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晶体管之:开启晶体管再学习

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发表于 2020-3-26 09:20:41 | 显示全部楼层 |阅读模式
很多人在学习晶体管电路的时候,教材里的讲解,一般都是以“受控源”的方式来抽象晶体管——即所谓电流控制电流源(CCCS)(三极管),电压控制电流源(VCCS)(场效应管);同时还有电压控制电压源(VCVS),电流控制电压源(CCVS)。这些名词读起来拗口,深入理解起来也不是那么轻松。估计这也是很多人学完就容易忘记的一个原因。
那这么说是因为大学教材不好吗?其实不是的,教材是实际电路的高度理论化和抽象化,能更好地建立知识的体系化、综合化。但是对于初学者而言,缺乏了一些直观性,对于工程而言,缺乏了实际操作性。所以,无论是在校的学生,或者是已经参加了工作的年轻工程师,对晶体管的“再学习”是非常有必要的。这个“再学习”,应该是从实际的工程角度出发,配以完整的电路图、电路参数的具体计算方法,以及对应的波形图等“看得见、摸得着”的电路实物而进行的学习。所以它应该是直观实用、简明有趣的。
/ 晶体管在现代电路设计里已经过时了?/

1  芯片也是由千以万计的晶体管组成,里面包含了各种晶体管电路。所以懂得晶体管电路的设计思路,对芯片的了解会更深入,使用起来也会更得心应手;
2  芯片由于体积的限制,往往在功率、耐压、噪声、频率等方面具有先天的劣势,因此对于高功率、高电压、低噪声、高频率等方面的电路,单独的芯片往往无法胜任,需要外围的晶体管等元器件协同工作,才能达到预期的效果;
3  高精度的芯片往往价格昂贵,并且难以获得(批量小/禁运)。使用普通的芯片及外围的晶体管电路实现高精度芯片的高级功能,在工程实践中会经常遇到,而这也是工程师创造性工作价值的一种体现。
由此可见,晶体管电路设计不仅没有过时,也在与时俱进,与芯片相辅相成。不过我们现在需要“再学习”的晶体管电路设计,与过去主要以分立元器件电路设计为主的时代的侧重点会有所不同,应该说要简单很多。但是,基础性和系统性的学习仍然是不变的重中之重。不过就像前面说的,这个基础性和系统性的“再学习”,是基于实际的电路角度,应该是直观实用、简明有趣的。
/ 晶体管长什么样?/

俗话说:“没吃过猪肉,也见过猪跑。”我们说的晶体管,主要指的是双极晶体管(bipolar junction transistor,简称BJT)和场效应管(field-effect transistor,简称FET)。双极晶体管又俗称三极管。
单个晶体管大部分都是“三只脚封装”。所以有人戏谑:“两只脚的叫二极管,三只脚的叫三极管,四只脚的叫……”
上图就是各种封装的晶体管,基本都能很明显地看到“三只脚”。
左边小型的贴片封装,一般是小信号型的晶体管;中间大的直插的封装,一般是高耐压、高功率型的晶体管;而最右边金属外壳的,是高频晶体管。
那么我们先来回忆一下晶体管的基本知识。
/ 何谓晶体管放大工作?/

“放大工作”是晶体管最主要的一个特点,但是初学者对于晶体管放大功能的理解,可能会存在下面的误解:
即认为在晶体管里面,输入的信号会被直接地放大,就像话筒喇叭放大说话声音一样。实际上却并非如此,被“放大”的输出信号,其实应该认为是从电源而来,如下图:
由电源而来的输出信号形状与输入信号相同,而且比输入信号的电平高。所以从电路外部看上去,输入信号是“被晶体管放大”了。这就是晶体管放大工作的内在原理。那么它是如何作用呢?下面分别是三极管和场效应管(后文将简称为FET)的工作原理。
/ 晶体管是如何工作的?/

三极管的工作原理其实很简单,如下图:
可以认为在基极和发射极之间有一个检测电流的“电流计”,三极管内部根据这个电流计检出的电流值,放大数十至数百倍,并使其出现在集电极和发射极之间。简单来说,三极管就是利用基极电流来控制集电极-发射极电流的器件,只要使基极的电流流动,它就能工作。
因此三极管被称为电流控制电流源(CCCS)器件。
FET的工作原理也类似,不过把检测的电流计换成了电压计,这也是为什么FET会被称为电压控制电流源(VCCS)器件的原因。
/ 开启再学习之旅 /

以上就是晶体管在现代电路设计中存在的必要性,同时我们也回忆了晶体管的放大工作的特点及其基本工作原理。相信只要理解了晶体管的这个内部工作原理,后面的晶体管电路设计工作就不是什么难事。后续文章我们将会以三极管放大电路设计为切入点,由浅入深地介绍晶体管的电路设计方法,直至运算放大器——放大电路中的集大成者(运算放大器也称OP放大器)。
下图就是一种常见的OP放大器电路的两种接法,哪种更可靠呢?
就算对于初学者,也能知道右边的电路会更可靠一些(毕竟多出了很多阻容器件)。但是为什么右边的电路会更可靠呢?这里先卖个关子。等到我们完成了这一系列的晶体管“再学习”之旅,这个小问题的答案将会自然而然地出现在你的脑中。

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