了解晶體管電路設計：教程

使用雙極晶體管的電子電路設計非常簡單，使用簡單的設計原理和一些方程。

晶體管電路是當今電子電路設計技術的核心。雖然現(xiàn)在集成電路被用于許多電路，但在各個領域通常需要基本的晶體管電路設計。

雖然將分立電子元件與晶體管一起使用會使用更多元件，但可以定制電路以準確提供所需的功能。因此，使用分立晶體管和一些附加電子元件的電路是電子電路設計的核心。

這意味著了解晶體管電路設計仍然很重要，因為它不僅可以設計基本的晶體管電路，還可以更好地了解基于雙極晶體管技術的集成電路的操作。

雙極晶體管基礎知識

顯然，任何晶體管電路中的關鍵電子元件都是晶體管本身。這些電子元件可以以分立形式獲得，或者它們可以在集成電路內獲得。

晶體管以多種形式制造，可用于實現(xiàn)從小信號到高功率，從音頻到射頻和開關的各種角色。

它們也被稱為PNP晶體管和NPN晶體管 - 這些NPN晶體管的使用更廣泛，因為傾向于適合廣泛使用的負接地系統(tǒng)，并且它們在速度方面性能更好。

雖然NPN晶體管的使用更為廣泛，但這并不意味著不使用PNP晶體管。他們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)補充NPN晶體管和其他一些電路的應用。

晶體管基本結構及電路符號

關于雙極晶體管器件的說明：

雙極晶體管是一種三端器件，可提供電流增益，其中集電極電流為基極電流的Β倍。雙極晶體管廣泛可用，其性能經(jīng)過多年優(yōu)化。

雙極晶體管已經(jīng)問世七十多年了 - 其技術非常成熟，盡管場效應晶體管技術可能更廣泛地用于集成電路，但雙極晶體管仍然大量用于各種模擬和數(shù)字電路，無論是在集成電路中還是作為分立電子元件。

雙極晶體管最初是由美國貝爾實驗室的一組科學家于1949年發(fā)明的。它的發(fā)現(xiàn)使閱讀變得有趣。

晶體管歷史說明：

雙極晶體管是由貝爾實驗室的三位研究人員發(fā)明的：John Bardeen，Walter Brattain和William Schockley。他們一直在研究一個使用場效應來控制半導體電流的想法，但他們無法使這個想法發(fā)揮作用。他們將注意力轉向另一種可能性，并在鍺晶圓上使用兩個緊密間隔的點觸點制造了一個三端子器件。這個想法奏效了，他們能夠在1949年底證明它提供了收益。

晶體管電路設計參數(shù)

在開始晶體管電路的電子電路設計之前，有必要定義對電路的要求：與晶體管電路相關的一些主要參數(shù)。

晶體管電路設計的要求中可能需要許多參數(shù)：

電壓增益：?電壓增益通常是電子電路設計的關鍵要求。電路的電壓增益是從電路輸入到輸出的電壓增加。在數(shù)學方面，電壓增益，Av 是輸出電壓除以輸入電壓。

電壓增益是許多電路的關鍵目標之一，因為它可以實現(xiàn)“尺寸”

電流增益：在電子電路設計中，電路的電流增益通常很重要，尤其是在電路驅動低阻抗負載的情況下。通常，一個沒有電壓增益的電路，只需要電流增益，使具有相對高阻抗輸出的電路能夠驅動另一個具有較低阻抗的電路。

這方面的例子很多：RF振蕩器通常需要緩沖級來確保振蕩器電路本身不會過度加載，但需要輸出來驅動其他電路。電流增益也用于電源電路，其中穩(wěn)壓器的串聯(lián)調整元件需要提供大量電流，但使用低電流基準電壓源。還有許多其他需要電流增益的例子。

與電壓gan一樣，電路的電流增益比較輸入和輸出電平，但以電流為單位。電流增益等于輸出電流除以輸入電流。

輸入阻抗：晶體管電路的輸入阻抗始終很重要。它決定了前一級的負載，在阻抗匹配是重要參數(shù)的RF電路中也很重要。

在許多電子電路設計中，高輸入阻抗是理想的，因為這意味著前一級不會過度加載。如果晶體管電路的輸入阻抗太低，那么它將加載前一個電路，從而降低信號電平，并在某些情況下可能導致失真。配置晶體管級以提供正確的輸入阻抗是電子電路設計過程的關鍵要素。

輸出阻抗：輸出阻抗也很重要。如果晶體管電路驅動低阻抗電路，則其輸出必須具有低阻抗，否則晶體管輸出級將出現(xiàn)較大的壓降，在某些情況下可能會發(fā)生信號失真。

如果負載阻抗較低，則通常需要具有高電流增益的電路，并且可以在電子電路設計過程中選擇合適的電路格式。如果允許更高的輸出阻抗，則具有較高電壓增益的電路通常更合適。

頻率響應：頻率響應是影響晶體管電路設計的另一個重要因素。低頻或音頻晶體管電路設計與RF應用中使用的電路設計有很大不同。此外，電路中電子元件的選擇也決定了響應：晶體管以及電子電路設計中的電容器和電阻值都會影響頻率響應。

在電路設計的早期階段，必須對所需的頻率響應有一個明確的要求，然后可以圍繞該要求設計電路。

電源電壓和電流：任何電路的關鍵參數(shù)之一是所需電壓和電流方面的功率要求。通過這種方式，可以確保在電子電路設計階段提供具有所需電流能力的合適電壓。

功耗：另一個與提供給電路的電壓和電流密切相關的參數(shù)是耗散的功率。如果功耗很高，則可能需要安排冷卻并通常從電路中去除熱量，特別是任何可能散發(fā)大量熱量的電子元件。通常這將是晶體管，但其他組件也可能散熱。

晶體管電路功能

晶體管電路可以執(zhí)行許多不同的功能。通常有用于常見功能的標準模塊，如放大器、振蕩器、濾波器、電流源、差分放大器和許多其他功能。

這些標準電路格式被廣泛使用，可以在電子電路設計過程中采用并確定電子元件值。

這些電路通常遵循已經(jīng)使用多年的經(jīng)過驗證的電路。這些電路通常與舊的真空管或熱離子閥技術一起使用，并且與雙極晶體管以及場效應晶體管，F(xiàn)ET，有時甚至是運算放大器同樣有效。

采用基本格式并確定電子元件的值以提供所需的性能。這通常需要一些實驗，但如今電路仿真軟件能夠準確地復制電路的操作，以便針對所需的性能和功能優(yōu)化電子元件值。

晶體管電路配置或拓撲

無論電路的整體功能如何，在電子電路設計過程開始時也有必要考慮拓撲結構。

晶體管電路可以使用不同的拓撲結構進行設計，每種拓撲結構都具有不同的特性，特別是在輸入和輸出阻抗方面。

這些配置拓撲是根據(jù)電子電路設計要求選擇的，包括共發(fā)射極、共集電極或發(fā)射極跟隨器和共基極。

晶體管電路設計流程

晶體管設計過程有幾個階段。這些通常按邏輯順序進行，但通常會對不同階段進行一些重新審視，以優(yōu)化各種電子元件的值，以提供所需的整體性能。

確定要求：確定實際需求是一個重要階段，正確確定這一點意味著電路的概念在以后不會改變。

定義電路功能和拓撲：一旦確定了整個電子設備的總體要求，就有必要決定實際的晶體管電路。例如，有許多振蕩器電路、濾波器、放大器等。對于晶體管，可以根據(jù)特定要求選擇最佳類型。這通常也定義了實際的電路拓撲結構，即使用共發(fā)射極、共集電極、共基極，但如果不是這樣，這時可以構成整體決策的一部分，因為此時可以考慮振蕩器上的負載、增益、輸出阻抗等。

設置偏置條件：在任何電路中，電子電路設計的關鍵特征之一是確保有源器件的偏置電平：在這種情況下，雙極晶體管設置正確。如果偏置不正確，晶體管電路將無法工作。確定設置偏置的電子元件（主要是電阻器）的值是設計的關鍵階段之一。

確定功能性電子元件值：除了設置偏置條件外，還需要確定提供電路功能的其他電子元件的值。電子電路設計過程的這一部分與設置偏置條件一起進行，因為一個值會影響另一個，反之亦然。

重新審視電子元件值的偏置和功能：設置電路值后，總是需要一點迭代來平衡偏置和電路整體功能的要求。圍繞此過程可能會有一些迭代。

測試電路：測試電路是任何設計的關鍵要素。通常，許多實驗室都有電路仿真軟件，因此可以在構建電路之前對電路進行仿真，以消除大部分問題。然而，最終的測試是在盡可能接近工作條件的條件下構建和運行電路。

返工和修改：通常需要修改電子電路。如果需要，則使用新的電子元件值、布局等對其進行返工和測試。

這些代表了晶體管電路設計所需的一些主要電路參數(shù)。了解這些參數(shù)可以決定電路配置的選擇，并且肯定會控制元件值和許多其他因素的確定。

因此，在開始設計之前，有必要了解控制晶體管電路操作的參數(shù)。