电子技术——BJT放大器基础
现在我们开始学习BJT放大器的相关知识，之前我们说过BJT放大器只工作在主动模式下，此时BJT相当于一个压控流源，基极电压 v B E v_{BE} vBE 控制着集电极电流 i C i_C iC 。尽管关系不是线性的，我们可以通过建立小信号模型使得BJT保持线性放大。
BJT电压放大器
之前在MOSFET我们学过，将压控流源转换成压控压源只需要引入一颗转换电阻，BJT同理，如图：
此时
v
B
E
v_{BE}
vBE 是输入电压，电阻
R
C
R_C
RC 负责电流电压转换，因此输出电压为：
v C E = V C C − i C R C v_{CE} = V_{CC} - i_C R_C vCE=VCC−iCRC
电压传导特性
接下来我们研究该电流的电压传导特性，假设我们 V C C V_CC VCC 保持在一个较大的电压，我们得到上述方程的图像表示：
当
v
B
E
v_{BE}
vBE 小于0.5V的时候，EBJ相当于截止状态，因此输出电流为零，输出电压为
V
C
C
V_{CC}
VCC 。之后随着
v
B
E
v_{BE}
vBE 的增大BJT进入主动模式，BJT放大器在此区域工作。如果
v
B
E
v_{BE}
vBE 继续增大超过Z点，则BJT进入饱和区，此时输出电压大约为0.3V。
在YZ区即饱和模式下的输入输出电压直接的关系为（忽略 r o r_o ro ）：
v C E = V C C − R C I S e v B E / V T v_{CE} = V_{CC} - R_C I_S e^{v_{BE}/V_T} vCE=VCC−RCISevBE/VT
使用DC偏置获得线性放大
通过之前对MOSFET的学习，我们知道，需要对BJT进行正确的DC偏置来获得线性放大，因此下图表示了BJT的DC偏置的描述：
Q点是我们的DC偏置点，由下面的方程决定：
V C E = V C C − R C I S e B B E / V T V_{CE} = V_{CC} - R_C I_S e^{B_{BE}/V_T} VCE=VCC−RCISeBBE/VT
I C = I S e B B E / V T I_C = I_S e^{B_{BE}/V_T} IC=ISeBBE/VT
现在我们叠加信号 v b e v_{be} vbe ，那么基极电压瞬时值为：
v B E ( t ) = V B E + v b e ( t ) v_{BE}(t) = V_{BE} + v_{be}(t) vBE(t)=VBE+vbe(t)
则输出电压 v C E v_{CE} vCE 是一个跟随 v B E v_{BE} vBE 的输出信号：
如果我们保证
v
b
e
v_{be}
vbe 足够小，那么我们就可以获得其线性放大信号。
小信号的电压增益
假设保证 v b e v_{be} vbe 足够小，那么其小信号的电压增益表示为：
A v ≡ d v C E d v B E ∣ v B E = V B E A_v \equiv \frac{d v_{CE}}{d v_{BE}} |_{v_{BE} = V_{BE}} Av≡dvBEdvCE∣vBE=VBE
求导可得：
A v = − ( I C V T ) R C A_v = -(\frac{I_C}{V_T})R_C Av=−(VTIC)RC
观察上面的式子，得到两个重要的结论：
- 增益是负的，说明输入输出电压之间的相位差为180度。
- 增益正比于 I C I_C IC 和 R C R_C RC 。
换一种表述方法为：
A v = − ( I C V T ) R C = − V R C V T A_v = -(\frac{I_C}{V_T})R_C = -\frac{V_{RC}}{V_T} Av=−(VTIC)RC=−VTVRC
这里 V R C V_{RC} VRC 是电阻 R C R_C RC 上的压降：
V R C = V C C − V C E V_{RC} = V_{CC} - V_{CE} VRC=VCC−VCE
上式给出理论上增益的最大值，当电阻 R C R_C RC 上的压降达到最大值：
A v = − V C C − V C E s a t V T A_v = -\frac{V_{CC} - V_{CEsat}}{V_T} Av=−VTVCC−VCEsat
或者：
A v ≃ − V C C V T A_v \simeq -\frac{V_{CC}}{V_T} Av≃−VTVCC
与MOSFET相同，这将导致Q点向Z点偏移，这将限制允许输入信号的最大幅值。
图像分析法
另外一种分析方法是通过图像分析法，这种方法通常用来决定Q点的位置：
其中电阻 R C R_C RC 的负载曲线由下面的方程决定：
i C = V C C R C − 1 R C v C E i_C = \frac{V_{CC}}{R_C} - \frac{1}{R_C} v_{CE} iC=RCVCC−RC1vCE
图中的Y点是BJT的截止边界点，此时 v B E = 0.5 V v_{BE} = 0.5V vBE=0.5V 。Q点是静态工作点，处在BJT的主动模式区中。Z点是饱和边界点。将BJT作为开关管则是在Z点和Y点之间相互切换，在Z点时，BJT表现出一个恒定的小电压压降并且保存较小的输出阻抗（开），在Y点则是极大的输出阻抗（关）。
确定Q点
Q点的位置坐标由 V B E V_{BE} VBE 和 R C R_C RC 的值决定。Q点的不同决定了增益的不同和允许的最大信号电压幅值，如图：
文章来源：https://www.toymoban.com/news/detail-499031.html
若Q点靠近Z点，那么最大信号电压正向幅值的将会削弱，没有足够的顶部空间，若Q点靠近Y点，那么最大信号电压负向幅值的将会削弱，没有足够的底部空间。这是设计师需要做出权衡的。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-499031.html
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