如何為設(shè)計(jì)應(yīng)用電路找到理想的晶體管器件

一進(jìn)課堂我就指出，由于晶體管是一種單象限器件，我們首先需要將它偏置在有源區(qū)域中的一個(gè)合適的工作點(diǎn)?！澳銗壅φf(shuō)就咋說(shuō)吧”，學(xué)生們似乎在用無(wú)聲的語(yǔ)言應(yīng)付我。

接著我們必須保持工作點(diǎn)的變化足夠小，以確保小信號(hào)近似法有效。同樣，大家的反應(yīng)仍然是“你愛咋說(shuō)就咋說(shuō)吧”。最后，我們必須用電容進(jìn)行交流耦合和去耦?，F(xiàn)在甚至連“你愛咋說(shuō)就咋說(shuō)吧”的反應(yīng)都沒有了。我試圖通過(guò)粗略地分析圖1所示的電路來(lái)證明上述觀點(diǎn)，但意識(shí)到我的努力是多么的無(wú)意義，只好無(wú)奈地說(shuō)，今天的課就到這兒吧。

學(xué)生們齊刷刷地站起來(lái)，翻看著手機(jī)里的短信，還沒等我拿到黑板擦并轉(zhuǎn)過(guò)身來(lái)說(shuō)再見，他們就一窩蜂地走了……

圖1：不應(yīng)該在開春第一天討論的電路。

看著空蕩蕩的教室，我尋思：如果晶體管是四象限器件而不是單象限器件，我的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)將會(huì)變得多么容易。目前沒有這樣的器件，但是我們可以用一些晶體管來(lái)進(jìn)行模擬。

偽理想的雙極結(jié)型晶體管

雙極結(jié)型晶體管（BJT）是一種常開器件，要求基極-發(fā)射極電壓下降0.6-0.7V才能抽取足夠的電流。我們喜歡用圖2a所示的npn BJT，一旦將vB提高到0V以上，這種BJT就會(huì)抽取明顯的電流。用射極跟隨器Q3的E-B壓降補(bǔ)償Q1的B-E壓降可以滿足這個(gè)要求，如圖2b所示。忽略基極電流，可以得到：

圖2：對(duì)理想晶體管的逐步探索。

其中Is1和Is3是飽和電流，假設(shè)它們相等，VT是熱電壓。

為了確保圍繞vB=0的對(duì)稱操作，我們需要用圖2c中的Q2-Q4對(duì)補(bǔ)償Q1-Q3對(duì)。再次假設(shè)飽和電流相匹配，同時(shí)忽略基極電流，可以得到公式（1）的對(duì)稱表達(dá)式：

最后，為了完成對(duì)偽理想BJT的探索，我們需要接受差異。

圖3：最后一步，形成四象限晶體管，同時(shí)顯示了一種電路符號(hào)。

我們通過(guò)將兩個(gè)電流反射鏡的輸出連接在一起來(lái)完成這個(gè)任務(wù)，圖3的示例是威爾遜電流反射鏡。Q5-Q6-Q7反射鏡復(fù)制iC1，并將iC1引入輸出節(jié)點(diǎn)，而Q8-Q9-Q10反射鏡復(fù)制iC2，然后從輸出節(jié)點(diǎn)吸收iC2。在vB=0時(shí)，公式（3）的指數(shù)相互抵消，使iC=0。當(dāng)vB》0時(shí)，iC1占優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致iC》0，而當(dāng)vB 《 0時(shí)，iC2占優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致iC 《 0。很明顯，這個(gè)電路允許完整的四象限操作。另外，鑒于Q3和Q4射極跟隨器提供的達(dá)靈頓功能，該電路具有高輸入阻抗，它同時(shí)還因威爾遜反射鏡而具有高輸出阻抗。

這種偽理想BJT其實(shí)已經(jīng)面世很長(zhǎng)一段時(shí)間了。它曾被稱為飽和電抗器、宏晶體管、鉆石晶體管和電流傳送器II+，也有IC形式的OPA861。圖4表明，如果圖1中的放大器用飽和電抗器實(shí)現(xiàn)的話，會(huì)是多么簡(jiǎn)單。注意，圖1中的放大器提供信號(hào)反相功能，而圖3中的放大器是非反相類型。

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圖4：用飽和電抗器實(shí)現(xiàn)的共發(fā)射極放大器。

電流反饋放大器（CFA）

眾所周知，使用負(fù)反饋技術(shù)可以極大地?cái)U(kuò)展放大器的應(yīng)用范圍，基于飽和電抗器的放大器也不例外。由于飽和電抗器具有高輸出阻抗，因此需要使用一個(gè)輸出緩沖器來(lái)防止被反饋網(wǎng)絡(luò)加載。這就形成了圖5的電路，其中由Q11到Q14組成的輸出緩沖器與輸入緩沖器Q1到Q4非常類似。這個(gè)電路被稱為電流反饋放大器，它同樣已經(jīng)面世很長(zhǎng)時(shí)間了，在某些高速應(yīng)用中可替代傳統(tǒng)的運(yùn)放。普通BJT是通過(guò)將集電極和基極之間的反饋網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)配置反饋操作，飽和電抗器的非反相特性則要求反饋網(wǎng)絡(luò)連接在（緩沖的）集電極和發(fā)射極之間，也就是圖5所示的vO和vN節(jié)點(diǎn)之間。

為了研究反饋操作原理，參考圖6a所示簡(jiǎn)化后的等效電路，圖中明確地顯示了C節(jié)點(diǎn)到地之間的凈阻抗zc（因?yàn)楹芸鞎?huì)變得清晰，所以C節(jié)點(diǎn)也被稱為增益節(jié)點(diǎn)）。針對(duì)第一近似值，zc可以用電阻Rc并聯(lián)電容Cc來(lái)建模，因此擴(kuò)展為：

一般來(lái)說(shuō)，Rc在105～106Ω范圍內(nèi)，Cc在pF范圍內(nèi)。由于外部網(wǎng)絡(luò)造成的任何失衡電流In都將被C節(jié)點(diǎn)處的威爾遜反射鏡所復(fù)制，從而得到：

圖5：使用輸出緩沖器將飽和電抗器轉(zhuǎn)換為電流反饋放大器。

接下來(lái)看一看圖6b中典型的反饋互連，將電流集中到Vn節(jié)點(diǎn)可以得到：

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令Vn=Vp=Vi，求解In，然后代入到公式（5）就能得到閉環(huán)電壓增益：

圖6（a）：簡(jiǎn)化的電流反饋放大器等效電路；（b）：電流反饋放大器符號(hào)和作為同相放大器的負(fù)反饋操作的互連電路。

在精心設(shè)計(jì)的電路中，R2的值大約為103Ω，因此當(dāng)Rc在105～106Ω范圍內(nèi)時(shí)，我們可以忽略直流時(shí)的R2/zc項(xiàng)，并確定在低頻時(shí)A傾向于大家熟悉的運(yùn)放表達(dá)式：

與普通運(yùn)放（也稱為電壓反饋放大器或VFA）相比，電流反饋放大器的優(yōu)點(diǎn)是快速動(dòng)態(tài)變化。公式（6）表明這個(gè)電路的環(huán)路增益為：

因此閉環(huán)帶寬由|zc|=R2點(diǎn)的頻率給出，這個(gè)頻率也稱為交叉頻率fx。只要R2 《《 Rc，這個(gè)頻率就等于fx=1/（2πR2Cc）。當(dāng)R2近似于103Ω，Cc近似于10–12F時(shí)，fx大約是108Hz。請(qǐng)注意，fx取決于R2，與R1無(wú)關(guān)。與fx反比于噪聲增益1+R2/R1的電壓反饋放大器相比，電流反饋放大器的fx似乎獨(dú)立于噪聲增益。電流反饋放大器的另外一個(gè)動(dòng)態(tài)優(yōu)勢(shì)是不受擺率限制的影響，因?yàn)镃c直接受輸入緩沖器的驅(qū)動(dòng)，而輸入緩沖器實(shí)際上可以提供任何電流來(lái)實(shí)現(xiàn)Cc的快速充放電。

回到電壓反饋放大器（VFA）

不得不承認(rèn)，我們已經(jīng)習(xí)慣了電壓反饋放大器，在輸入端子間直接出現(xiàn)緩沖器會(huì)讓我們很不舒服（這是我第一次碰到電流反饋放大器時(shí)的真實(shí)感覺）。誠(chéng)然，電流反饋放大器的快速動(dòng)態(tài)變化非常吸引人……有沒有可能，將電流反饋放大器修改成電壓反饋放大器，并保留原始電流反饋放大器的一些動(dòng)態(tài)優(yōu)勢(shì)？這個(gè)問(wèn)題也在很早以前就解決了，方法是增加第三個(gè)電壓緩沖器（見圖7的Q15-Q16-Q17-Q18），將節(jié)點(diǎn)vN轉(zhuǎn)換為高阻輸入，并在第一個(gè)緩沖器的輸出端之間增加一個(gè)電阻R，這個(gè)新的緩沖器可以產(chǎn)生上文提到的iN控制電流。

圖7：由電流反饋放大器派生出來(lái)的電壓反饋放大器。

現(xiàn)在來(lái)分析這個(gè)電路，考慮流經(jīng)R的電流，假設(shè)從左流到右，值為（Vp–Vn）/R。電流反射鏡將這個(gè)電流傳送到增益節(jié)點(diǎn)C，并在此節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生電壓zc（Vp–Vn）/R。這個(gè)電壓再經(jīng)緩沖輸出到輸出節(jié)點(diǎn)，得到Vo，因此開環(huán)電壓增益為：