“本文的分析邏輯是否存在問題?”,沒有小伙伴指出本文分析邏輯相關(guān)問題。
那到底有沒有問題呢?我心里一直存在疑慮。
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到底有沒有問題?
經(jīng)過這段時間的研究,結(jié)論是:有問題,而且是概念上的混淆!
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哪里有問題?
關(guān)于特征頻率概念的解釋,自然是沒有問題。
在接下來輸入信號頻率為100MHz、200MHz和300MHz時,拿輸出信號波形與輸入信號波形做對比。100MHz對應(yīng)的電壓放大倍數(shù)為A,200MHz對應(yīng)B,300MHz對應(yīng)C,并得出A>B>C≈1。
這里出現(xiàn)問題了。
這里面需要說明,我們說的特征頻率fT是針對電流放大倍數(shù)β而言,不是針對電路的電壓放大倍數(shù)。在頻率近似等于特征頻率fT時,是三極管的電流放大倍數(shù)為1,這并不能說明電壓放大倍數(shù)為1。這里是把電流放大倍數(shù)β和電壓放大倍數(shù)Av混淆了。
應(yīng)該是怎樣的呢?請繼續(xù)往下看。
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電流放大倍數(shù)β
電壓放大倍數(shù)Av,是放大電路輸出信號與輸入信號的幅值比例關(guān)系 ,這個比較直觀。那電流放大倍數(shù)β呢,這里專指是共射極放大電路,Ic與Ib的幅值關(guān)系。
在三極管的通頻帶內(nèi),忽略耦合電容、旁路電容以及三極管的結(jié)電容、PCB走線的分布電容之后,我們可以有H參數(shù)小信號模型,如下圖所示。此時的β更多是溫度有關(guān),不過多考慮與頻率的關(guān)系(實(shí)際是有關(guān)系的)。
但是在《三極管的頻率問題+文末送書福利》中,100M~300MHz可能已經(jīng)超出三極管的通頻帶,這里就不能再忽略三極管的結(jié)電容,H參數(shù)小信號模型也不再適用。此時需要考慮使用適合高頻的混合π高頻小信號模型。
β在混合π高頻小信號模型下的關(guān)系式是怎樣的呢?我把整個推導(dǎo)驗(yàn)算過程放上,下面在逐步分析。
說明:以下板書推導(dǎo)為硬件微講堂號主手寫,咱杜絕搬運(yùn)網(wǎng)上的圖片。
①三極管,明確b、e、c極;(第一步是來打醬油的)
②需要考慮下三極管的體電阻(rbb'/re/rc)和結(jié)電阻(rb'c/rb'e);
這里有兩個關(guān)系式,需要了解。rb'e是發(fā)射結(jié)正偏電阻折算到基極回路(如上圖紅色圓圈)的等效電阻。rbe是三極管基極和發(fā)射極之間的電阻。
③在高頻模式下,還需要考慮三極管的結(jié)電容Cb'c/Cb'e,另外還有受控電流源和集電極-發(fā)射極之間的電阻rce。注意此時由于結(jié)電容的影響,受控電流源不再完全受基極電流Ib控制,不能再用βxIb來表示(β也是頻率的函數(shù)),需要用gm*Vb'e表示。gm是跨導(dǎo),受控電流源受控于發(fā)射結(jié)上的電壓Vb'e。
由于三極管處于放大狀態(tài),此時的發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)反偏。集電結(jié)反向截止,rb'c和rce會很大,因此可以理解為開路。于是就有了第4步。
④將rb'c和rce拿掉后,就有了三極管的混合π高頻小信號模型,如下圖所示。
這里的Cb'e很好理解,可以把它當(dāng)做和rb'e并聯(lián)的阻抗。Cb'c則跨接在輸入回路和輸出回路,不太好處理。
⑤既然是高頻模型,此時我們討論的β就是交流電流放大倍數(shù)。而分析共射組態(tài)的交流電流放大倍數(shù)是有一個前提的:
ΔVce=0,即為c-e之間電位沒有變化量,Vce為常量。對于交流通路而言,等效為c-e短路。這點(diǎn)對于概念的理解,很重要!
在混合π高頻模型下,c極和e極短路,則Cb'c原本跨接在b-c之間,可以等效為跨接在b-e之間。于是,模型可以進(jìn)一步簡化,如下圖所示:
Cb'e和Cb'c一起和rb'e并聯(lián),這樣一來,計算Ib就很方便了。
而Ic的計算就很簡單了,Ic=gm*Vb'e。
注意:β0就是低頻情況下的電流放大倍數(shù),在器件規(guī)格書中給出的β就是這里的β0。
而為什么β0=gm*rb'e?這里也是可以推導(dǎo)的,但今天在這里不做展開。
從上述推導(dǎo)過程可以看出,β是頻率f的函數(shù),其數(shù)值隨頻率變化,而且影響不能被忽略。這里也解釋了為什么在高頻模式下,受控電流源不能繼續(xù)使用β*Ib來表示。
另外,這個關(guān)系式存在一階極點(diǎn),當(dāng)f=fβ,β的幅頻特性出現(xiàn)拐點(diǎn)。
那fβ=?請繼續(xù)往下看。
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共射截止頻率fβ
上圖中的fβ就是共射組態(tài)的截止頻率。
當(dāng)f<
當(dāng)f=fβ時,|β|=β0/√2=0.707*β0,即-3dB轉(zhuǎn)折點(diǎn);
當(dāng)f>>fβ時,|β|=β0*fβ/f,即:|β|*f=β0*fβ;
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特征頻率fT
當(dāng)|β|=1時,f=β0*fβ,此時的f就是fT,特征頻率。
這里也可以看出特征頻率fT與截止頻率的關(guān)系:fT是截止頻率fβ的β0倍,是遠(yuǎn)大于fβ。
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總結(jié)
今天討論的內(nèi)容先到這里,簡單總結(jié)下討論的內(nèi)容:
①指出了前面文章中存在的問題; ②說明了H參數(shù)小信號模型的前置條件; ③給出了混合π高頻小信號模型的變形過程; ④推導(dǎo)出了共射組態(tài)交流電流放大倍數(shù)β的關(guān)系式; ⑤給出了共射組態(tài)截止頻率的關(guān)系式; ⑥給出了特征頻率和截止頻率的關(guān)系式。 ? 最后說下,寫這篇文章之前,號主花了大量精力做分析、推導(dǎo)、演算工作。
編輯:黃飛
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