晶体管交直流参数对电路设计的影响

2007-05-08 11:07:05来源: 电子系统设计 关键字:交流  功耗  电容  频率

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很重要,比如输出功率(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。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。 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;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。

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。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1V,有的竟然在2.5V~3V之间(见左图)。

通过对比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VCES小(见左图中红线对应的VCE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VCES(大约2.8V)。根据实际应用得知,曲线分布不均匀、VCES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。

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