了解晶体管电路设计：教程

使用双极晶体管的电子电路设计非常简单，使用简单的设计原理和一些方程。

晶体管电路是当今电子电路设计技术的核心。虽然现在集成电路被用于许多电路，但在各个领域通常需要基本的晶体管电路设计。

虽然将分立电子元件与晶体管一起使用会使用更多元件，但可以定制电路以准确提供所需的功能。因此，使用分立晶体管和一些附加电子元件的电路是电子电路设计的核心。

这意味着了解晶体管电路设计仍然很重要，因为它不仅可以设计基本的晶体管电路，还可以更好地了解基于双极晶体管技术的集成电路的操作。

双极晶体管基础知识

显然，任何晶体管电路中的关键电子元件都是晶体管本身。这些电子元件可以以分立形式获得，或者它们可以在集成电路内获得。

晶体管以多种形式制造，可用于实现从小信号到高功率，从音频到射频和开关的各种角色。

它们也被称为PNP晶体管和NPN晶体管 - 这些NPN晶体管的使用更广泛，因为倾向于适合广泛使用的负接地系统，并且它们在速度方面性能更好。

虽然NPN晶体管的使用更为广泛，但这并不意味着不使用PNP晶体管。他们经常发现补充NPN晶体管和其他一些电路的应用。

晶体管基本结构及电路符号

关于双极晶体管器件的说明：

双极晶体管是一种三端器件，可提供电流增益，其中集电极电流为基极电流的Β倍。双极晶体管广泛可用，其性能经过多年优化。

双极晶体管已经问世七十多年了 - 其技术非常成熟，尽管场效应晶体管技术可能更广泛地用于集成电路，但双极晶体管仍然大量用于各种模拟和数字电路，无论是在集成电路中还是作为分立电子元件。

双极晶体管最初是由美国贝尔实验室的一组科学家于1949年发明的。它的发现使阅读变得有趣。

晶体管历史说明：

双极晶体管是由贝尔实验室的三位研究人员发明的：John Bardeen，Walter Brattain和William Schockley。他们一直在研究一个使用场效应来控制半导体电流的想法，但他们无法使这个想法发挥作用。他们将注意力转向另一种可能性，并在锗晶圆上使用两个紧密间隔的点触点制造了一个三端子器件。这个想法奏效了，他们能够在1949年底证明它提供了收益。

晶体管电路设计参数

在开始晶体管电路的电子电路设计之前，有必要定义对电路的要求：与晶体管电路相关的一些主要参数。

晶体管电路设计的要求中可能需要许多参数：

电压增益： 电压增益通常是电子电路设计的关键要求。电路的电压增益是从电路输入到输出的电压增加。在数学方面，电压增益，Av 是输出电压除以输入电压。

电压增益是许多电路的关键目标之一，因为它可以实现“尺寸”

电流增益：在电子电路设计中，电路的电流增益通常很重要，尤其是在电路驱动低阻抗负载的情况下。通常，一个没有电压增益的电路，只需要电流增益，使具有相对高阻抗输出的电路能够驱动另一个具有较低阻抗的电路。

这方面的例子很多：RF振荡器通常需要缓冲级来确保振荡器电路本身不会过度加载，但需要输出来驱动其他电路。电流增益也用于电源电路，其中稳压器的串联调整元件需要提供大量电流，但使用低电流基准电压源。还有许多其他需要电流增益的例子。

与电压gan一样，电路的电流增益比较输入和输出电平，但以电流为单位。电流增益等于输出电流除以输入电流。

输入阻抗：晶体管电路的输入阻抗始终很重要。它决定了前一级的负载，在阻抗匹配是重要参数的RF电路中也很重要。

在许多电子电路设计中，高输入阻抗是理想的，因为这意味着前一级不会过度加载。如果晶体管电路的输入阻抗太低，那么它将加载前一个电路，从而降低信号电平，并在某些情况下可能导致失真。配置晶体管级以提供正确的输入阻抗是电子电路设计过程的关键要素。

输出阻抗：输出阻抗也很重要。如果晶体管电路驱动低阻抗电路，则其输出必须具有低阻抗，否则晶体管输出级将出现较大的压降，在某些情况下可能会发生信号失真。

如果负载阻抗较低，则通常需要具有高电流增益的电路，并且可以在电子电路设计过程中选择合适的电路格式。如果允许更高的输出阻抗，则具有较高电压增益的电路通常更合适。

频率响应：频率响应是影响晶体管电路设计的另一个重要因素。低频或音频晶体管电路设计与RF应用中使用的电路设计有很大不同。此外，电路中电子元件的选择也决定了响应：晶体管以及电子电路设计中的电容器和电阻值都会影响频率响应。

在电路设计的早期阶段，必须对所需的频率响应有一个明确的要求，然后可以围绕该要求设计电路。

电源电压和电流：任何电路的关键参数之一是所需电压和电流方面的功率要求。通过这种方式，可以确保在电子电路设计阶段提供具有所需电流能力的合适电压。

功耗：另一个与提供给电路的电压和电流密切相关的参数是耗散的功率。如果功耗很高，则可能需要安排冷却并通常从电路中去除热量，特别是任何可能散发大量热量的电子元件。通常这将是晶体管，但其他组件也可能散热。

晶体管电路功能

晶体管电路可以执行许多不同的功能。通常有用于常见功能的标准模块，如放大器、振荡器、滤波器、电流源、差分放大器和许多其他功能。

这些标准电路格式被广泛使用，可以在电子电路设计过程中采用并确定电子元件值。

这些电路通常遵循已经使用多年的经过验证的电路。这些电路通常与旧的真空管或热离子阀技术一起使用，并且与双极晶体管以及场效应晶体管，FET，有时甚至是运算放大器同样有效。

采用基本格式并确定电子元件的值以提供所需的性能。这通常需要一些实验，但如今电路仿真软件能够准确地复制电路的操作，以便针对所需的性能和功能优化电子元件值。

晶体管电路配置或拓扑

无论电路的整体功能如何，在电子电路设计过程开始时也有必要考虑拓扑结构。

晶体管电路可以使用不同的拓扑结构进行设计，每种拓扑结构都具有不同的特性，特别是在输入和输出阻抗方面。

这些配置拓扑是根据电子电路设计要求选择的，包括共发射极、共集电极或发射极跟随器和共基极。

晶体管电路设计流程

晶体管设计过程有几个阶段。这些通常按逻辑顺序进行，但通常会对不同阶段进行一些重新审视，以优化各种电子元件的值，以提供所需的整体性能。

确定要求：确定实际需求是一个重要阶段，正确确定这一点意味着电路的概念在以后不会改变。

定义电路功能和拓扑：一旦确定了整个电子设备的总体要求，就有必要决定实际的晶体管电路。例如，有许多振荡器电路、滤波器、放大器等。对于晶体管，可以根据特定要求选择最佳类型。这通常也定义了实际的电路拓扑结构，即使用共发射极、共集电极、共基极，但如果不是这样，这时可以构成整体决策的一部分，因为此时可以考虑振荡器上的负载、增益、输出阻抗等。

设置偏置条件：在任何电路中，电子电路设计的关键特征之一是确保有源器件的偏置电平：在这种情况下，双极晶体管设置正确。如果偏置不正确，晶体管电路将无法工作。确定设置偏置的电子元件（主要是电阻器）的值是设计的关键阶段之一。

确定功能性电子元件值：除了设置偏置条件外，还需要确定提供电路功能的其他电子元件的值。电子电路设计过程的这一部分与设置偏置条件一起进行，因为一个值会影响另一个，反之亦然。

重新审视电子元件值的偏置和功能：设置电路值后，总是需要一点迭代来平衡偏置和电路整体功能的要求。围绕此过程可能会有一些迭代。

测试电路：测试电路是任何设计的关键要素。通常，许多实验室都有电路仿真软件，因此可以在构建电路之前对电路进行仿真，以消除大部分问题。然而，最终的测试是在尽可能接近工作条件的条件下构建和运行电路。

返工和修改：通常需要修改电子电路。如果需要，则使用新的电子元件值、布局等对其进行返工和测试。

这些代表了晶体管电路设计所需的一些主要电路参数。了解这些参数可以决定电路配置的选择，并且肯定会控制元件值和许多其他因素的确定。

因此，在开始设计之前，有必要了解控制晶体管电路操作的参数。