中国电子技术网

设为首页 网站地图 加入收藏

 
 

寻求理想晶体管?

关键词:晶体管

时间:2017-11-24 10:26:09      来源:网络

在寻求理想晶体管的过程中,发现早已存在的一系列电路,如伪理想双极结式晶体管 (pseudo-ideal BJT) 和电流反馈放大器。前者可实现更简单的放大器,后者在某些高速应用中可以取代传统的运算放大器。
 
一进课堂我就指出,由于晶体管是一种单象限器件,我们首先需要将它偏置在有源区域中的一个合适的工作点。“你爱咋说就咋说吧”,学生们似乎在用无声的语言应付我。
 
接着我们必须保持工作点的变化足够小,以确保小信号近似法有效。同样,大家的反应仍然是“你爱咋说就咋说吧”。最后,我们必须用电容进行交流耦合和去耦。现在甚至连“你爱咋说就咋说吧”的反应都没有了。我试图通过粗略地分析图1所示的电路来证明上述观点,但意识到我的努力是多么的无意义,只好无奈地说,今天的课就到这儿吧。
 
学生们齐刷刷地站起来,翻看着手机里的短信,还没等我拿到黑板擦并转过身来说再见,他们就一窝蜂地走了……
 
图1:不应该在开春第一天讨论的电路。
 
看着空荡荡的教室,我寻思:如果晶体管是四象限器件而不是单象限器件,我的教学和学生的学习将会变得多么容易。目前没有这样的器件,但是我们可以用一些晶体管来进行模拟。
 
伪理想的双极结型晶体管
 
双极结型晶体管(BJT)是一种常开器件,要求基极-发射极电压下降0.6-0.7V才能抽取足够的电流。我们喜欢用图2a所示的npn BJT,一旦将vB提高到0V以上,这种BJT就会抽取明显的电流。用射极跟随器Q3的E-B压降补偿Q1的B-E压降可以满足这个要求,如图2b所示。忽略基极电流,可以得到:
 
 
图2:对理想晶体管的逐步探索。
 
其中Is1和Is3是饱和电流,假设它们相等,VT是热电压。
 
为了确保围绕vB=0的对称操作,我们需要用图2c中的Q2-Q4对补偿Q1-Q3对。再次假设饱和电流相匹配,同时忽略基极电流,可以得到公式(1)的对称表达式:
 
 
最后,为了完成对伪理想BJT的探索,我们需要接受差异。
 
图3:最后一步,形成四象限晶体管,同时显示了一种电路符号。
 
 
我们通过将两个电流反射镜的输出连接在一起来完成这个任务,图3的示例是威尔逊电流反射镜。Q5-Q6-Q7反射镜复制iC1,并将iC1引入输出节点,而Q8-Q9-Q10反射镜复制iC2,然后从输出节点吸收iC2。在vB=0时,公式(3)的指数相互抵消,使iC=0。当vB>0时,iC1占优势,导致iC>0,而当vB < 0时,iC2占优势,导致iC < 0。很明显,这个电路允许完整的四象限操作。另外,鉴于Q3和Q4射极跟随器提供的达灵顿功能,该电路具有高输入阻抗,它同时还因威尔逊反射镜而具有高输出阻抗。
 
这种伪理想BJT其实已经面世很长一段时间了。它曾被称为饱和电抗器、宏晶体管、钻石晶体管和电流传送器II+,也有IC形式的OPA861。图4表明,如果图1中的放大器用饱和电抗器实现的话,会是多么简单。注意,图1中的放大器提供信号反相功能,而图3中的放大器是非反相类型。
 
图4:用饱和电抗器实现的共发射极放大器。
 
电流反馈放大器(CFA)
 
众所周知,使用负反馈技术可以极大地扩展放大器的应用范围,基于饱和电抗器的放大器也不例外。由于饱和电抗器具有高输出阻抗,因此需要使用一个输出缓冲器来防止被反馈网络加载。这就形成了图5的电路,其中由Q11到Q14组成的输出缓冲器与输入缓冲器Q1到Q4非常类似。这个电路被称为电流反馈放大器,它同样已经面世很长时间了,在某些高速应用中可替代传统的运放。普通BJT是通过将集电极和基极之间的反馈网络连接起来配置反馈操作,饱和电抗器的非反相特性则要求反馈网络连接在(缓冲的)集电极和发射极之间,也就是图5所示的vO和vN节点之间。
 
为了研究反馈操作原理,参考图6a所示简化后的等效电路,图中明确地显示了C节点到地之间的净阻抗zc(因为很快会变得清晰,所以C节点也被称为增益节点)。针对第一近似值,zc可以用电阻Rc并联电容Cc来建模,因此扩展为:
 
 
一般来说,Rc在105~106Ω范围内,Cc在pF范围内。由于外部网络造成的任何失衡电流In都将被C节点处的威尔逊反射镜所复制,从而得到:
 
 
图5:使用输出缓冲器将饱和电抗器转换为电流反馈放大器。
 
接下来看一看图6b中典型的反馈互连,将电流集中到Vn节点可以得到:
 
 
令Vn=Vp=Vi,求解In,然后代入到公式(5)就能得到闭环电压增益:
 
图6(a):简化的电流反馈放大器等效电路;(b):电流反馈放大器符号和作为同相放大器的负反馈操作的互连电路。
 
 
在精心设计的电路中,R2的值大约为103Ω,因此当Rc在105~106Ω范围内时,我们可以忽略直流时的R2/zc项,并确定在低频时A倾向于大家熟悉的运放表达式:
 
 
与普通运放(也称为电压反馈放大器或VFA)相比,电流反馈放大器的优点是快速动态变化。公式(6)表明这个电路的环路增益为:
 
 

猜你喜欢