初级模拟电路：3-3 共基组态

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      在这一小节中，我们详细分析BJT的共基组态电路。在BJT的共基组态中，“输入端口”和“输出端口”共用BJT的基极端子（故称为“共基”），形成一个双端口网络，如下图所示：

图 3-3.01 

      无论是npn型还是pnp型，下式总是成立的，这是我们后面分析的基础公式：

      在后面的分析中，我们都将以npn型晶体管为例进行分析；pnp的分析方法其实是一样的，只是电流方向相反而已。

      在上面图3-3.01的双端口网络中，我们有四个参数要研究（V_BE, I_E, V_CB , I_C），理论上讲，必须固定其中一组电压与电流，才能对剩下的一组电压和电流画伏安特性曲线。但是由于BJT有一个端子被输入输出端口共用，所以实际上只有2个自变量。我们以下图举例：

图 3-3.02 

      上图中，只有V_EE和V_CC是自变量，I_E和I_C都是应变量。比如，我们只要固定了V_CC，就可以通过变化V_EE，来研究I_E-V_EE之间的伏安关系。换句话说，某个端口的电流完全由输入和输出两个端口的电压来控制（这种控制就是BJT的基本作用）。此时，I_C的值也完全由V_EE和V_CC决定，我们在研究I_E-V_EE伏安关系时，可以不关心I_C的值。

      再比如，我们也可以调整V_EE使I_E为固定值，然后通过变化V_CC，来研究I_C-V_CC之间的伏安关系，如下图所示：

图 3-3.03 

      此时，我们调整V_EE的主要目的是为了使I_E固定，V_EE完全可由I_E确定，我们在研究I_C-V_CC伏安关系时，可以不关心V_EE的值。

 

1.   输入特性

      共基组态型电路的输入特性（input characteristics）是指：在一定的输出电压V_CB下，输入电压和输入电流之间的关系（即：V_BE-I_E伏安关系）。

      共基组态电路的输入特性伏安特性图如下图所示：

图 3-3.04 

      从上图中我们可以看到，V_BE-I_E的伏安曲线与二极管特性曲线很相似。而且可以看到，不同的集电结偏置电压V_CB对于输入特性的影响非常小，几乎可以忽略。甚至我们可以将它像二极管一样作分段近似，如下图所示：

图 3-3.05 

      上图可以理解为：当BJT在“导通”状态时，不管射极电流I_E如何变化，V_BE的值固定在0.7V左右，因此I_E的大小实际由电路的其他部分控制。这个结论不只在共基组态成立，在BJT的其他组态中也是成立的。

 

2.   输出特性

      共基组态型电路的输出特性（output characteristics）是指：在一定的输入电流I_E下，输出电流与输出电压的关系（即：V_CB-I_C伏安关系）。

      共基组态电路的输出特性伏安特性图如下图所示：

图 3-3.06 

      上图中我们可以看到，输出伏安特性曲线图分为3个区域，分别是：放大区、截止区、饱和区，下面我们分别进行详细描述：

 

（1） 放大区

      放大区（active region）是图中绿色部分，占据曲线图的大部分面积。当共基组态电路的：发射结正偏、集电结反偏时（就是我们前面分析过的最常用的偏置组合），伏安曲线就处于放大区。

      对于放大区范围内的伏安特性曲线，我们可以看出以下2个特性：

      ① 在放大区范围内伏安曲线看上去几乎水平，这说明V_CB对集电极电流I_C几乎没有什么影响。

      ② 对于每一个特定发射极电流I_E，集电极电流I_C几乎就等于I_E，即：I_E ≈ I_C

 

（2） 截止区

      截止区（cutoff region）是图中红色区域部分。当共基组态电路的：集电结反偏、发射结偏置电压为0或反偏时，发射极电流I_E≤0， 伏安曲线就处于截止区。

      其偏置情况用下图进行说明：

图 3-3.07 

      当发射结偏置电压为0（即：发射结开路）时，如上左图所示，I_E=0。当发射结反偏时，如上右图所示，此时发射结中只有微弱的反偏漏电流通过，I_E<0。在这两种情况下，发射区都不再会有自由电子注入集电极，因此，集电极电流I_C仅由集电结反偏电压V_CB产生，数值为极其微小（纳安级）的反向漏电流I_CBO，可近似认为是0。 只要不击穿，V_CB的变化对I_CBO几乎无影响。

      因此，在I_E≤0的区域，集电极电流I_C都是一条数值为 0的水平直线。

 

（3） 饱和区

      饱和区（saturation region）是图中橙色部分。至于为什么叫作“饱和“，等我们后面讲完放大器的交流分析后，你就明白饱和是什么意思了，这里暂且不表。当共基组态电路的：发射结正偏，集电结也正偏（V_CB<0）时，伏安曲线就处于饱和区。

      其偏置情况用下图进行说明：

图 3-3.08 

      上面左图中，集电结外加的正偏电压较小，这个集电结偏置电压会产生一个偏置电场，叠加在原来集电结耗尽层自身的内置电场上（图中未画出），这个偏置电场会对发射极运动过来的自由电子产生一个阻力，使发射极冲到集电极的自由电子数量减少，在伏安曲线上表现出来就是：随着集电结正偏电压增大（即V_CB<0的部分），I_C迅速减小。

      当集电结正偏电压大到一定程度时时，如上面右图所示，此时已经没有自由电子能突破这个阻力来到集电极了，发射极偏置不能再产生集电极电流I_C了。此时，集电结就像一个普通二极管那样，产生正偏电流（这个电流同原来定义的I_C方向相反，故为负），在伏安曲线图上表现出来就是：当V_CB<-0.7V时，I_C<0，并且在负方向上急速增大。

 

3.   参数α

      参数α（阿尔法）只能由共基组态电路来定义，我们将图3-2.05重画于下：

图 3-3.09 

      在上图中，我们定义直流参数α_dc为：“I_C中的多子电流分量”与I_E的比值。用公式表示即为：

      再定义交流参数α_ac为：当V_CB不变时，“集电极电流微小相对变化”与“发射极电流的相应微小变化”的比值（注意到当V_CB不变时，I_CBO不变，故ΔI_C多子=ΔI_C总）。用公式表示即为：

      交流参数α_ac通常称为共基放大系数（common-base amplification factor）。大多数情况下，直流参数和交流参数的大小非常接近，可以相互通用。对于实际器件，一般α的典型值在0.9～0.998之间。目前我们暂时还用不到参数α，这里只是顺带了解一下，到下一章讲BJT的交流分析时，将会看到参数α的用处。

 

4.   击穿区域

      在前面图3-3.06的输出特性伏安曲线图上， V_CB不能无限制增大，当V_CB超过某一阈值后，集电极电流I_C会急速增长。就像普通二极管的反向击穿一样，集电结的反偏电压如果太大，也会发生反向击穿。如下图所示：

图 3-3.10 

      在图中我们可以看到，由于在不同的I_E条件下，击穿电压值略有不同，所以我们选取I_E=0（即：发射结开路）条件下的集电结反向击穿电压值作为参数，记作V_(BR)CBO，“O”的意思是指发射结开路（open）。

     

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（ end of 3-3 ）

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