C3 · BJT
小信号模型:凑近看,曲线也是直线
对工作点周围的小摆动,晶体管看起来像线性器件。亲手减小信号幅度,看输出在多大以下才干净地酷似输入。
减小信号,寻找干净的相似形
浅色曲线是输入 vbe,粗线是输出 ic。信号大时,输出是峰尖谷平的失真形状。减小幅度,降到某尺寸以下,输出便成为与输入相同的干净正弦。
信号幅度 vbevbe = 80 mV
小信号关系 · ic = gm vbe
gm = Ic/VT ≈ 192 mA/V
rπ = β/gm ≈ 0.52 kΩ
幅度大到与热电压相当。指数曲线的弯曲直接显现,输出峰远高于谷。
大信号 · 失真
在工作点放大,曲线即直线
集电极电流随基射电压呈指数式弯升。虽是曲线,但只取工作点周围极窄一段放大,任何光滑曲线都看似其切线,即直线。小信号正是停留在这窄段内的摆动。在其中,输入与输出成直线关系,即线性。
切线斜率,gm = Ic/VT
那条切线的斜率就是跨导 gm。指数函数的导数正比于自身,故斜率为工作点集电极电流除以热电压:gm = Ic/VT。即在 C2 选的偏置电流越大,切线越陡、gm 越大,同样的小输入便给出更大的输出电流。工作点正是增益的把手。
小信号等效模型
现在可把晶体管改画成一个线性盒子。输入侧看似输入电阻 rπ = β/gm,即基极电压除以基极电流;输出侧是电流源 ic = gm vbe = β ib。不变的直流电源对信号没有摆动,故交流上接地。这个等效电路是后续单元计算增益的工具,仅在信号不越出窄段时有效。
观察ic = gm vbe
输出电流是跨导乘输入电压。
选择gm = Ic / ?
跨导是工作点电流除以热电压。
填空rπ = β / ?
输入电阻是 β 除以跨导。
自己来gm rπ = ?
两者相乘便回到电流增益 β。
回到第一屏
信号大时,输出是峰尖谷平的失真波形,那是指数曲线弯曲的直接映现。把幅度减到远小于热电压,曲线在那窄段内看似直线,输出便成为酷似输入的干净正弦。那直线的斜率就是 gm,由此晶体管成为只有输入电阻 rπ 与电流源 gm vbe 的线性盒子。大直流是托住位置的底座,其上的小摆动才是我们此后要计算的信号。
对工作点周围的小信号,晶体管是线性器件。在 Q 点放大指数曲线 Ic(Vbe),它看似斜率为 gm = Ic/VT 的直线(跨导)。故小的 vbe 产生 ic = gm vbe。晶体管化为小信号等效模型:输入电阻 rπ = β/gm 与电流源 gm vbe(gm rπ = β)。仅在信号小到曲线看似直线时有效。
接下来的脉络
现在你已学会把晶体管化为线性盒子。下一单元把这盒子嵌入真实电路,即共射放大器。输入信号摆动基极时,电流源驱动电流流过集电极电阻、产生大的输出电压。用小信号模型,你将首次直接计算那个电压增益。