晶体管交直流参数对电路设计的影响

晶体管交直流参数对电路设计的影响
在电子类产品中，半导体器件和电阻电容电感一样，已经成为电路中最基础的组成部分；同时也成为各种电路不可缺少的组成部分。随着科学技术的快速发展，半导体器件的规模化、复杂化趋势越来越明显，其形式更加多样，用途也更加广泛。而作为半导体器件基础组成部分的晶体管，它的正确应用一再被大家忽略。许多产品，经历了长时间的试验或应用后，才发现最初的晶体管选型或应用存在着问题，改进的方法也许很简单，但对已出厂产品进行更改的代价却无法衡量。所以，仔细查看晶体管的各种参数，正确选择和应用晶体管，是设计人员应该重视的问题。
晶体管的直流参数和交流参数
对只有直流工作电路或直流交流均工作的电路，许多设计者投入了大量的精力去设计交流电路，而对最基本的直流工作电路不屑一顾，对相应的晶体管直流参数选择也很随意。这样便会出现开始没有对晶体管进行正确选择，到对电路进行复杂的调试、运行、功能联试的时候，很难想到、也很难发现开始的器件选择和应用存在问题。所以，晶体管直流参数的确定是最基础的，直流电路工作正常也是很重要的。
晶体管的直流参数很多，最常见也最常用的参数有直流工作电压(VCC)、击穿电压(VCEO和VEBO)、直流放大倍数(HFE)、最大工作电流(ICM)、最大功耗(PCM)等。
在电路中，不管晶体管是工作在直流工作状态还是交流工作状态，正确选择晶体管的直流参数是很重要的。也就是说，应根据工作环境中直流电路的工作状态要求，对晶体管进行最基础的选择，确定晶体管的工作电压，工作电流和功耗，来计算电路中应用的晶体管直流工作电压(VCC)、最大工作电流(ICM)和功耗(PCM)等。
在交流工作状态下，晶体管的交流工作状态当然很重要了。如输出功率(PL)、交流增益(GP)、效率(η)、特征频率(fT)、极间电容(CCE和CBE)等。
对交流参数，我们一般查看晶体管的输出功率、交流增益和特征频率就可以了。特征频率决定晶体管是否满足电路工作频率要求，交流增益和输出功率决定了电路的放大级数和输入功率。
现在的许多晶体管，特别是大功率晶体管参数中，有些参数已经很难查到了。如我们常用的集电极输出电容CC和Cob，是非常重要的参数，结电容越小，宽频带电路的频率响应越好。但对应用时间长的产品，我们希望选用结电容比较大的晶体管。虽然设计初期有一定的难度，但在以后的产品生产中，再用其它种类晶体管替代时选择余地比较大。
在交流放大电路中，同种类型的晶体管，我们更愿意选用基极到地阻抗小的器件，因为同样的输入功率、产生同样的输出功率，输入阻抗越小，晶体管工作越稳定。
直流参数和交流参数的综合应用及关系
在某些情况下，直流参数和交流参数是不能分开的。如我们常说的击穿电压VEBO和VCEO。一般情况下，击穿电压VEBO指标大于等于4V。当晶体管处于完全导通状态，晶体管基极和发射极之间的电压最大不会超过0.7V(硅晶体管)，也就是说，在直流工作状态下，击穿电压远远不足4V的电压。但对交流信号电路，特别是输入功率大、输入阻抗较高的晶体管，电路在非稳定状态时，基极的交流信号幅度有时会大于4V。在一次偶然的实验中我们发现，晶体管在调试和低温试验时，各种指标均正常，但在长时间高温工作时，晶体管基极和发射极击穿。经过反复的检查发现，所有器件均合格，电路调试状态正常；唯一不同的是，电路反射功率较大，使晶体管的基极信号幅度长时间处于VEBO击穿电压的临界状态，造成晶体管的基极发射极击穿。所以，应该选择VEBO偏大的晶体管。
晶体管的增益有直流放大倍数(HFE)和交流增益(GP)两种。一般情况下，直流放大倍数越大，电路直流工作的电流就越大，一般根据电路实际需要选择不同的直流放大倍数。而交流增益和直流放大倍数之间没有任何关系，交流增益一般只给出范围，如≥12dB，而没有给出具体的最大增益，同时晶体管手册只给出最大工作频率，不会给出工作频率范围内的频响。交流增益不会因为直流放大倍数的改变而变化(很小的变化可以忽略)，有些晶体管直流的增益变大时交流增益反而变小。
对于晶体管的直流放大倍数，可以通过简单的测试方法便可得到，但对于交流增益，必须通过专门的电路进行测试才能知道。一般的晶体管手册中，给出交流增益的同时，会给出交流增益测试电路图。
根据功率的不同，晶体管的增益范围不同，同种功率的晶体管，增益范围越窄，晶体管芯片制作的工艺一致性越好；同样，晶体管在工作频带内交流增益变化越小，晶体管的交流参数越稳定，晶体管的一致性越好，电路的互换性越好。
其它参数
通过晶体管的输出特征曲线图，不仅可以计算出晶体管的直流放大倍数，同时也可以测出晶体管的饱和压降VCES，这也是一个非常重要的参数。许多小功率管可以查到这个参数，如小于等于0.7V或1V，现在大功率晶体管已经没有这个参数了。我们对许多大功率晶体管测试时发现，好的晶体管VCES仍小于等于1V，但差的晶体管VCES远远大于1 V，有的竟然在2.5 V~3 V之间。具体见图1。
 

对比图1和图2的曲线图，我们发现好的晶体管曲线分布均匀，曲线之间相互平行，基极的电流稳定后集电极电流基本不变，饱和压降V_CES小(见图1中红线对应的V_CE电压，小于等于1V)；而差的晶体管曲线分布不均匀，曲线之间相互不平行，基极电流稳定后集电极电流变化很大，饱和压降V_CES大(约2.8V)。

根据实际应用得知，曲线分布不均匀、V_CES大的晶体管线性差、功耗大、输出指标不好。应用这种晶体管进行设计，电路是很难达到高指标的，否则设计者花费了很大精力，却总不能满足要求，还一直苦于找不到原因。

晶体管的参数很多，本文只对常用的、容易忽略的几个参数的应用进行了简单说明，还有许多常用参数都没有进行论述。在电路设计时，应根据电路的不同要求，选择最适合的晶体管，为整个电路和系统的可靠工作奠定基础。