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书中3.3.2小节,分析了当给射随器接 上较重负载(阻抗低的负载)时可能发 生的情况。现在我们先观察一下,当接 入680Ω负载电阻时这个射随器的输出波 形。也就是书中53页的照片3.7:
在这张图中,不用和输入波形对比, 我们就可以明显的看到,波形的负侧变 平了,我们称这种现象为“削底”。大家注 意观察变平的部分,猜想一下是什么原 因造成了这种情况?大家回想一下上贴中 的结论和书中第3.1小节“观察射随器的波 形”一部分,射随器的输出是从发射极取 出的,波形和输入波形同相,并且比基 极低一个pn结的电位(0.6V)。如下
也就是说在工作中,发射极电位是随 着基极电位也就是输入信号的变化而同 步变化的。看着照片3.7,这是发射极的 波形,想象一下基极的波形会是一个什 么样子?是由于基极的波形削底了所以 造成发射极波形也削底了吗?我可以明 确的告诉大家,基极的波形没有问题。 那么是会么原因造成发射极波形的失真 呢?大家回忆一下三极管的特性,还记 得有个0.6V么?书中当时是怎么说的?
肯定有人只记得这个0.6V而忽略了前 面的条件,对于一名设计者而言,清楚 每一个数据出现的前提条件和适用范围 是很重要的事情。是的“在进行放大工作 时”,这句话非常重要。我们可以把这句 话做一下反推,“如果Vbe达不到0.6V, 三极管将不能进行放大工作”,或者说“如 果Vbe达不到0.6V,三极管将退出放大区 (线性区)”。
那么我们再深入一步的想一下,如果 三极管退出放大区,不能进行放大工 作,这时候三极管工作在什么状态呢? 好吧,仔细的盯住照片3.7,想一想三极 管基极电位的变化:基极电位降低,发 射极电位随着降低,基极再降低,发射 极又随着降低,直到基极电位降到某一 个电位的时候,三极管的Vbe不能保持在 0.6V了,会发生什么事情?三极管在这时 候进入了一个什么状态?
很明显,当基极电位降到不能维持 Vbe等于0.6V时,三极管的发射结(相当 于一个二极管)不能导通,基极电流Ib也 就没有了,三极管进入截止区,也就是 说在这个时候三极管截止了,那么自然 集电极电流Ic也没有了。这时候基极电位 也就是加到基极的输入信号即使再往下 降,三极管已经截止,发射极波形也就 没办法跟随了,削底自然也就出现了。
这时会有人问,为什么在这个时候发 射极电位不能随着下降以保持0.6V的Vbe 呢?发射极电位明明还有下降的空间
为了解释这个问题,我们根据具体的 数据分析一下,看照片3.8:
在这个电路中,当没有信号输入时, 我们通过680Ω的发射极电阻将发射极电 流设定在9.7mA,同时发射极电位设定 于6.6V。(设定的过程见书中3.2小节“电 路设计”)由发射极电位Ve=6.6V可知, 基极电位Vb=6.6V+0.6V=7.2V。当有信 号输入时,信号是与基极电位叠加的, 也就是说有信号输入时,基极电位将随 着信号幅度的大小以7.2V为中心上下波 动。如照片3.8所示,当输入8Vp-p正弦 波时,基极电位最高可达 7.2V+4V=11.2V,最低可达7.2V-4V=3.2V,同时发射极电位理论上可以在 11.2V-0.6V=10.6V至3.2V-0.6V=2.6V之 间以7.2V-0.6V=6.6V为中心变化。 这里大家想一想,基极电位是7.2V时, 发射极电流是9.7mA,当基极电位随着 输入波形向负侧变化而减小时,发射极 电流也只会随着减小,也就是说对于输 入信号的负侧波形变化来说,发射极电 流最大只能达到9.7mA。这时发射极电 流实际上是一个最大9.7mA的受输入信 号控制的电流源(受控电流源)。
那么,我们可以画出输出波形变负时 的输出部分的等效图。也就是书中的图 3.6。现在我们来看一下:
左侧图中的9.5mA是作者写错了,应 该是9.7mA。当接入680Ω负载时,输出 回路的等效电阻是Re//RL,也就是 340Ω,在这个最大9.7mA的条件限定 下,Re//RL这个电阻上的压降最高能达 到3.3V,此时的输出信号幅度是-3.3V, 这个3.3V的压降对应着照片3.8中从6.6V 那条白色直线也就是信号开始向负侧变 化的波形中点到平顶部分的范围。诅咒 该死的日本作者吧,这里6.6V和3.3V完 全是个巧合,但偏偏会使很多人搞不清 楚3.3V对应着什么。 当波形达到平顶的位置并试图再向下出 发达到3.4V压降时,也就是等效电阻Re//RL上的压降试图达到3.4V,3.4V/340Ω=10mA,非常不幸,已经超出了电 流源最大9.7mA的能力,只能在3.3V维 持下来了。所以波形的底部变平了。
也许经过上面的讲解,大家还会有很 多的疑问,为了让大家更清楚的理解这 部分的工作原理,我们再从本质上进行 一下分析。
其中的关键是那个耦合电容。让我们 从基极电位从7.2V开始向负侧变化,也 就是发射极电位从那条6.6V的白线开始 说起。在这一瞬间发射极电流是 9.7mA,发射极电位是6.6V,那么耦合 电容左侧当然也是6.6V,右侧自然是 0V。这说明这个电容里面是充有电荷 的。我们知道有一个关于电容的公 式:V=Q/C,从这个公式中可以看出,当 电容足够大时,Q(电容中储存的电荷) 有少量的变化,电容两端的电压基本不 变。这也是“电容两端电压不能突变”的由 来。对于这个电路来说,这个耦合电容 就是一个足够大的电容,当发射极电位 随着输入信号逐渐下降时,电容左侧的 电压也下降,即然下降了,电容内部的 电荷也随着释放出来一点点,这些电荷 的流动方向如下图:
也就是电容的放电电流,而由于电容 足够大,这点电荷并不会使电容两端的 电压降低,那么在负载RL上的电位自然 会要比0小了一点点,变负了(注意负载 电阻RL上的电流方向)。而这个电流流 过负载RL,就形成了负载电流Iout。好 了发射极电位继续下降,电容持续着它 的放电过程,负载上的电位也同样一点 点变的更负,Iout也变得越来越大。
大家注意,这时Re上流过的电流实际 上是由两部分组成的,一部分是三极管 的发射极电流Ie,另外一部分是电容的放 电电流。这两个电流同时做用在Re上, 我们称它为IRe,它们之间有IRe=Ie+Io的
别忘了,这时输入信号在逐渐降低, 也就意味着基极电压在降低,那更意味 着发射极电流Ie也在减少。而电容的放电 电流却在一点点的增加,这直接导致了 在某一时刻基极电位降到某一个电位, 而电容渐渐增大的放电电流在Re上所形 成的压降使Vbe不能保持0.6V,而降到 0.6V以下,这时候三极管自然是进入截 止区,发射极电流彻底消失了。这时的 电路中只剩下电容还在以C*(Re+RL) 的时间常数放电,既然Ie没有了,引起电 容左侧电压变化的因素也就消失了,电 容两端的电压也不会发生变化了,削底 也就发生了,此时的发射极电压则完全 是由电容放电电流流过Re得到的。
这时候我们就可以分析一下,这时这 个放电回路中的电压状况。很明显,因 为电容足够大,电容两端的电压Uc还是 6.6V,因为RL等于Re,那么我们可以很 容易的得到Re上的压降是3.3V,注意这 个3.3V可不是照片3.8中的那个3.3V,而 是实实在在的发射极对地电压(再次诅 咒该死的日本作者)。
我们可以写出以下过程:
Ue=Uc*Re/(Re+RL) Ub=7.2V+Uin Ub=Ue+0.7
以上Ub为基极电压,
幅值(取值可为负) 联立求解得:
Uin=-3.3V
也就是说对于这个电路来说当输入信 号幅值为-3.3V时,该电路会发生削底。
好了,总结一下,分析这个电路的关 键就是要搞清楚Re上所流过的电流的组 成。当然这是很细的分析,当你熟悉之 后,你可以直接使用静态时的Ie乘以等效 负载Re//RL,再加上负号,即可得出削 底时的输入信号幅度。
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