初级模拟电路：3-5 共射组态

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      在这一小节中，我们详细分析BJT的共射组态电路，共射组态是BJT最常用的一种放大组态。在BJT的共射组态中，“输入端口”和“输出端口”共用BJT的射极端子（故称为“共射”），形成一个双端口网络，如下图所示：

图 3-5.01 

      我们可以将其画成以下的PN结形式，来分析在共射组态电路连接的偏置下，载流子的流动情况：

图 3-5.02 

      我们以上面左图的npn为例进行分析：在图中，发射极结正偏，且使V_CC大于V_BB从而使得集电结反偏。

      先来看发射结得情况：当发射结正偏时，发射区的自由电子大量进入基区，形成发射极电流I_E。由于基区掺杂浓度很低，从发射区过来的自由电子只有很小一部分能与基区的空穴复合，然后在基区的价带运动到基极端子，再通过导线回到电源V_BB的正极，从而构成基极电流I_B（一般为微安级）。

      前面说过，基区通常做得非常薄，所以从发射区过来的大量剩余的自由电子，会继续向前运动穿过反偏的集电结，从而进入集电区，然后在电源V_CC正极的吸引下，在集电区的导带运动到集电极端子，再通过导线回到电源V_CC的正极，从而构成集电极电流I_C。

      至于由基区的空穴运动构成的电流，由于基极的掺杂浓度很低，对总电流的影响很小，故基极的空穴电流我们就忽略不考虑了。

      从图中可以看到，在共射组态时，基础公式仍然成立：

      在后面的分析中，我们都将以npn型晶体管为例进行分析；pnp的分析方法其实是一样的，只是电流方向相反而已。

1.   输入特性

      共射组态型电路的输入特性（input characteristics）是指：在一定的输出端电压V_CE下，输入电压和输入电流之间的关系（即：V_BE-I_B伏安关系）。

图 3-5.03 

      从上图中我们可以看到，V_BE-I_B的伏安曲线与二极管特性曲线很相似，只不过输入电流的当量等级小了很多，为微安级。而且和共基组态类似，不同的输出端口电压（这里是V_CE）对于输入特性的影响非常小，几乎可以忽略输出端口电压对输入特性的影响。

      和共基组态一样，共射组态的输入特性也可以像二极管那样做分段近似：当小于0.7V时视为截止，到达0.7V后视为导通。

2.   输出特性

      共射组态型电路的输出特性（output characteristics）是指：在一定的输入电流I_B下，输出电流与输出电压的关系（即：V_CE-I_C伏安关系）。

      共射组态电路的输出特性伏安曲线图如下图所示：

图 3-5.04 

      在上图中我们可以看到，输出特性伏安曲线图同样分为3个区域，分别是：放大区、截止区、饱和区。但是和共基组态的输出特性曲线有几点不同，我们将两者的曲线图并排放置于下，可以看出有以下几点不同：

图 3-5.05 

      ● 在共射组态下，放大区的伏安曲线并不像共基组态那样十分水平，而是有略微的倾斜；

      ● 共射组态的截止区不再全部位于横坐标之下，而是位于横坐标之上的小块区域；

      ● 共射组态的饱和区也不再是输出端口电压小于0的区域，而是当输出端口电压V_CE小于某个阈值V_CEsat后，就进入饱和区。

      下面我们对各个区域分别进行详细描述：

（1） 放大区

      放大区（active region）是图中绿色部分，占据曲线图的大部分面积。当共射组态电路的：发射结正偏、集电结反偏时（就是我们前面分析过的最常用的偏置组合），输出伏安曲线就处于放大区。

      对于放大区范围内的伏安特性曲线，我们可以看出以下2个特性：

      ① 在放大区范围内伏安曲线不再水平，这说明输出端口电压V_CE对集电极电流I_C会产生一定的影响。

      ② 对于每一个特定基极电流I_B，都有一根对应的输出特性伏安曲线。并且基极电流I_B为微安级，而输出电流I_C为毫安级。

（2） 截止区

      截止区（cutoff region）是图中红色区域部分。按定义来讲，就是发射结偏置电压为0或反偏，而集电结正偏的区域。与共基组态不同的是，由于共射组态电路接法的特殊性，当基极电流I_B为0，若集电结偏置使得V_CE大于0时，输出电流I_C并不为0，而是有一点略微的正值的。我们将共射组态的电路以PN结的形式重画于下：

图 3-5.06 

      在上右图中我们可以看到，发射结开路，使基极电流I_B为0。但从整体来看，由于中间的基极非常薄，整个三极管近似可视为一个电阻很大的纯N型半导体，只是中间稍微有点PN结的阻碍。当外加电压V_CE加在其上时，会产生一个电流I_CEO（这里“O”的意思是基极开路），这个电流比以前说的PN结反偏电流要大很多（大约0.1毫安级），一般不能忽略。

      因此，共射组态的截止区定义为输出电流I_C小于I_CEO部分的区域，即图中红色部分。也就是当I_B≤0时的输出区域。

（3） 饱和区

      饱和区（saturation region）是图中橙色部分。从定义上讲，当共射组态电路的：发射结正偏，集电结也正偏（V_CB<0）时，伏安曲线就处于饱和区。我们仍以PN结图的形式来说明：

图 3-5.07 

      当发射结正偏时，V_BE的大小一般为0.7V左右。在上图中，要使集电结正偏，V_CE的电压就必须小于V_BE，当集电结开始正偏时，这个正偏电场会对发射极过来的电子产生一个阻力，使得从发射极过来的电子变少，表现在输出伏安特性曲线上就是随着V_CE的减小，I_C开始变小。当集电结正偏继续增大到某一阈值后（即V_CE继续减小到某一阈值后），发射极过来的电子会急剧减少（即I_C急剧减小）。在输出特性曲线图上，这个值标记为V_CEsat（sat是“saturation”的简写，意思是“饱和”），这个V_CEsat的典型值一般为0.1~0.3V左右。V_CE小于V_CEsat越多，集电结就正偏的越厉害，它对自由电子的阻碍就越大，I_C就越减小。

      因此，当发射结正偏时，V_CE若小于V_CEsat，我们就说：共射电路进入了饱和区。

3.   参数β

      参数β一般由共射组态电路来定义，我们将图3-5.02重画于下：

图 3-5.08 

      在上图中，我们定义直流参数β_dc为：电流I_C流与电流I_B的比值。用公式表示即为：

      再定义交流参数β_ac为：当V_CE不变时，“集电极电流微小变化”与“基极电流微小变化”的比值，用公式表示即为：

      交流参数β_ac的正式名称为共射前向放大系数（common-emitter, forward-current, amplification factor）。大多数情况下，直流参数β_dc和交流参数β_ac的大小非常接近，可以相互通用。对于实际器件，一般β的典型值在50~400之间。

      在BJT的数据规格书上，通常用h_fe来表示β_ac参数，至于为什么叫h_fe，这个是根据电路理论的二端口混合参数进行定义的，我们在下一章讲BJT放大电路的交流分析时再讲。

● 参数β和参数α的关系

      一般β参数的定义也可以用于共基组态电路，因此根据前面α和β参数的定义，再加上电流总关系式，可以推导出α和β参数之间的换算公式，我们将三个关系式列于下：

      将这三个式子联立进行计算，消去其中的I_E，I_B，I_C，最后可得：

      另外，还有一个从上式导出的关系式我们也经常用到：

4.   击穿区域

      和共基组态类似，在前面图3-5.04的共射组态输出特性伏安曲线图上， V_CE不能无限制增大，当V_CE超过某一阈值后，集电极电流I_C会急速增长。就像普通二极管的反向击穿一样，集电结的反偏电压如果太大，也会发生反向击穿。如下图所示：

图 3-5.09 

      在图中我们可以看到，击穿电压标记为V_(BR)CEO，也有的教材或规格书中把它标为BV_CEO的，基本都是一个意思。这张图里稍微有点怪异的地方是，当I_B很小时，I_C在击穿区域内有一段是呈负电阻状态，即：I_C增大但同时V_CE减小。这个是由于“厄利效应”产生的，这里我们可以先不管它。在设计电路参数时，只需注意不要让BJT进入击穿区域就可以了。

     

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（ end of 3-5 ）

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