流电流源都需要一个开路,因为这与它们在小信号操作环境中的行为相对应。请注意,原理图中仅作为电源电压出现的“电压轨”(例如,V CC,V DD)变为接地连接,因为轨道实际上是绘制连接一个端子的正常电压源的简便方式到地面。

    此时,您已将电路从大信号转换为小信号,并且您已准备好继续执行标准电路分析程序。

     

    考虑早期效应

     如果您想要更全面的解释,我有一篇文章可以作为早期效果的介绍。然而,简而言之,早期效应是指在BJT内部发生的现象,并且导致有源模式集电极电流受到集电极电压的影响。更具体地,集电极 - 发射极电压的增加导致集电极电流的增加。

    如果作为半导体工程师的您考虑上面显示的小信号模型,您可以看到它们没有包含早期效应:影响集电极电流的唯一小信号变量是基极电流,发射极电流或基极电流。发射极电压。如果我们希望小信号模型更准确,我们需要考虑早期效应。

    幸运的是,这很容易做到。我们所需要的只是一个连接在集电极和发射极之间的电阻。

     

     

    该电阻表示小信号输出电阻,计算方法如下:

     

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    增加这个电阻具有直观的意义:早期效应告诉我们,更高的集电极 - 发射极电压将导致更高的集电极电流,并且通过添加该电阻,我们在集电极和发射极之间打开一个直接受影响的额外电流路径通过集电极 - 发射极电压。

     

    结论

    我们简要介绍了在放大器分析的背景下将大信号条件与小信号行为分离的概念,并且我们研究了两个与小信号功能相对应的电路结构(混合π模型和T模型)。双极结型晶体管。在快速解释如何将这些模型结合到BJT电路分析中之后,我们讨论了使用集电极 - 发射极电阻器来解释早期效应的改进版本。