晶体管基础

电器工程 晶体管 基尔霍夫定律
2022-01-15 13:21:32

有件事困扰了我一段时间。当我查看涉及比 RLC 组件(可能还有运算放大器)更复杂的电路时,我很难弄清楚它在做什么,除非它是我以前见过的配置。

相比之下,我非常有信心,无论给我的 RLC 电路多么复杂,我最终都能弄明白。

现在,当我分析 RLC 电路时,我的工具基本上是

  • \$V = 红外\$

  • \$I = C \frac{dv}{dt}\$

  • \$V = L\frac{di}{dt}\$

  • 这些组件的并联和串联组合(我想这与基尔霍夫定律并没有真正分开,但是......)

  • 基尔霍夫定律

所以我要问的是我缺乏哪些工具来分析更复杂的电路?主要是我想知道如何分析涉及 BJT 和 FET 的电路。似乎晶体管的工作模式有很多,很难让它们保持一致。有人知道一个很好的网站,可以列出所有内容吗?

谢谢

编辑我还想提一下,在实践中,当温度变化时会有 \$V \neq IR\$ 之类的东西。我现在不关心这个,我同意 stevenvh 的观点,即需要模拟,但我希望能够将这些概念很好地理解为设计一个电路,然后我可以通过模拟等进行调整。

4个回答

晶体管在第一次近似时并不难理解,这足以至少理解许多电路中发生的事情。

以这种方式考虑 NPN 晶体管:您通过 BE 输入少量电流,这样就可以通过 CE 获得大量电流。多与少之比是晶体管增益,有时称为 beta,有时称为 hFE。一个小问题是 BE 路径看起来像一个硅二极管,因此通常会下降约 500-700mV。当 CE 路径允许的电流超过外部电路提供的电流时,它可以下降到大约 200mV。细节还在继续,但您可以通过 NPN 晶体管的简单视图完成很多工作。

PNP 与极性翻转是一样的。发射器处于高电压而不是低电压。控制电流流出基极而不是流入基极,集电极电流流出集电极而不是流入基极。

让我们先坚持一下双极晶体管并首先了解它们,因为这似乎是您要问的更多问题。FET 在第一次近似时同样易于理解,但我不想在这一点上混淆事物。

虽然上面的模型对于理解大多数晶体管电路很有用,但它提出了许多晶体管的使用方法,这些方法可能并不明显。使用 NPN 在概念上显而易见的方法是将发射极连接到地,将集电极连接到正电源,并串联一个电阻器。现在,基极电流的微小变化会导致集电极电压发生很大变化。

棘手的部分不在于理解晶体管的工作原理,而是想象你可以用这样的设备做的所有很酷的事情。进入所有这些对于在这里发帖来说太过分了。我建议您考虑一下我上面描述的简单模型,然后查找一些常见的晶体管电路拓扑,并思考如何利用晶体管的简单特性来做有用的事情。

根据简单模型具体查找和分析的内容有:

  • 共发射极配置。这是基本的放大器。一个特殊的问题是如何将晶体管保持在其范围的中间以有效地利用其放大能力。这被称为“偏见”。

  • 发射器跟随器。增益不仅仅是制造更高的电压。在这种情况下,您会获得略低的电压,但会获得更高的电流和更低的阻抗。

  • 现在看看一些多晶体管电路,并尝试了解它们在做什么,如何利用晶体管来发挥优势,以及设计人员必须经历哪些麻烦才能以一种有用的方式运行晶体管。

  • 当您感觉更舒适时,请查看更多不寻常的配置,例如通用底座。它不经常使用,但有其特定的优势。

使晶体管难以使用的原因是您必须了解许多相互影响的不同参数,而这些参数都不是线性的。因此,准确地模拟它们的行为并不容易,这就是我们使用 SPICE 等仿真工具的原因。你仍然需要知道你在做什么来设计电路,但是 SPICE 会帮助你检查你的设计/计算,有时你必须简化。
我不确定网站是否会全面介绍这一点。我认为一本好的教科书会给你更好的信息。也许其他人可以推荐一些。

从反复接触中学习并不是学习事物的坏方法。您将获得真正的实践知识,并了解解决典型问题的典型电路。

晶体管的问题在于它们不是线性器件,因此不会有任何简单的方程适用于几乎所有条件,例如无源器件。通常的方法是认识到在任何给定时刻,晶体管以几种特征方式之一运行 - 截止,激活,饱和。在这些模式中的任何一种中,您都可以应用一些近似值来分析晶体管电路,但必须理解这些近似值仅在限制范围内成立。

例如,如果您首先确定晶体管将在其有源模式下运行,然后您可以绘制小信号交流等效电路,其中晶体管(在最简单的模型中)被一个电阻器和一个电流 -依赖电流源。然后,您可以使用线性方程对等效电路产生良好的影响。为什么它被称为信号交流等效呢?因为如果你应用一个足够大的信号,你就会打破模型的限制;大信号输入可能会驱动晶体管截止或饱和,从而使模型无效。

模型越精细,您计算的响应就越准确。但是,坚持使用基本的 Common Emitter NPN:

  1. 底座上有两个电阻,用作分压器。通常,它们的值大致相同,使基准约为电源电压的一半。

  2. 发射极低于基极约0.6V。如果发射器上有一个电阻器,您现在可以计算出通过它的电流。

  3. 发射极电流也通过集电极。如果集电极上有一个电阻,您现在可以计算出其两端的电压。

DC就是这样。

对于交流电,基极上的几毫伏变化可能会变成集电极上的几伏。如果发射极电流(和/或集电极电阻)太大,或基极偏压为奇数,则会出现饱和或截止 - 这会使您输入的信号失真。这并不总是一件坏事(想想:吉他失真效果) .