双极结型晶体管的Beta代表什么?如何理解双极结型晶体管的增益

2019年11月07日 作者:Teardown

如果您对与双极结型晶体管增益相关的不同术语感到困惑不解,请继续阅读本文。

假设我们正在使用一个简单的电路,这个电路由一个NPN的双极结型晶体管(BJT)和一个耦合电阻组成,它们的连接方式如下图所示:

如果你在基极施加的电压Vin足够大,可以让基极-发射极结正向偏置,那么电流将从输入端流过电阻Rb,通过BE结流到地,我们将这个电流成为Ib。此外,电流还会从5V电源经由Rc,从集电极流到发射极,再到地,我们将这个电流称为Ic。在这里,我们需要假设Ic值足够小,使得Rc上的压降不是太大,保证集电极端电压足够高,以保持基极-集电极结反向偏置。

基极电流和集电极电流

当你得知集电极电流Ic比基极电流Ib大得多时,您可能不会感到很惊讶。而且,我觉得你肯定会觉得这两种电流之间存在某种数学关系,也许你已经开始调动你的思维,把电路、符号、方程式、图形这些印象在你的脑海里翻腾,最终会出现一些英文和希腊字母,你可能已经开始叨咕了。。是的,beta,正是这个参数将Ib和Ic连接在了一起。我们很了解这个参数,但是且慢,我们真的了解它吗?

双极结型晶体管的Beta代表什么?

也许有的人会说,Beta表示的是该双极结型晶体管的电流增益,而且他们还会抛出一个典型值,β= 100。恩,这样子开动思路当然很好,但是我们需要更加精确地理解Beta:当双极结型晶体管工作在正向有源模式下时,beta表征了该晶体管的基极电流和集电极电流之间的比例因子。

恩,这样就更加精确了,但是这还没完,因为实际情况要复杂得多。上面这个小标题中的beta可能会有点误导性,因为如果我们想要在技术层面严格定义它,我们应该说这是一个复数形式的beta

首先,我们通常认为的β可能应该写为βF,其中的下标“ F”表示这是在正向有源模式下IcIb的比值。BJT可以工作在反向有源模式下,在这种情况下使用BJT时,IcIb之间的比值由βR表示。此外,我在一本教科书中甚至看到饱和模式下的betaβforced,其中的“forced”是指IcIb的比值将由外部电路条件确定,而非由晶体管本身确定。需要指出的是,βforce总是小于βF

小信号和大信号

在您开始阅读本文之前,您可能知道一个晶体管有一个beta值。现在您已经知道了有三个beta,但是我们还没有准备结束。

在涉及晶体管电路的语境中,术语“小信号”和“大信号”并非简单地表示信号的幅度。它们还涉及到不同的分析领域,如果您不熟悉这个概念,您可能需要阅读有关BJT小信号模型的文章。

当我们建立条件让晶体管偏置或者把晶体管当做一个开关使用时,我们研究的是大信号直流量,这时晶体管的IcIb比值为βDC。幸运的是,βDCβF相同,这与人们讨论BJT时经常出现的非描述性“beta”相同。因此,当我们谈论“beta”时,我们(可能无意中)指的是工作在正向有源模式下的双极结型晶体管的大信号基极电流和大信号集电极电流之间的比例因子。

我知道你在想什么 “如果有针对大信号操作的beta,那么就必须有针对小信号操作的beta。”完全正确!第五个Beta(用βAC表示)就是小信号AC量下的IC与IB之比。对于一个给定的晶体管,它的βAC和βDC值很接近,但并不相同。

当数据手册中的Beta不用β时

如果您曾经在某个BJT的数据手册中搜索过“beta”这个词汇,你可能什么也搜不到,不过您不是唯一的倒霉蛋。这些器件的制造商经常使用符号hFEhfe代替β,让这个事情乱上加乱 。这里的“ h”来自“ hybrid”,是表征双端口网络的h参数方法,“ f”代表正向增益,“ e”代表共发射极。

所以不要担心,你面临的唯一挑战就是多学习几个术语,这里的hFEβDC相同,hfeβAC相同,再结合上文的大信号beta和小信号beta的知识,可以这么说,hfe的小写字母下标代表的是小信号模式下的betahFE的大写字母下标代表的是大信号模式下的beta。好吧,制造商开心就好!

下面是安森美半导体的P2N2222A器件数据手册中的一个示例:

结论

看完本文,也许您现在比眼前更加了解Beta了。知识点虽然琐碎,但是至少比不知道要好吧。

你可能从上面那个数据手册中发现了一些令人不安的地方。Beta不是一个固定值,我们之前认为,同一个BJT器件的Beta值是固定的,只有当我们从一个BJT零件号转到另一个BJT零件号时,它才会改变。但是情况并非如此。实际上,根据操作条件,它的变化相当大。 恩,现在我们对beta的认识已经有了很大的变化,下一篇文章我们将探讨这个参数的可变性。

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