0. 緒言

0.1 什么是電子技術

電子元器件包括三個層面的技術：第一層是電子元器件的設計生產，第二層是利用電子元器件實現某種實際的功能，第三層是把若干個功能模塊組成一個系統。

電子技術就是完成第二層面的工作，它的核心定義是，以集成電路、分立元器件等電子零部件為基礎，設計生產出符合要求的功能電路或者獨立小系統。

一般來講，電子技術又被分為信息電子技術、功率電子技術(又叫電力電子技術)兩類，前者以采集信息、處理信息、釋放信息為核心，手機、電腦、醫療設備等都屬于此類；后者以控制大功率設備為主，比如電網中的電能質量監測和改善、大功率電源、電動汽車等都屬于此類。

在信息電子技術中，又包含模擬電子技術和數字電子技術。

0.2 模擬電子技術

對原始信號不進行數字化處理的電子技術，稱為模擬電子技術。專門研究數字信號的運算處理的電子技術稱為數字電子技術。

模擬電子技術一般分為信號的放大、信號的調理、信號的功率驅動、信號的產生，以及專門的電源技術。由于我們生活的世界中，存在的信號都是模擬信號，我們的感官也只能接受模擬信號，因此，無論數字電子技術怎樣發展，它都不能取代模擬電子技術。比如我們現在使用的手機都是數字化手機，但是麥克風拾取說話聲音，喇叭發出對方的說話聲都是模擬技術在發揮作用。雙麥克風降噪技術,可以把遠處嘈雜背景音幾乎全部去掉,而只保留主人說話的聲音，就是一個典型的模擬技術應用。

0.3 模擬電子技術的學習方法

以解決實際電路問題為主

學習過程中，不再嚴格遵循“公理——定理——推論”的流程。在很多場合，結論可能是來自于試驗科學，公式可能是一個近似公式。請合理應用它們

熟練掌握仿真軟件。Multism、TINA、PSPICE等均可。

對關鍵電路進行“理論估算——仿真驗證——對比分析”。

注重實驗與仿真。

1. 晶體管分類

1947年肖克利發明的晶體管，屬于雙極型晶體管[Bipolar Junction Transistor-BJT]。 此外，晶體管還有另外一個分支，叫場效應管(Field effect Transistor-FET) ，由結型場效應管(Junction Field Effect Transistor-JFET，1952年誕生)和應用更為廣泛的金屬氧化物半導體場效應管( Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor-MOSFET，1960年誕生)組成。它們各有特點，應用于不同的場合，且到目前為止，長期共存。

2. 雙極型晶體管的原理及其放大特性

2.1 晶體管的引入

為了實現對電壓信號的放大，可以通過受控源來實現。受控源共有四種類型：電壓-電壓受控源(VCVS)、電流-電壓受控源(CCVS)、電壓-電流受控源(VCCS)、電流-電流受控源(CCCS)。

可惜的是，目前為止，實現VCVS功能的，只有變壓器，而且只能放大高頻信號，無法放大低頻或直流信號；且目前沒有實現CCVS功能的器件。

不過能夠實現CCCS功能的器件已經在1947被發明出來了，就是BJT。

實現VCCS功能的器件也在1952年被發明，就是JFET，并且在1960年時，MOSFET也誕生了，它們兩個也屬于晶體管，合成為FET。

2.2 雙極型晶體管

如下圖所示，晶體管中箭頭方向代表了管子的類型:箭頭向外的，是NPN型，箭頭朝里的，是PNP型。因此，一個箭頭起到了兩個作用:第一， 標注了哪個管腳是發射極，第二，指明該晶體管是NPN還是PNP。

BJT的電流定義非常簡單，它依從于發射極電流的方向。對NPN管，發射極電流i_E是流出的，那么基極電流i_B和集電極電流i_C都定義為流入的。對于PNP管，發射極電流i_E是流入的，那么基極電流i_B和集電極電流i_C都定義為流出的。

對于NPN管，基極是P型半導體，定義基極電位減去發射極電位為發射結電壓u_BE,此值為正值才能讓發射結的PN結處于正向導通狀態。
對于PNP管，基極是N型半導體，定義發射極電位減去基極電位為發射結電壓u_BE,此值為正值才能讓發射結的PN結處于正向導通狀態。

完成上述的基本定義后，給出晶體管表現出的最簡單的規律：

• 晶體管的三個管腳的電流，永遠滿足KCL：i_B + i_C = i_E
• 在晶體管處于放大狀態下，它的集電極電流i_C唯一受控于基極電流i_B，而與C、E兩端的電壓u_CE無關：i_C = βi_B

因此，晶體管其實就是一個受控電流源。

2.3 NPN型晶體管的伏安特性

描述一個電學器件的特性，最直觀的方法就是了解其伏安特性。晶體管有三個引腳，因此晶體管的伏安特性一般有兩種：輸入伏安特性和輸出伏安特性。

• 輸入伏安特性
  晶體管的輸入伏安特性，是指在一個確定的u_CE下，基極電流i_B與發射結電壓u_BE之間的關系。
  一般情況下，當u_BE>0.7V時，晶體管的i_B開始呈現出較為明顯的電流。
  

• 輸出伏安特性
  晶體管的輸出伏安特性，是指在一個確定基極電流i_B下，集電極電流i_C與u_CE之間的關系。
  
  
• 簡化的輸出伏安特性
  

2.4 靜態和動態

靜態，是指某一特定的 ，不變化的狀態。比如給一個無源部件施加一個電壓，此時部件確定，電壓不變，流過部件的電流也不會變化，電路中所有參量都處于靜止狀態，這就叫靜態。研究靜止狀態下，各個參量之間的關系，稱為靜態分析。
靜態時的所有量，都用一個下標Q(quiescent，靜止、沉寂)來表達。比如U_Q,代表靜態時部件兩端的電壓，而l_Q，則代表靜態時流過部件的電流。

動態，是指電路中某一個量發生一定數量的變化 ，導致其它參量隨之發生一定的變化 ，這種變化的狀態，稱為動態。研究動態時變化量之間的關系，稱為動態分析。

2.5 靜態和信號的耦合

要想實現完美的放大，就要讓晶體管在不加入信號的時候，就處于一個較為合適的位置。這個合適的位置，就是晶體管的靜態工作點。

所謂的靜態工作點，是指晶體管放大電路在電源供應正常，且沒有施加輸入信號的情況下，晶體管各管腳電流以及電壓的集合 ，它是對靜態的準確描述，通常在輸入、輸出伏安特性圖中， 表現為一個確定的位置，因此稱為靜態工作點。該點用Q表示，代表該點的電壓、電流量以下標加Q ,全大寫表示。

要想讓晶體管對輸入電壓信號進行有效的放大，必須解決兩個問題:確定合適的靜態工作點，以及完成對信號的輸入耦合，輸出耦合。

何謂耦合？耦合，英文為coupling，源自couple (兩個東西的對接)。雖然在不同的領域耦合有不同的解釋，但是在電子學領域，耦合的含義是兩組或者兩組以上的電子學系統通過合適的方法(無論有線、無線，電阻、電容、變壓器或者空間場),實現能量或者信息的傳遞。

下圖電路是一個靜態工作點合適的電路，那么如何連接，才能使輸入信號u_i(交流信號)介入到這個電路中？這個問題也可以叫做：輸入信號如何耦合到放大電路中，或者叫如何實現輸入耦合。

下圖電路給出了一種解決方案，它即解決了輸入耦合，也解決了輸出耦合。該電路的全稱是“"NPN管組成的阻容耦合共射級單級放大電路”。C₁實現輸入耦合，C₂實現輸出耦合。

這種阻容耦合方法的缺點是：只能耦合交流信號，阻隔了低頻或者直流信號。

2.6 晶體管的四種工作狀態

• 截止狀態
  是指晶體管基極沒有產生明顯的電流，即l_BQ 非常小，導致I_CQ 也很小，就像整個晶體管沒有導通一樣。至于多么小算截止，取決于電路的具體要求。
  一般情況下 ，當認定發射結零偏或者反偏，而集電結反偏時，為截止狀態。

• 放大狀態
  是指晶體管處于l_BQ 合適，且滿足l_CQ=βl_BQ 的狀態，在輸出伏安特性圖中，靜態工作點處于放大區。這種狀態是模擬電子技術最常使用的狀態，此時，輸入導致i_B 變化，會相應引起i_C變化。
  一般情況下 ，當認定發射結正偏，且集電結反偏時，為放大狀態。

• 飽和狀態
  飽和狀態是指在晶體管;在輸出伏安特性圖中，進入了飽和區。此時，l_CQ<βl_BQ且隨U_CEQ變化。飽和狀態容易被人理解為I_CQ 太大，大到不能再大了。這是錯誤的，I_CQ 很小時，也會進入飽和態。任何狀態下，只要U_CEQ小于U_CES，晶體管就處于飽和狀態。
  在飽和狀態下，再增加l_BQ，I_CQ則幾乎不再增加，這是飽和的唯一關鍵特征。
  一般情況下，當認定發射結正偏，集電結也正偏，為飽和狀態。

• 倒置狀態
  除此之外，晶體管還有第4種奇異的狀態，叫倒置狀態。所謂的倒置狀態，就是在放大電路中把集電極和發射極接反了。比如一個設計好的電路，按照晶體管管腳排列,正常接入就是放大電路，但是有人就粗心，把晶體管的管腳搞錯了，該接集電極的插孔，接入了晶體管的發射極，而該接入發射極的插孔，就接成了集電極。這樣，就使得電路中的晶體管處于了倒置狀態。把它拔下來，c和e管腳顛倒一下，就好了。
  由于晶體管在PN結拓撲上，集電極和發射極沒有本質區別，因此這樣接一般不會燒毀晶體管，只是此時的晶體管β下降非常嚴重。
  一般情況下 ，當認定晶體管發射結處于反偏，集電結正偏時，為倒置狀態。

上述中，前三種狀態，是晶體管常見的工作狀態:在模擬電路中，常工作于放大狀態，避免出現截止或者飽和;而在數字電路中或者電力電子中，則期望晶體管或者處于截止狀態，或者處于飽和狀態，唯獨不期望它出現放大狀態。

2.7 晶體管電路的工作狀態判斷以及靜態分析

晶體管電路的靜態分析求解，決定了晶體管目前處于4種工作狀態的哪一種，也就決定了晶體管電路的性質：

• 對模擬信號放大來說，晶體管在靜態時一般處于放大狀態。
• 對于數字信號傳遞或者運算時，晶體管一般處于飽和狀態或者截止狀態。 倒置狀態比較特殊,一般很少使用。

判斷晶體管工作狀態的判斷流程圖如下圖所示。

首先來看，如何判斷一個電路是不是放大結構呢？

下圖中的實線箭頭，繪出了NPN、PNP晶體管正常放大狀態時的靜態電流方向，暫稱為"期望電流方向”。在電路中，晶體管外部的電源都是試圖讓晶體管產生電流的，把晶體管的任何兩極之間視為電阻，則電源會產生一個"電源電流方向”。在一個電路中 ，當“電源電流方向”與晶體管的”期望電流方向” 吻合，則該電路屬于放大結構。

下圖是各種不同類型的晶體管直流通路(β均為100)。所謂的直流通路，是完整電路中去除信號耦合部分(因為電容隔直通交，所以把電容部分電路去掉)，留下的只影響晶體管直流(靜態)狀態的那部分電路。利用它可以清晰計算出靜態工作點。請判斷下圖中哪些電路屬于放大結構。

可以看出，子圖(a)、子圖(b)、 子圖(d)、子圖(f)屬于放大結構。其余都不是。在這些不是放大結構的電路中，實線為“期望電流方向”，虛線為“電源電流方向”。

子圖(c)的電源電流方向與期望電流方向不一致，子圖(e)中的電容阻斷了基極的電源電流，子圖(g)和子圖(h)中不會產生基極電流。

學會了如何判斷電路是否為放大結構后，我們繼續按照流程圖判斷晶體管的工作狀態。

先看流程圖左側，初步判斷電路不屬于放大結構。此時，如果對調晶體管的c和e極，電路變為放大結構，那么此前它一定是倒置狀態，因為倒置狀態的本質定義為，將放大狀態下的晶體管，對調其c和e極，一定變為倒置狀態。如果對調之后，仍不是放大結構，那么它一定是截止狀態。

因此，以目前的能力，無需任何計算，就可以將“截止狀態”和“倒置狀態”判斷出來。

再看流程圖右側。如果電路屬于放大結構，那么它一定是放大狀態或者飽和狀態，到底是哪一種呢?這就需要靜態估算，即圖中的“估算靜態工作點"。

所謂的靜態估算，就是用簡單的方法，大致計算出晶體管電路的靜態，包括各支路電流，各節點電位。估算的核心，就是假設晶體管的U_BEQ 約等于0.7V。 除此之外，所有的計算，都依賴于最簡單的歐姆定律、基爾霍夫定律。在靜態估算中，一般要求給出的靜態工作點，是給出I_CQ 和U_CEQ。 這兩個值一旦獲得，其工作狀態一目了然。

晶體管靜態估算的標準步驟如下：

依據U_BEQ=0.7V，完成I_BQ的估算。

假設晶體管處于放大狀態，即I_CQ=βI_BQ，求解出U_CEQ。

如果U_CEQ>=0.3V，則假設成立，晶體管處于放大狀態，I_CQ和U_CEQ如前所求。

如果U_CEQ<0.3V ，則假設不成立，晶體管處于飽和狀態：U_CEQ強制等于0.3V ，并據此計算出I_CQ。其實，此時我們計算出這兩個值，意義也不大了。

下面給出一個例題：

2.8 圖解法

一般來講，求下圖電路中的I_BQ和U_BEQ有三種方法：估算法、函數求解法、圖解法。

• 估算法，就是前一節所用的方法。它的核心是假設U_BEQ 約為0.7V。 一旦使用此假設， 后續求解就很簡單，但這個假設是有誤差的，因此估算結果不太準確。當供電電壓越大，這種方法的誤差越小。

• 函數求解法，它的核心是，必須知道輸入伏安特性、輸出伏安特性的數學表達式，然后通過解方程求解。

• 圖解法，它的核心是，已知晶體管伏安特性圖，。在圖中通過伏安特性曲線和另一直線的交點，求解靜態工作點的位置，然后目測結果。

2.8.1 輸入伏安特性圖解法

2.8.2 輸出伏安特性圖解法

2.8.3 兩部件串聯的圖解法

部件A的伏安特性如圖所示。

部件B的伏安特性如圖所示。

將這兩個部件連接成如圖所示的電路。用圖解法求解電路的輸出

在電路中,輸出電壓是部件B兩端的電壓。因此,以部件B的伏安特性曲線為基礎,在圖中找到橫軸等于U_I位置,以此位置為中心,將部件A的伏安特性曲線實施橫向鏡像,繪制在原圖中,此時,兩根曲線一定會有一個交點。此交點橫軸即為輸出電壓,縱軸就是輸出電流。

再舉個例子：電路如下圖所示，已知二極管的伏安特性，求輸出電壓。

運用圖解法，首先繪制出二極管的伏安特性曲線，然后，在橫軸1V的位置處，繪制200Ω電阻的伏安特性的鏡像曲線。這樣，兩曲線的交點即為所求的輸出電壓。

當然，上述兩小節的輸入伏安特性及輸出伏安特性也可以采用兩部件串聯的圖解法。

• 對于輸入伏安特性來說，回路電壓就是3.2V，兩個部件分別是R_B和晶體管的發射結。
  

• 對于輸出伏安特性來說，回路電壓是3.2V，兩個部件分別是R_C和晶體管U_CEQ
  

2.9 動態求解方法——以硅穩壓管為例

2.9.1 硅穩壓管簡要介紹

硅穩壓管是一種特殊二極管。特殊在于它的反向特性。

普通二極管反向擊穿電壓很高，且擊穿特性并不是十分陡峭；硅穩壓管(齊納(zener)二極管)，其正向特性與一般二極管近似，其反向特性中，第一，它的擊穿電壓一般比較低，可以小到幾V，第二，它反向擊穿時，曲線非常陡峭，且具有穩定，明顯的擊穿曲線。

由于它在正常使用(用于穩壓)中工作在反向擊穿狀態,因此，其伏安特性可以反著畫。

圖中, U_Z指其擊穿電壓,是生產廠家在規定擊穿電流為I_Z 情況下測得并發布的,是硅穩壓管的重要指標。U_Z一般從幾V到幾百V ,取決于不同的穩壓管型號。

而U_ZO是一個虛擬量,廠家并不公布,是教科書中為了用一根直線(細線)模擬擊穿曲線而專門定義的,是指反向擊穿曲線按照直線規律下降和橫軸的交點電壓。

按此近似模擬，硅穩壓管正向區域可以描述為一個折線：

其中, r_Z稱為穩壓管的動態電阻,也是教科書規定的。

2.9.2 利用動態求解法求解變化量

電路如圖所示，其中，U_ZO=8V， r_Z=10Ω。問：當u_i有±1V的變化量時，u_Z的變化量是多少？

附：將穩壓管替換為動態等效模型(電阻)示意圖。

2.10 雙極型晶體管放大電路的動態分析

2.10.1 雙極型晶體管的動態模型——微變等效模型

所謂的動態模型，是指一個新的電路結構，它由我們已經熟悉的電路元器件組成，包括電阻、電容、 電感、電源、受控源等。針對動態輸入，也就是輸入的變化量，該電路結構可以客觀表征原晶體管各個節點電壓、支路電流的變化量。
動態模型是完整模型的簡化,有助于簡化動態結果的求解過程,但只對動態輸入,即輸入變化量有效。

對于晶體管來說，晶體管低頻動態模型只是用電阻、受控電流源即可實現。

2.10.2 動態分析的三個重要指標

電壓放大倍數A_u：
也叫做電壓增益，也可以用G表示，無單位。當輸入正弦波的峰峰值為u_i，輸出正弦波的峰峰值為u_o，則放大倍數為：

電壓放大倍數也常用dB(deciBel)表示，其定義為：

常見的電壓放大倍數和dB的關系如下表所示：

輸入電阻r_i：
在放大電路正常工作時，針對輸入信號而言，從放大電路的輸入端看進去的等效電阻。即輸入信號電壓變化量除以由此產生的輸入電流變化量。顯然，它屬于動態電阻。

多數情況下，我們希望一個放大電路的輸入電阻越大越好。這是因為，在實際應用的信號源中，為了防止因短接信號源正負極而導致電源燒毀，會在信號源內部串聯上電阻。但是串聯的電阻勢必會分壓，因此，我們希望信號源內部的電阻分壓越小越好，也因此，增大放大電路的輸入電阻，就會減少信號源內部的電阻的分壓。

輸出電阻r_o：
指輸出端帶負載的能力。放大器不帶負載時，其輸出端具有的輸出信號電壓，叫空載電壓，當放大器輸出端接上負載后，一般情況下輸出電壓會下降。輸出電阻越小的，這種下降越微弱。
因此，輸出電阻越小，輸出端的帶負載能力越強。
這也能夠解釋這一現象：為什么有的電池直接量取其電壓為1.5V，但一旦用此電池驅動負載后，再量取電池電壓時，會發現電池電壓下降的厲害，可能僅為0.5V。這是因為電池用太久后，其輸出電阻變大，導致其帶負載能力下降。

2.10.3 動態分析的步驟

放大電路的動態分析，可分為如下三步：

第一步，以晶體管微變等效模型為核心，針對原始電路畫出動態等效電路
對原電路畫出動態等效電路，可按如下要點進行：
① 對電路中的電壓不變點，實施接地。
② 對電路中的大電容(10~100μF)，實施短接。對電路中的小電容(幾pF)，實施開路。
③ 將晶體管用晶體管的動態模型代替。
④ 整理畫出動態等效電路圖
以下圖電路為例，將其轉換為動態等效電路

第二步，依次求解電壓放大倍數A_u和輸入電阻r_i
求解放大倍數時，要把輸入和輸出都寫成i_b的表達式，然后消掉i_b即可得到放大倍數。
以上面的動態等效電路為例。

求解輸入電阻r_i，既可以通過直接觀察得出，也可以利用公式求得。繼續以上面的動態等效電路為例。

第三步，求解輸出電阻r_o
這里首先以另外一個放大電路為例，講清楚求解輸出電阻的思想。
如圖所示是一個電壓控制電壓源的放大電路，虛線內為放大電路本身，包括u_i輸入，u_o輸出，輸入電阻r_i，輸出電阻r_o，以及最為關鍵的放大環節：壓控電壓源A_uu_i。

輸出電阻r_o的計算，可按照如下步驟進行：
① 去掉負載電阻。(因為任何放大電路的輸出電阻都與負載電阻無關)
② 讓輸入激勵源為0。(對于上面的電路圖，對電壓輸入短接即可，此時受控源會變為0)
③ 在輸出端加一個虛擬電壓源u_v，在電路中計算由此引起的i_v，則，

按照上述步驟操作完成后，得到的電路圖如下圖所示。

求解輸出電阻的步驟和思想就是這樣。接下來再回到最初的動態等效電路中，去利用此方法求解輸出電阻。
下圖就是最初的電路以及對應的動態等效電路。

根據上述方法，對動態等效電路進行處理，得到下圖。

由圖無需計算便可知道。

2.10.4 放大電路動態靜態綜合求解電路舉例

2.11 共基極、共集電極放大電路和PNP管電路

總結

以上是生活随笔為你收集整理的新概念模拟电路_第一册_晶体管_读书笔记的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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