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BJT三种基本应用组态的性能比较

已有 12126 次阅读 2011-3-14 10:07 |个人分类:微电子器件|系统分类:科研笔记|关键词:学者| style

作者:Xie M. X.  (UESTC,成都市)

 

        这里“基本组态”是指晶体管在应用中的基本使用方式。由于晶体管(BJT和FET)都是三端器件,则在电路应用中可以有三种接地方式(即三种基本组态)。

        对于BJT,三种基本组态就是:基极接地(共基极,CB),发射极接地(共发射极,CE)和集电极接地(共集电极,CC)。

        对于FET,同样有这对应的三种基本组态,其中以共源组态和共栅组态用得最多。

        下面就从器件物理概念出发来定性地说明BJT的三种基本组态的主要性能。

 

(1)输入电阻和输出电阻:

 

        对于放大应用的BJT,由于发射结和集电结分别是正偏和反偏的,则在E-B之间所呈现出的电阻很小,而在C-B之间的电阻很大。因此,BJT的三种接地方式的输入(交流)电阻和输出(交流)电阻也将相应地有所不同;基极接地组态和发射结接地组态的输入电阻较低、输出电阻较高,而集电极接地组态的输入电阻很高、输出电阻很低。

        如果再考虑到Early效应的影响,则CB组态和CE组态的输出电阻以及输入电阻还将有所不同。Early效应对CE组态和CC组态的输出电阻的影响大、而对输入电阻的影响小;Early效应对CB组态的输出电阻的影响小、而对输入电阻的影响大。因此,CE组态的输出(交流)电阻较小于CB组态,而CB组态的输入(交流)电阻较小于CE组态,CC组态的输入电阻最大、输出电阻最小。一般,CB组态、CE组态和CC组态的输入交流电阻分别为1Ω-100Ω、100Ω-10kΩ和10kΩ-100kΩ;CB组态、CE组态和CC组态的输出交流电阻分别为100kΩ-10MΩ、1kΩ-100kΩ和1Ω-100Ω。

        由于BJT的CB组态和CE组态的输出电阻很大(理想BJT的为∞),则在需要高增益的差分放大器等电路中,可把BJT作为所谓有源负载使用,以提供高阻值的负载电阻。因为一个BJT的面积要远小于高阻值电阻所需要占用的芯片面积,所以在IC中BJT的这种用法具有重大的价值。

 

(2)输入与输出信号相位的关系:

 

        BJT在不同接地方式中也将不一样。除了在CE组态中为反相以外,在其他两种组态中均为同相。因此,CE组态的电路也称为反相电路或者反相器。

 

(3)电流放大系数:

        对于CB组态,因为输出的集电极电流≈输入的发射极电流,故它的直流短路电流增益总是小于1(最大是接近1),即无电流增益。正因为该组态的输出电流?输入电流,故有时也称CB组态为电流跟随器。CB组态虽然没有电流增益,但是由于其输出电阻很高,可接上较大的负载电阻,则在负载电阻上获得很高的输出电压,因此有一定的电压增益,并且其频率响应特性又较好,所以在某些放大电路中仍被广泛采用。

        对于CE组态,因为从基极输入的电流很小,而输出的集电极电流很大(≈发射极电流),故这种组态的直流电流增益(b)远大于1。因此,BJT的发射极接地组态既有电流增益、又有电压增益,则总的功率增益较大,故这种组态在放大电路中用得较多。

        对于CC组态,基极是信号输入端,发射极是信号输出端,则输出的发射结电流要比输入的基极电流大得多,因此具有较大的电流放大系数(略大于CE组态的b)。可见,CC组态的电流放大系数,同CE组态一样,都比较高。然而,CC组态由于其输入电阻很高、输出电阻很低,则其输出电压一定不会太高,因此,集电极接地组态的电压增益必将很小,近似为1(但小于1);这也就意味着,输出电压接近输入电压——电压跟随(并且相位不变)。因此,CC组态的电路也往往称为电压跟随器(或射极跟随器)。

        CC组态虽然没有电压增益,但是由于它具有较大的电流增益和输入电阻很高、输出电阻很低、以及输出电压与输入电压同相等特点,所以它在电路中得到了广泛的应用。因为CC组态具有很好的电压跟随性质,故它常常用在多级放大电路中作为缓冲级,以进行阻抗变换。CC组态的输入电阻很高,就使得它具备有较强的从信号源(或前级)获取有效信号的能力(可减小在信号源内阻上的衰减),故用于输入级是很有益的。该组态的输出电阻很低,即可减小负载变动对电压增益的影响,故用于输出级也是很有好处的。

 

(4)频率特性:

 

        从势垒电容的影响上来看,即可了解BJT三种基本组态的频率特性的差异。对于CB组态,发射结势垒电容是其输入电容,将会直接影响到BJT的工作频率,但是由于该组态的输入电阻很小,则输入电容的充放电时间常数很短,因此发射结势垒电容对BJT工作频率的影响必然很小;而且集电结势垒电容是在输出端,与输入端没有直接联系,则这个电容也不会影响BJT的工作频率,从而CB电路的频率响应特性较好。可见,CB组态的增益虽然不大(只有电压增益,而无电流增益),但是它却具有频率特性较好的优点。因此在高频或者宽频带电路中,当要求稳定性较高时,BJT就常常采用CB组态。

        对于CE组态,由于其输入电阻一般要比CB组态的要高一些,则发射结势垒电容对工作频率有一定的影响;而且集电结势垒电容是跨接在输出端与输入端之间的电容,属于密勒(Miller)电容,它将严重地影响到频率响应特性。因此,BJT的CE组态的工作频率较低。可见,CE组态具有增益大(电流增益、电压增益和功率增益都较大)的优点,但是其频率特性较差,所以CE组态一般是用在低频放大电路中。

        对于CC组态,因为其输入电阻很高,而且集电结势垒电容就是输入电容,同时发射结势垒电容也是Miller电容,因此BJT这种组态的频率响应特性较差。但是,由于CC组态的电流增益较大、电压跟随特性优良,所以并不因其频率特性较差而影响到它作为射极跟随器的广泛使用。



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