初級模擬電路：3-5 共射組態

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      在這一小節中，我們詳細分析BJT的共射組態電路，共射組態是BJT最常用的一種放大組態。在BJT的共射組態中，“輸入埠”和“輸出埠”共用BJT的射極端子（故稱為“共射”），形成一個雙埠網路，如下圖所示：

圖 3-5.01 

      我們可以將其畫成以下的PN結形式，來分析在共射組態電路連接的偏置下，載流子的流動情況：

圖 3-5.02 

      我們以上面左圖的npn為例進行分析：在圖中，發射極結正偏，且使V_CC大於V_BB從而使得集電結反偏。

      先來看發射結得情況：當發射結正偏時，發射區的自由電子大量進入基區，形成發射極電流I_E。由於基區摻雜濃度很低，從發射區過來的自由電子只有很小一部分能與基區的空穴複合，然後在基區的價帶運動到基極端子，再通過導線回到電源V_BB的正極，從而構成基極電流I_B（一般為微安級）。

      前面說過，基區通常做得非常薄，所以從發射區過來的大量剩餘的自由電子，會繼續向前運動穿過反偏的集電結，從而進入集電區，然後在電源V_CC正極的吸引下，在集電區的導帶運動到集電極端子，再通過導線回到電源V_CC的正極，從而構成集電極電流I_C。

      至於由基區的空穴運動構成的電流，由於基極的摻雜濃度很低，對總電流的影響很小，故基極的空穴電流我們就忽略不考慮了。

      從圖中可以看到，在共射組態時，基礎公式仍然成立：

      在後面的分析中，我們都將以npn型晶體管為例進行分析；pnp的分析方法其實是一樣的，只是電流方向相反而已。

1.   輸入特性

      共射組態型電路的輸入特性（input characteristics）是指：在一定的輸出端電壓V_CE下，輸入電壓和輸入電流之間的關係（即：V_BE-I_B伏安關係）。

圖 3-5.03 

      從上圖中我們可以看到，V_BE-I_B的伏安曲線與二極體特性曲線很相似，只不過輸入電流的當量等級小了很多，為微安級。而且和共基組態類似，不同的輸出埠電壓（這裡是V_CE）對於輸入特性的影響非常小，幾乎可以忽略輸出埠電壓對輸入特性的影響。

      和共基組態一樣，共射組態的輸入特性也可以像二極體那樣做分段近似：當小於0.7V時視為截止，到達0.7V後視為導通。

2.   輸出特性

      共射組態型電路的輸出特性（output characteristics）是指：在一定的輸入電流I_B下，輸出電流與輸出電壓的關係（即：V_CE-I_C伏安關係）。

      共射組態電路的輸出特性伏安曲線圖如下圖所示：

圖 3-5.04 

      在上圖中我們可以看到，輸出特性伏安曲線圖同樣分為3個區域，分別是：放大區、截止區、飽和區。但是和共基組態的輸出特性曲線有幾點不同，我們將兩者的曲線圖併排放置於下，可以看出有以下幾點不同：

圖 3-5.05 

      ● 在共射組態下，放大區的伏安曲線並不像共基組態那樣十分水平，而是有略微的傾斜；

      ● 共射組態的截止區不再全部位於橫坐標之下，而是位於橫坐標之上的小塊區域；

      ● 共射組態的飽和區也不再是輸出埠電壓小於0的區域，而是當輸出埠電壓V_CE小於某個閾值V_CEsat後，就進入飽和區。

      下麵我們對各個區域分別進行詳細描述：

（1） 放大區

      放大區（active region）是圖中綠色部分，占據曲線圖的大部分面積。當共射組態電路的：發射結正偏、集電結反偏時（就是我們前面分析過的最常用的偏置組合），輸出伏安曲線就處於放大區。

      對於放大區範圍內的伏安特性曲線，我們可以看出以下2個特性：

      ① 在放大區範圍內伏安曲線不再水平，這說明輸出埠電壓V_CE對集電極電流I_C會產生一定的影響。

      ② 對於每一個特定基極電流I_B，都有一根對應的輸出特性伏安曲線。並且基極電流I_B為微安級，而輸出電流I_C為毫安級。

（2） 截止區

      截止區（cutoff region）是圖中紅色區域部分。按定義來講，就是發射結偏置電壓為0或反偏，而集電結正偏的區域。與共基組態不同的是，由於共射組態電路接法的特殊性，當基極電流I_B為0，若集電結偏置使得V_CE大於0時，輸出電流I_C並不為0，而是有一點略微的正值的。我們將共射組態的電路以PN結的形式重畫於下：

圖 3-5.06 

      在上右圖中我們可以看到，發射結開路，使基極電流I_B為0。但從整體來看，由於中間的基極非常薄，整個三極體近似可視為一個電阻很大的純N型半導體，只是中間稍微有點PN結的阻礙。當外加電壓V_CE加在其上時，會產生一個電流I_CEO（這裡“O”的意思是基極開路），這個電流比以前說的PN結反偏電流要大很多（大約0.1毫安級），一般不能忽略。

      因此，共射組態的截止區定義為輸出電流I_C小於I_CEO部分的區域，即圖中紅色部分。也就是當I_B≤0時的輸出區域。

（3） 飽和區

      飽和區（saturation region）是圖中橙色部分。從定義上講，當共射組態電路的：發射結正偏，集電結也正偏（V_CB<0）時，伏安曲線就處於飽和區。我們仍以PN結圖的形式來說明：

圖 3-5.07 

      當發射結正偏時，V_BB的大小一般為0.7V左右。在上圖中，要使集電結正偏，V_CC的電壓就必須小於V_BB，這個0.7V左右的閾值由半導體的固有特性決定，在輸出特性曲線圖上，這個值標記為V_CEsat（sat是“saturation”的簡寫，意思是“飽和”）。即：當發射結正偏時，V_CE若小於V_CEsat，共射電路就進入飽和區。

      我們回憶一下先前在放大區時的特點：發射結正偏、集電結反偏。反偏的集電結對由發射區運動過來的自由電子，是有一個助推作用的。而現在在飽和狀態下，集電結處於正偏，所以跟先前的作用相反，集電結現在對發射區過來的電子有一個阻礙作用，使得從發射區過來並能進入集電區的自由電子數量變少，因此集電極電流I_C會變小。V_CE小於V_CEsat越多，集電結就正偏的越厲害，它對自由電子的阻礙就越大，I_C就越減小。

      因此，這就解釋了在輸出特性曲線圖中，飽和區的現象：當V_CE小於V_CEsat時，I_C會迅速減小。

3.   參數β

      參數β一般由共射組態電路來定義，我們將圖3-5.02重畫於下：

圖 3-5.08 

      在上圖中，我們定義直流參數β_dc為：電流I_C流與電流I_B的比值。用公式表示即為：

      再定義交流參數β_ac為：當V_CE不變時，“集電極電流微小變化”與“基極電流微小變化”的比值，用公式表示即為：

      交流參數β_ac的正式名稱為共射前向放大繫數（common-emitter, forward-current, amplification factor）。大多數情況下，直流參數β_dc和交流參數β_ac的大小非常接近，可以相互通用。對於實際器件，一般β的典型值在50~400之間。

      在BJT的數據規格書上，通常用h_fe來表示β_ac參數，至於為什麼叫h_fe，這個是根據電路理論的二埠混合參數進行定義的，我們在下一章講BJT放大電路的交流分析時再講。

● 參數β和參數α的關係

      一般β參數的定義也可以用於共基組態電路，因此根據前面α和β參數的定義，再加上電流總關係式，可以推導出α和β參數之間的換算公式，我們將三個關係式列於下：

      將這三個式子聯立進行計算，消去其中的I_E，I_B，I_C，最後可得：

      另外，還有一個從上式導出的關係式我們也經常用到：

4.   擊穿區域

      和共基組態類似，在前面圖3-5.04的共射組態輸出特性伏安曲線圖上， V_CE不能無限制增大，當V_CE超過某一閾值後，集電極電流I_C會急速增長。就像普通二極體的反向擊穿一樣，集電結的反偏電壓如果太大，也會發生反向擊穿。如下圖所示：

圖 3-5.09 

      在圖中我們可以看到，擊穿電壓標記為V_(BR)CEO，也有的教材或規格書中把它標為BV_CEO的，基本都是一個意思。這張圖裡稍微有點怪異的地方是，當I_B很小時，I_C在擊穿區域內有一段是呈負電阻狀態，即：I_C增大但同時V_CE減小。這個是由於“厄利效應”產生的，這裡我們可以先不管它。在設計電路參數時，只需註意不要讓BJT進入擊穿區域就可以了。

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（ end of 3-5 ）