怎么學(xué)習(xí)模擬技術(shù) 淺談Ic受Ib控制問(wèn)題

怎么學(xué)習(xí)模擬技術(shù)淺談Ic受Ib控制問(wèn)題站在發(fā)明者的角度來(lái)看三極管的發(fā)明和用途我還是那個(gè)觀點(diǎn)，一定要站在發(fā)明者的角度來(lái)看問(wèn)題，只有這樣，一切問(wèn)題才都能迎刃而解。因?yàn)槟ｋ姷膬?nèi)容就是發(fā)明---使用---發(fā)現(xiàn)問(wèn)題---改進(jìn)---再發(fā)明—再使用的過(guò)程，是我們學(xué)習(xí)前人發(fā)明和使用的東西。我們就以二極管和三極管為例，二極管是控制導(dǎo)線中電子的流動(dòng)方向，而三極管是控制導(dǎo)線中流動(dòng)電子的多少。這也是“電子技術(shù)”的根本。理論搞明白了實(shí)驗(yàn)就簡(jiǎn)單了。下面主要是以三極管為例來(lái)說(shuō)明導(dǎo)線中電流的控制，要想控制一根導(dǎo)線中的電流，首先要把這根導(dǎo)線斷開(kāi)，斷開(kāi)的兩端我們分別叫做C端和E端（C和E實(shí)際上是輸出回路），如果我們?cè)贑和E之間加個(gè)器件，這個(gè)器件能使電流從C端流進(jìn)并能從E端流出來(lái)，同時(shí)這個(gè)電流又能被我們控制住，那么這個(gè)器件就成功了。為了實(shí)現(xiàn)上述要求，接下來(lái)我們就在C-E之間放一個(gè)NPN（或PNP）結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，可是，現(xiàn)在的問(wèn)題是，在這種情況下無(wú)論怎樣在C和E之間加電源（不擊穿情況下），C-E這根導(dǎo)線始終都不會(huì)有電流。我們又知道，電子流動(dòng)的方向與人們定義電流的方向相反（這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)人們以為電線里流過(guò)的是電流），所以，我們將中間半導(dǎo)體引出一個(gè)電極（B極），在B-E之間（實(shí)際上是加在發(fā)射結(jié)上，見(jiàn)PN結(jié)特性）加一個(gè)正向電壓，這時(shí)發(fā)射區(qū)就會(huì)向基區(qū)發(fā)射電子從而形成E極流出的電流，但是，要想實(shí)現(xiàn)這個(gè)電流是從C端入、從E端出，則必須要把發(fā)射區(qū)發(fā)射的這些電子都收集到C極去，這樣我們需要在C和E之間加正向電壓，使集電結(jié)處于反向擊穿狀態(tài)，使電子能順利收集到C極，這個(gè)收集電子的能力要比發(fā)射電子的能力強(qiáng)，它就像一個(gè)大口袋，你發(fā)射區(qū)發(fā)射多少我就收多少（這樣就能理解三極管輸出特性曲線了，當(dāng)B極電流一定時(shí)，隨著CE電壓的增加，C極電流就不再增加了，因?yàn)锽極電流一定時(shí)，發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子數(shù)量就一定了，你收集的能力再?gòu)?qiáng)也要不到多余的電子了），這樣，這個(gè)器件就成了，可以實(shí)現(xiàn)電流從C端到E端（因?yàn)楫?dāng)初我假設(shè)它們之間是被我斷開(kāi)的導(dǎo)線兩端），最理想的是流進(jìn)C端的電流就等于E端流出的電流，同時(shí)這個(gè)電流又被一個(gè)BE電壓（或信號(hào)）控制，但是，三極管不是一個(gè)理想的器件，因?yàn)镃端電流不等于E端電流，有一部分電流流過(guò)B極，我們盡量使C端電流等于E端電流，所以，這就是為什么在工藝上要使基區(qū)濃度要低而且還要薄，同時(shí)集電結(jié)的面積還要大的根本原因。談一談Ic受Ib控制的問(wèn)題：通過(guò)前面的敘述，我們已經(jīng)知道發(fā)射極電流Ie受發(fā)射結(jié)電壓控制，由于我們采取了工藝上的措施，使得集電極電流Ic近似等于發(fā)射極電流Ie，這樣就可以說(shuō)集電極電流Ic受發(fā)射結(jié)電壓控制。我們又從三極管輸入特性曲線可知，當(dāng)Vbe和Ib的關(guān)系處于特性曲線的近似直線的位置時(shí)，基極電流Ib與發(fā)射結(jié)電壓就成線性關(guān)系，這樣，可以說(shuō)集電極電流Ic與基極電流Ib就成比例關(guān)系。往往我們會(huì)站在不同角度來(lái)看問(wèn)題，我們從電流放大的角度來(lái)看時(shí)，剛才說(shuō)過(guò)集電極電流Ic比基極電流Ib大很多，同時(shí)它們又成比例關(guān)系，因此，在進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候就說(shuō)成是集電極電流Ic受基極電流Ib控制。這其實(shí)是人們站的角度不同而已（從電流放大的角度來(lái)看的），其實(shí)，集電極電流Ic還是由發(fā)射結(jié)電壓控制的，等到了高頻小信號(hào)模型的時(shí)候，就會(huì)說(shuō)集電極電流受發(fā)射結(jié)電壓控制了。Uce電壓的作用是收集電子的，它的大小不能決定Ic的大小，從三極管輸出特性曲線可以看到，當(dāng)Ib一定時(shí)（也就是Ube一定時(shí)），即使Uce增加，Ic就不變了，但是曲線有些上翹，其實(shí)這是半導(dǎo)體材料的問(wèn)題。實(shí)際上，Ie是受從輸入端看進(jìn)去的發(fā)射結(jié)電壓控制的（可以參見(jiàn)三極管高頻小信號(hào)模型），加Uce電壓的時(shí)候發(fā)射結(jié)已經(jīng)處于導(dǎo)通了，它的影響不在發(fā)射結(jié)而在集電結(jié)，加Uce電壓是為了讓Ic基本等于Ie，所以說(shuō)Ic受發(fā)射結(jié)電壓控制，人們?yōu)榱擞?jì)算方便把這種控制折算成受Ib控制，就是因?yàn)檎f(shuō)成這樣，使得人們不太容易理解三極管工作的原理。從輸出回路受輸入回路信號(hào)控制的角度來(lái)看，Ic不是由Ie控制的，但是，Ic其實(shí)是由Ie帶來(lái)的，所以，也可以說(shuō)Ic受Ie影響的，這也得受三極管制造工藝影響，如果拿兩個(gè)背靠背二極管的話，怎么也不行。盡管三極管不是一個(gè)理想器件，但是，它的發(fā)明已經(jīng)是具有劃時(shí)代意義了。由于它的B極還有少量電流，因?yàn)檫@個(gè)電流的存在意味著輸入回路有耗能，如果我不耗能就能控制住你輸出回路的電流，那這個(gè)便宜就大了，所以，后來(lái)人們發(fā)明了場(chǎng)效應(yīng)管。其實(shí)，發(fā)明場(chǎng)效應(yīng)管的思想也是與三極管一樣的，就是為了用一個(gè)電壓來(lái)控制導(dǎo)線中的電流，只是這回輸入回路幾乎不耗能了，同時(shí)，器件兩端的電流相等了。從使用者的角度（非設(shè)計(jì)者）來(lái)看看三極管的應(yīng)用：三極管的兩個(gè)基本應(yīng)用分別是“可控開(kāi)關(guān)”和“信號(hào)的線性放大”。可控開(kāi)關(guān)：C和E之間相當(dāng)于一個(gè)可控開(kāi)關(guān)（當(dāng)然。這個(gè)開(kāi)關(guān)有一定的參數(shù)要求），當(dāng)B-E之間沒(méi)有加電壓時(shí)，C-E之間截止（C-E之間斷開(kāi)）；而當(dāng)B-E之間電壓加的很大，發(fā)射區(qū)發(fā)射的電子數(shù)量就多，C極和E極的電流就很大，如果輸出回路中有負(fù)載時(shí)（注意，輸出回路沒(méi)有負(fù)載CE之間就不會(huì)飽和），由于輸出回路的電源電壓絕大部分都加到負(fù)載上了，CE之間的電壓就會(huì)很小，CE之間就處于飽和狀態(tài)，CE之間相當(dāng)于短路。在飽和情況下，盡管C極電流比基極電流大，但是，C極電流與輸入回路的電流（基極電流）不成β的比例關(guān)系。以最簡(jiǎn)單的電路為例，我們家里都有手電筒，手電筒有三個(gè)要素（具有普遍意義）：電源、燈泡（負(fù)載）和開(kāi)關(guān)，這里的開(kāi)關(guān)需要直接手動(dòng)進(jìn)行合上與斷開(kāi)，用三極管代替這個(gè)開(kāi)關(guān)我們就能實(shí)現(xiàn)用信號(hào)來(lái)控制，計(jì)算機(jī)在遠(yuǎn)端就能控制這個(gè)回路。控制高壓、大電流的還請(qǐng)大家看看IGBT等功率芯片及模塊，那是真震撼。從另一方面看飽和：從輸出特性曲線可以看到，IB一定時(shí)VCE電壓不用很大，那個(gè)輸出特性曲線就彎曲變平了，這說(shuō)明收集電子的電壓VCE不用很大就行，其實(shí)不到1V就行，但是，實(shí)際上我們?cè)谳敵龌芈范际羌右粋€(gè)電壓很大的電源，你再加大VCE也沒(méi)有用，我們看到，IB一定時(shí)VCE增加后對(duì)IC的大小沒(méi)有影響（理想情況），所以要想把發(fā)射的電子收集過(guò)去，VCE根本不用很大電壓。但是，通常情況下，我們會(huì)在輸出回路加入一個(gè)負(fù)載，當(dāng)負(fù)載兩端電壓小于電源電壓時(shí)，電源電壓的其它部分就加在CE兩端，此時(shí)三極管處于線性放大狀態(tài)。但是，負(fù)載兩端電壓的理論值大于電源電壓時(shí)，則三極管就處于飽和狀態(tài)，這種情況IC不用很大也行。所以不要以為VCE一定很大三極管集電極才能收集到電子，可以看到收集電子的電壓很小就行。對(duì)于飽和的問(wèn)題來(lái)說(shuō)，除了上一段文字中說(shuō)到的電流很大引起飽和外，我們還可以從電壓的角度來(lái)看，假設(shè)三極管，電源電壓為12V，基極電流為40微安，則集電極電流就是2毫安，如果集電極接一個(gè)3K歐姆電阻，則VCE=6V，而這個(gè)電阻換成30K歐姆時(shí)，VCE趨于零了，這種情況下三極管也是飽和了，所以從電壓角度來(lái)看，集電極電流不一定很大，在選擇合適負(fù)載電阻的情況下，三極管也可以處于飽和狀態(tài)，所以，飽和與負(fù)載有關(guān)，如果電源電壓很大，那飽和時(shí)VCE就這么一點(diǎn)點(diǎn)電壓而言那當(dāng)然是微不足道的，所以，很多地方就將它約等于零了，但是并不能說(shuō)它沒(méi)有電子收集能力。信號(hào)的線性放大：這種情況下，C極電流與B極電流成線性比例關(guān)系IC=βIB（BE之間電壓要大于死區(qū)電壓，同時(shí)，VCE不趨于零），而且，C極電流比B極電流大很多，前面已經(jīng)知道，C極電流的大小受BE電壓控制（人們?yōu)榱朔治鰡?wèn)題方便，將這種控制關(guān)系說(shuō)成是C極電流受B極電流控制）。實(shí)際上，馬路上到處跑的汽車就是一個(gè)放大器，它是把駕駛員操作信號(hào)給放大了，它也是線性放大，是能量的放大，而多余的能量來(lái)自于燃燒的汽油。模電這門課從三極管小信號(hào)模型開(kāi)始的絕大多數(shù)內(nèi)容都是講小信號(hào)放大問(wèn)題，共射極、共集電極、共基極的4個(gè)電路是基本，其它的是由他們組合而成的，它們的電路組成、電路交直流分析、電路性能分析是關(guān)鍵。其它的就是功率放大的問(wèn)題、模擬集成運(yùn)算放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題、運(yùn)放的應(yīng)用、如何減少非線性失真和放大穩(wěn)定問(wèn)題（負(fù)反饋）、正弦波產(chǎn)生（正反饋）等等。模電從細(xì)節(jié)和總體上把握。模電的學(xué)習(xí)：從使用者的角度來(lái)看，其實(shí)，模電這門課并不難，學(xué)生往往被書(shū)中提到的所謂少子、多子、飄移、擴(kuò)散等次要問(wèn)題所迷惑，沒(méi)有抓住主要問(wèn)題，有些問(wèn)題是半導(dǎo)體材料本身存在缺陷導(dǎo)致的，人們?yōu)榱丝朔@些缺陷而想出了各種解決辦法，所以，模電中有許多是人們想出的技巧和主意。從三極管三個(gè)電極連接的都是金屬的角度來(lái)看，金屬中只有自由電子的定向流動(dòng)才有電流，金屬中哪有什么空穴之類的東西，如果把人們的視線停留在三極管的內(nèi)部，那一定使人們不容易理解，如果你跳出來(lái)看問(wèn)題，你就會(huì)理解科學(xué)家當(dāng)時(shí)為什么要發(fā)明它，也會(huì)使你豁然開(kāi)朗。但是，從設(shè)計(jì)者角度來(lái)看，需要考慮的問(wèn)題就很多了，否則，你設(shè)計(jì)出來(lái)的器件性能就沒(méi)有人家設(shè)計(jì)的好，當(dāng)然也就沒(méi)有市場(chǎng)了。如果誰(shuí)能找到一種材料，而這種材料的性能比半導(dǎo)體特性還好，那么他一定會(huì)被全世界所敬仰。所以，學(xué)習(xí)模電的時(shí)候，一定要用工程思維來(lái)考慮問(wèn)題，比如，為什么要發(fā)明它？它有什么用途？它可以解決什么問(wèn)題？它有哪些不足？人們是如何改進(jìn)的？等等。再談可控開(kāi)關(guān)：三極管要工作在飽和或截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)C和E之間相當(dāng)于可控開(kāi)關(guān)，B極加輸入信號(hào)，為了防止三極管損壞，B極要接限流電阻，余下的問(wèn)題就是，所控制的負(fù)載應(yīng)接在C極還是E極？它的功率有多大？驅(qū)動(dòng)電壓多大？電流多大？你選的三極管能否勝任？不勝任怎么辦？改用什么器件？低壓和高壓如何隔離？等等。再談信號(hào)的線性放大：這種情況下，C極電流是B極電流的β倍，以三極管放大電路為例：（1）直流工作點(diǎn)問(wèn)題，為什么要有直流工作點(diǎn)？什么原因引起工作點(diǎn)不穩(wěn)定？采取什么措施穩(wěn)定直流工作點(diǎn)？為什么要有直流工作點(diǎn)？是因?yàn)镻N結(jié)只有外加0.5V以上電壓時(shí)才有電流通過(guò)（硅材料），而我們要放大的微弱的交變信號(hào)幅度很小，將這個(gè)信號(hào)直接加到三極管的基極和射極之間，基極是沒(méi)有電流的，當(dāng)然，集電極也不可能有電流。所以，我們?cè)诨鶚O加上直流后，以NPN管子為例，共射、共基、共集電極三個(gè)電路的直流都是一個(gè)方向。無(wú)論三極管電路的哪種接法，它們的直流電流方向都是一樣的，輸入（發(fā)射結(jié)）加入微弱交流小信號(hào)后，只能使這些輸出回路電流發(fā)生擾動(dòng)，總體上不能改變這些電流的方向，但是，這個(gè)輸出回路電流中有被輸入交流信號(hào)影響的擾動(dòng)信號(hào)，我們要的就是這個(gè)擾動(dòng)的信號(hào)（輸出交流信號(hào)），這個(gè)擾動(dòng)的信號(hào)比輸入信號(hào)大，這就是放大，也可以說(shuō)，放大其實(shí)是輸出回路電流受輸入信號(hào)的控制。如果直流工作點(diǎn)設(shè)置合理時(shí)，那個(gè)擾動(dòng)信號(hào)就與輸入交流小信號(hào)成比例關(guān)系，而且又比輸入信號(hào)大，我們要的就是這個(gè)效果。（2）交流信號(hào)放大問(wèn)題，共射極、共集電極、共基極電路的作用、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)是什么？如何克服電路的非線性？為什么共射--共基電路能擴(kuò)展頻帶？為什么共集電極放大電路要放在多級(jí)放大電路的最后一級(jí)？多級(jí)放大電路的輸入級(jí)有什么要求？人們?cè)诩呻娐分性O(shè)計(jì)電流源的目的是什么？它的作用是什么？如何克服直接耦合帶來(lái)的零點(diǎn)漂移？為什么要設(shè)計(jì)成深負(fù)反饋？其優(yōu)點(diǎn)和問(wèn)題是什么？深負(fù)反饋?zhàn)约さ脑蚴鞘裁矗渴裁词请娐返慕Y(jié)構(gòu)性相移？什么是電路的附加相移？什么情況下電路輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間出現(xiàn)附加相移？等等。（3）集成運(yùn)算放大器，為了克服半導(dǎo)體器件的非線性問(wèn)題（不同幅度信號(hào)的放大倍數(shù)不一樣），人們有意制成了高增益的集成運(yùn)算放大器，外接兩個(gè)電阻就構(gòu)成了同相或反向比例放大電路，這時(shí)整個(gè)電路的電壓放大倍數(shù)就近似與半導(dǎo)體特性無(wú)關(guān)了（深負(fù)反饋條件下），放大倍數(shù)只與外接的兩個(gè)電阻有關(guān)，而電阻材料的溫度特性比半導(dǎo)體材料好，同時(shí)線性特性也改善了。在計(jì)算的時(shí)候注意運(yùn)用“虛短”和“虛斷”就行了，模電學(xué)到這里那就太簡(jiǎn)單了，所以，如果不考慮成本時(shí)誰(shuí)還會(huì)用三極管分立元件組成的放大電路，還得調(diào)直流工作點(diǎn)。集成運(yùn)算放大器的其它應(yīng)用還很多，如有源濾波器、信號(hào)產(chǎn)生電路等。負(fù)反饋?zhàn)?/p>