(2)半导体三极管组成的放大电路基本原理
下图为基本共射极放大电路(E端,Emitter)。
什么意思呢?
就是指:射极作为公共的输入输出端口的放大电路。
因为V_s是交流信号(产生正弦波型的电流或电压,简单说就是数学函数y=sin(x)图像的信号).它是作为输入信号而存在的。
而i_c是作为输出而存在,或者把电阻R_c两端的电压作为输出也行,因为i_c变大,根据欧母定律:U = i_c * R_c,R_c两端的电压也会按比列增加。看具体是要哪个作为输出吧,不过这不是重点,不用关注。
以上,输入信号V_s和输出信号i_c的共同端口是E端(射极),所以这是共射极放大电路。
同理还有共集电极(C端),共发基极(E端)的接法,这里不再详细阐述。
那么怎么分析这个电路呢?
初看,相对于初、高中见过的电路好像这个有点复杂,其实,如果前面讲到的知识都已经懂了,再拆分这个电路会变得很简单。别慌,慢慢来。
首先我们已经知道,要让三极管能够工作,必须让BE端能流经电子,也就是需要一个电压在外部提供电场,抵消掉BE端原有的内电场,让电子能够顺利通过E端到达B端。那么起到这个作用就是V_BB了。
除此之外,C端需要将刚刚已经到达B端的电子拉过来,所以便加了一个电源V_cc,其在B端到C端这部分半导体内部产生的电场方向,与B到C端半导体原有的内电场方向是相同的,这将加大其电场强度,而这个电场方向是垂直向下的,也就是它会吸引电子从B端到达C端(电场方向从正级指向负级,在此题中是从上到下,而电子带负电,异性相吸,所以电子将被电场吸引向上运动)。
当然V_cc还被当作放大电流所需的来源。因为电流不能无端放大,肯定要有一个能量来源。
其中R_c的作用相当于一个负载,如家用电器在电路中作为负载一样的存在。
R_b起到限制电流大小的作用,万一V_s增大后与V_BB叠加的电压超过了BE段半导体可承受的电压或电流值,容易烧毁,加个电阻可以防止这个问题。
这样下来,每一部分的作用都很清晰了。
V_s的电压改变,导致BE段的二极管导通的电子发生显著改变,而这些电子最终又是基本被BC段二极管吸引到了C端,从而使i_c(U_Rc)发生显著改变,当然i_B也会发生微小的改变,在V_s较小的时候,可以近似的认为i_B和i_c呈线性关系(正比例),从而电压V_s和Rc两端电压U_Rc呈线性关系,所以就起到了电压的放大作用,即V_s经过三极管后放大为U_Rc,也可以说电流i_B经过三极管后被放大为i_c。
如图为电压放大:
当然,凡事不可能完美,这里也存在一些其他可能出现的问题。
- 如果V_s叠加V_BB后仍然过小,不能导通BE段二极管,i_B将变为0,i_c也将趋近于0,为什么不是零呢?我觉得应该是温度导致BE段二极管内还有部分电子被激发可以穿越过电场到达C端。呃,这么说i_B也只是趋近0?不管,不是关键点,有咩有大佬有更专业的解释?
- 如果V_s叠加V_BB后过大,则i_c达到一定程度,导致Rc分压过大,加在CB或者说CE两端的电压就将减小(因为Vcc提供的电压是分给Rc和CE段的,而Vcc一定,一个电压大了,另一个必然小了),使得CB段二极管的内部电场不能在单位时间内将来自E端的电子全部吸引过来,就算E端电子再多,i_c也不会再变大,因为已经达到吸引电子的极限了。
以上2种情况都会导致输出的电压或电流跟输入的电压、电流失去线性关系,输出波形形状会跟输入的有很大出入,这就是所谓的信号失真了。1对应截止失真;2对应饱和失真,因为电流饱和了嘛。
这个电路虽然已经实现了放大功能,但是也只是原理图,不能在实际中应用,存在问题:交流信号没有接地,很容易受到干扰。
为了解决这个问题,我们可以去掉电源V_BB,改用一个电阻Rb1分压,给BE段二极管一个电压差,因为加上电源V_BB本质上也是给BE段二极管提供电压差,从而产生电场抵消内部电场导通二极管。如下图左:
我们可以看到V_s直接接地了,这样可以减少干扰。但为了让V_s不受来自流经Rb1的电流i1的影响,加了一个电容Cb1,它的作用是通交流,隔直流。这样可以阻隔直流的经过而又不影响加在BC两端的交流信号V_s。
Rb2和Rb1一样,是用来分压代替电源的。因为电流从Vcc出发,从上到下流经Rb1,产生了一个电压下降(压降),然后又从B端向下流经Rb2,又产生一个电压下降,也相当于一个电源,使得电路可以提供一个合适的电压差在BE段二极管内产生电场,用来抵消原有内电场,使BE段导通。一句话总结就是:Rb1和Rb2共同作用,使电路在B端获得一个合适的电位,使三极管BE段导通。
同理Rc是使三极管在C端(集电极)获得一个合适的电压,增强CB段内二极管的管内电场,吸引BE段导通后“发射”过来的电子。
Rsi的话,看上去应该是表示Vs的内部电阻,这个不是关键点,也略过。
Cb2也是隔直流,通交流,所以i_c的变化在通过Cb2后会只剩下交流分量,最后到达负载R_L,并输出为电压Vo。
如上图,左边的图是电流还没有经过电容Cb2时的电压(位),经过Cb2后变为右边的波形,即为输出电压Vo。波形是完全一样的,只是少了一个直流分量。
通俗解释一下什么是直流分量,什么是交流分量。
一般sin或cos这样的函数表示的电流就是纯交流信号,对应的就是上图右边的图形,如果在此基础上加个常数,整个函数图形会上移。
上图左边的图形可以用函数表示为 V = sin (t) + V_b
对于信号V, 加的这个常数是V_b,这个V_b就是直流分量,而sin(t)对于V来说就是交流分量了。
所以对于上图左边的图形对应的信号,可以看作一个交流信号叠加一个直流信号而产生。
那为什么电容能够阻隔直流,通交流呢?
如果只是直流而且电流大小不变时,电容只有一边有电荷积累,将会达到稳定状态,不会放电,这个时候除了充电的那一瞬间不会产生电流。
而如果含有变化的电流,在电流上升,或说电压上升时,电容充电,积累电荷,而当电压或说电流减小时,电容放电,充电和放电的方向是相反的,给我们一种交流穿过了电容的感觉,其实并没有。
所以为什么Cb2可以过滤掉直流分量?
是因为在信号在直流的基础上有上下波动,每一点波动都会使电容进入充放电装态而使电子能够流经负载R_L形成电流。
所以Cb2相当于捕捉了变化的部分,而抛掉了不变的部分,从而过滤掉了直流。
剩下一个电阻Re,这个电阻有个很重要的作用,就是减小温度对三极管放大作用的影响。
首先,因为B点到地经过了一个电阻Rb2,而Rb2固定不变,所以B点电位或到地的电压是不变的,当温度升高时i_B变大,根据欧姆定律,Re两端的电压也会变大,B点电压不变,E点电压升高,U_B – U_E 值变小,最后导致加在BE段二极管的电压减小,i_B随之减小,当温度降低导致i_B变小可同理推导。这种反馈作用会使i_B稳定在很小的范围内。从而增加了三极管放大功能的稳定性
2. 金属-氧化物-半导体场效应三极管(MOSFET)
–Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor
简称MOS管,其中一个类型如下:
图(a)是立体结构图,(b)是纵剖面图,(c)是代表符号
其中图(b)中:
- P型衬底是指前面提到的掺杂3价原子的硅半导体。
- 耗尽层是前面提到的二极管中的空间电荷区。
- 源极和漏极的N+是指高掺杂浓度的N型半导体,即掺杂3价原子
- 铝是导电作用
- 二氧化硅起绝缘作用,后面会提到
可是不是已经有了前面提到的半导体三极管了吗?
为什么会再发明出这个MOS管?
因为半导体三极管是用基极(B端)电流影响或说控制集电极(C端)电流的,虽然基极电流很小,但终归是有能耗的,在电路中会以发热的形式消耗能量。
我们就想,能否消除这部分电流,使这部分的耗能消失?
于是便发展出了用电场控制电流的MOS管,全称是金属-氧化物-场效应三极管
- 金属是指Al,作为导电材料。
- 氧化物是指二氧化硅,绝缘
- 场效应是指电场引起的一些电子移动
看下图,g连在Al上,Al下是绝缘的二氧化硅,P型衬底和g间连有一个电源,该电源在g下的二氧化硅和衬底间形成一个方向垂直向下的电场,而P型衬底是指前面提到的掺杂3价原子的硅半导体,P代表Positive,意味着P型衬底间有较多的空位(相当于带正电Positive),在电场的作用下,电子便会被吸引到g的下方的空穴(空位)中,又由于g下二氧化硅的绝缘作用,g和衬底间不会产生电流,也就不会有这方面的能耗了。
在电场作用下,电子将逐渐聚集在g的下方并形成一个通道(图中N型感生沟道),并连接左右两边的高浓度掺杂的N+型半导体(掺杂5价原子的半导体)。
s和d分别通过Al片连接这两个N型半导体(掺杂5价原子的半导体)
在两个半导体s和d间加一个下图所示的电源V_DD,电子将会从V_DD的负级出发,流过左边的半导体,再经过中间电场作用下形成的电子沟道,到达右端的半导体回到V_DD的正级。
通过改变g和衬底间的电压大小,便可以控制电场强度的大小,进而调节吸引电子的能力,从而改变沟道的厚度,而沟道的厚度又决定了从s端能够流过多少电子到达d端,要注意电子方向跟电流方向是相反的,所以电子是从负级到正级,而电流刚好反过来,所以在上图中的话,流经沟道的电子多少,反映在电流上就是i_D的大小。
所以我么可以得出一个结论,通过改变电源电压V_GG的大小,我们就可以改变电流i_D的大小。如果在V_GG那里串联一个幅度比较小的交流信号,那么g和衬底间的电压会随着交流信号的变大而变大,减小而减小,从而改变了沟道宽度,沟道宽度一改变,能经过的电子会发生显著改变,电流i_D的大小也将显著变大或变小。这就相当于一个信号放大的效果了。
这就是此类型三极管的放大作用原理。
但这里其实还有一个问题,由于加了一个电源V_DD,所以在g下方的沟道中,从左到右相当于是从V_DD电源的负级到其正级,电压是逐渐上升的,他会影响到加在g和衬底间电压形成的电场大小。
越靠近d端,越接近电源V_DD正极,电压也就越高,与V_GG加在g上的电压相抵消的也就越多,电场强度就越低,吸引电子的能力就越弱,形成的沟道也就越薄,所以画出沟道图形的话就会像下图(a)一样,呈一个楔型。
如果继续增大s,d间的电压,当到达一个临界点,靠近d端的电子沟道将几乎消失(夹断),不过相对与沟道长度,夹断区的长度是很小的,在V_DD形成的电场强度下,足以将电子拉过这个夹断区回到电源V_DD正极。沟道已经形成夹断区后,无论V_DD再如何增大,夹断通道就那么大,能经过的电子也不会再增加,电流也就基本不变了。
上述描述的现象有没有跟前面的半导体三极管有点相似?
对,就是其中一个电压无论如何变化,电流都不会变了,这个特性可以做成电流源,这也是电流源的基本原理。当然,前提是我们要将V_GG控制在一个定值上,再让V_DD超过一个临界值,让沟道产生夹断区才可以。
最后,由于关于放大电路的原理已经在前面的半导体三极管中描述过了,类比即可,所以在此不再赘述。我们直接进入数字电路部分。
三:基本门电路原理
待更新…
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