第16节 BJT 怪癖 (修订中)
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理想的晶体管在放大信号时会显示 0% 的失真。它的增益将扩展到所有频率。它将控制数百安培的电流，温度为数百摄氏度。在实践中，可用的设备会显示失真。放大在频谱的高频端受到限制。真正的零件只能处理几十安培的电流，但要小心。为更高电流并联晶体管时必须小心。如果不采取预防措施，在高温下运行可能会损坏晶体管。
# 1. 非线性
A 类共发射极放大器（类似于上图）几乎被驱动到下图中的削波。请注意，正峰比负峰更平坦。这种失真在许多应用中是不可接受的，例如高保真音频。
大信号共射放大器中的失真。
小信号放大器相对线性，因为它们使用晶体管特性的小线性部分。大信号放大器不是 100% 线性的，因为像 β 这样的晶体管特性不是恒定的，而是随集电极电流而变化。β 在低集电极电流时高，在极低电流或高电流时低。虽然，我们主要遇到随着集电极电流增加而降低的 β 。
共射放大器
Vbias 4 0 0.74
Vsig 5 4 sin (0 125m 2000 0 0)
rbias 6 5 2k
q1 2 6 0 q2n2222
r 3 2 1000
v1 3 0 直流 10
.model q2n2222 npn (is=19f bf=150
+ vaf=100 ikf=0.18 ise=50p ne=2.5 br=7.5
+ var=6.4 ikr=12m isc=8.7p nc=1.2 rb=50
+ re=0.4 rc=0.3 cje=26p tf=0.5n
+ cjc=11p tr=7n xtb=1.5 kf=0.032f af=1)
.fourier 2000 v(2)
.tran 0.02m 0.74m
。结尾
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香料-b ce.cir；
傅立叶分析 v(2)：
总谐波失真：10.4688 %
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| 哈尔 | 频率 | 规范杂志 |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 1 | 2000 | 1 |
| 2 | 4000 | 0.0979929 |
| 3 | 6000 | 0.0365461 |
| 4 | 8000 | 0.00438709 |
| 5 | 10000 | 0.00115878 |
| 6 | 12000 | 0.00089388 |
| 7 | 14000 | 0.00021169 |
| 8 | 16000 | 3.8158e-05 |
| 9 | 18000 | 3.3726e-05 |
SPICE 网表：用于瞬态和傅立叶分析。傅立叶分析显示 10% 的总谐波失真 (THD)。
上表中的 SPICE 列表说明了如何量化失真量。“.fourier 2000 v(2)”命令告诉 SPICE 以 2000 Hz 的频率对输出 v(2) 执行傅立叶分析。在命令行“spice -b circuitname.cir”产生上表中的傅里叶分析输出。它显示了超过 10% 的 THD（总谐波失真）以及各个谐波的贡献。
这种失真的部分解决方案是降低集电极电流或在负载线的较小部分上运行放大器。最终的解决方案是应用负反馈。请参阅反馈 (opens new window)。
# 2. 温度漂移
温度影响晶体管的交流和直流特性。这个问题的两个方面是环境温度变化和自热。一些应用，如军事和汽车，需要在扩展的温度范围内运行。良性环境中的电路会自热，尤其是大功率电路。
漏电流 I CO和 β 随温度增加。DC β (h FE ) 呈指数增长。AC β (h fe ) 增加，但没有那么快。它在 -55° 至 85° C 的范围内翻倍。随着温度的升高，h fe的增加将产生更大的共发射极输出，在极端情况下可能会被削减。hFE 的增加会改变偏置点，可能会削掉一个峰值。偏置点的偏移在多级直接耦合放大器中被放大。解决方案是某种形式的负反馈来稳定偏置点。这也稳定了交流增益。
下图 (a) 中温度的升高将使 V BE从硅晶体管的标称 0.7V 降低。降低 VBE 会增加共射极放大器中的集电极电流，从而进一步移动偏置点。解决 VBE 偏移的方法是一对配置为差分放大器的晶体管。如果下图 (b) 中的两个晶体管处于相同温度，则 VBE 将随着温度的变化而跟踪并取消。
(a) 单端 CE 放大器与 (b) 具有 VBE 消除的差分放大器。
硅器件的最高推荐结温通常为 125°C。不过，为了更高的可靠性，应该降低此温度。晶体管动作在 150°C 以上停止。碳化硅和金刚石晶体管将在更高的温度下工作。
# 3. 热失控
温度升高导致集电极电流增加的问题在于，更多电流会增加晶体管消耗的功率，这反过来又会增加其温度。这种自我强化的循环称为 热失控，它可能会损坏晶体管。同样，解决方案是一种偏置方案，带有某种形式的负反馈来稳定偏置点。
# 4. 结电容
电容存在于晶体管的端子之间。集电极-基极电容C CB和发射极-基极电容C EB在较高频率下降低了共发射极电路的增益。在共射极放大器中，从集电极到基极的电容反馈有效地将 C CB乘以 β。负增益降低反馈的量与电流增益和集电极-基极电容的量有关。这被称为米勒效应。
# 5. 噪音
由于电流随机变化，小信号放大器的最终灵敏度受到噪声的限制。晶体管中的两个主要噪声源是基极中载流子的电流流动引起的___散粒噪声和______热噪声___。热噪声的来源是器件电阻，并随温度升高：
晶体管放大器中的噪声是根据放大器产生的过量噪声___定义的，不是从输入到输出放大的噪声，而是放大器内部产生的噪声。这是通过测量放大器输入和输出的___信噪比__(S/N)来确定的。__具有小信号输入的放大器的交流电压输出对应于 S+N，即信号加噪声。没有信号输入的交流电压对应于噪声 N。用 __“F”_____表示的噪声系数___是根据放大器输入和输出的 S/N 定义的：
RF（射频）晶体管的噪声系数 F 通常在晶体管数据表中以分贝 F dB为单位列出。良好的 VHF（甚高频，30 MHz 至 300 MHz）噪声系数 < 1 dB。高于 VHF 的噪声系数显著增加，每十倍频增加 20 dB，如下图所示。
![小信号晶体管噪声系数与频率的关系。 在蒂勒之后，图 11.147 [AGT]](https://www.allaboutcircuits.com/uploads/articles/small-signal-transistor-noise-figure-vs-frequency.jpg)
小信号晶体管噪声系数与频率的关系。在蒂勒之后，图 11.147 [AGT]
上图还显示，随着频率的降低，低频噪声以每十倍频 10 dB 的速度增加。这种噪声称为_1/f 噪声_。
噪声系数因晶体管类型（部件号）而异。在无线电接收器的天线输入处使用的小信号 RF 晶体管专为低噪声系数而设计。噪声系数随偏置电流和阻抗匹配而变化。晶体管的最佳噪声系数是在较低的偏置电流下实现的，并且可能存在阻抗不匹配。
# 6. 热失配（并联晶体管的问题）
如果两个相同的功率晶体管并联以提供更高的电流，人们会期望它们平等地共享电流。由于特性的不同，晶体管不能平均分配电流。
并联晶体管以增加功率需要发射极镇流电阻
选择相同的晶体管是不切实际的。小信号晶体管的β通常有100-300的范围，功率晶体管：20-50。如果每一个都可以匹配，由于环境条件，一个仍然可能比另一个运行得更热。较热的晶体管会吸收更多电流，从而导致热失控。并联双极晶体管时的解决方案是插入发射极电阻，称为小于 1 欧姆的_镇流电阻。_如果温度较高的晶体管吸收更多电流，则镇流电阻上的电压降会增加——负反馈。这会降低电流。将所有晶体管安装在同一个散热器上也有助于均衡电流。
# 7. 高频效果
晶体管放大器的性能在一定程度上是相对恒定的，如下图随频率增加的小信号共射极电流增益所示。超过这一点，晶体管的性能会随着频率的增加而下降。
__Beta 截止频率__fT 是共发射极小信号电流增益 (h fe ) 下降到单位的频率。实际放大器的增益必须 >1。因此，晶体管不能用于 fT 的实际放大器。晶体管更有用的限制是 0.1·fT。考虑一下插图。
_vs_frequency.jpg)
共发射极小信号电流增益 (hfe) 与频率的关系。
一些 RF 硅双极晶体管可用作高达几 GHz 的放大器。硅锗器件将频率上限扩展到 10 GHz。
阿尔法截止频率，
f alpha是 α 下降到低频 α 的 0.707 的频率。Alpha 截止和 Beta 截止几乎相等：f alpha ≅fT。Beta 截止 fT 是高频性能的首选品质因数。
f __max__是在偏置和阻抗匹配的最有利条件下可能的最高振荡频率。它是功率增益为单位的频率。所有输出都反馈到输入以维持振荡。f max是晶体管作为有源器件的工作频率的上限。但是，在 f max处无法使用实用的放大器。
_米勒效应：晶体管的高频极限与结电容有关。例如，PN2222A 的输入电容Cobo = 9pF，输出电容Cibo =25pF，分别来自 CB 和 EB。[FAR] 尽管 25 pF 的 CE 电容看起来很大，但由于米勒效应，它比 CB (9pF) 电容的___影响要小，CB 电容对基极的影响相当于共发射极放大器中电容的 beta 倍。为什么会这样？共发射极放大器将信号从基极反相到集电极。反馈到基极的反相集电极信号与基极上的输入相反。集电极信号是输入信号的 β 倍。对于 PN2222A，β=50–300。因此，9pF CE 电容看起来像 9·50=450pF 到 9·300=2700pF。
结电容问题的解决方案是为宽带宽应用选择高频晶体管——RF（射频）或微波晶体管。通过使用共基而不是共发射极配置，可以进一步扩展带宽。接地的基极屏蔽发射极输入免受电容集电极反馈的影响。双晶体管共源共栅排列将产生与共基极相同的带宽，共发射极的输入阻抗更高。
# 8. 总结
- 由于 β 随集电极电流的变化，晶体管放大器会出现失真。
- I c、V BE、β 和结电容随温度变化。
- 温度升高会导致 I C升高，从而导致温度升高，这种恶性循环称为_热失控。_
- 结电容限制了晶体管的高频增益。_米勒效应_使CE 放大器基部的 C cb 看起来大β倍。
- 晶体管噪声限制了放大小信号的能力。_噪声系数_是关于晶体管噪声的品质因数。
- 当并联功率晶体管以增加电流时，插入与发射极串联的_镇流电阻_以均衡电流。
- F T是 CE 放大器的绝对频率上限，小信号电流增益下降到单位，h fe =1。
- Fmax 是振荡器在最理想条件下的频率上限。
相关练习：
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