BJT结构的小信号导纳--论文.docx

目录1引言32 BJT基础知识32.1 BJT的类型32.2内部结构32.3基本工作原理42.4 交流参数43 BJT结构的小信号响应53.1 H参数等效模型53.2 混合模型64 实验仿真84.1 H参数等效模型实验仿真84.2 混合模型实验仿真105 结论12参考文献12BJT结构的小信号导纳摘要: 本文首先介绍了一些初步的BJT知识，包括基本概念、BJT的类型、内部结构、基本工作原理以及小信号导纳涉及到的相关参数。然后对BJT结构进行分析，推导出BJT交流小信号响应的H参数等效模型和混合模型。最后通过仿真软件multisim对小信号响应模型进行仿真。1引言BJT是双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT）的缩写，又常称为双载子晶体管。它是通过一定的工艺将两个PN结结合在一起的器件，有PNP和NPN两种组合结构。本文主要针对NPN型进行实验分析。2 BJT基础知识2.1 BJT的类型无论在分立元件的电子电路中，还是在集成电路中，BJT都有极为广泛的应用。BJT按结构可以分为NPN型和PNP型；按工作频率可以分为高频管和中低频管；按功耗可以分为大功率管和中小功率管，其外形如图1-1所示。2.2内部结构不论是那种类型的BJT，都有三个工作区域：发射区、基区、集电区每个区对外引出一个电极：发射极（Emitter）、基极（Base）、集电极（Collector）有两个PN结：发射区与基区之间的称为发射结（Je）、基区与集电区之间为集电结（Jc）。2.3基本工作原理BJT的工作状态与两个PN结上外加的偏置电压有很大关系。晶体管在电路中工作时，它的两个PN结上的偏置电压，可以有四种不同的组合：即发射结和集电结反偏，使管子处于截止状态；发射结正偏、集电结反偏，使管子处于放大状态；发射结正偏、集电结正偏，使管子处于饱和状态；发射结反偏、集电结正偏，使管子处于倒置状态。工作状态截止状态：发射结反偏，集电结反偏放大状态：发射结正偏，集电结反偏饱和状态：发射结正偏，集电结正偏倒置状态：发射结反偏，集电结正偏在模拟电路中，BJT主要工作在放大状态；在脉冲电路中，BJT主要工作在饱和与截止状态，在某些特殊情况下（如门电路的输入级）也可处于倒置工作状态。本文主要研究BJT工作在放大状态的情况。放大电路中，在保证发射结正偏、集电结反偏的情况下，BJT有三种不同的接法（或称为组态）。即：共射极接法（CE）、共基极接法（CB）和共集电极接法（CC）。其中以共射极接法使用最为广泛。本文主要以发射极接法为例进行实验分析。2.4 交流参数共射交流电流放大系数ICIB|UCE常数实际上，直流放大系数和交流放大系数是不同的，直流放大系数表征直流量的电流放大能力，交流放大系数反映交流量的电流放大能力。由于BJT的输出特性曲线实际上是不均匀的，也就是说直流放大系数值并不是一个固定不变的常数。交流放大系数是两个变化量之比，其值的大小与工作点密切相关。特征频率fT三极管的值不仅与工作电流有关，而且与工作频率有一定的函数关系，记作。由于结电容的影响，随着信号频率的增加，不仅的数值会下降，而且会产生相移。当|=1时所对应的频率称为特征频率。可见，超过该频率使用BJT就没有电流放大作用了。3 BJT结构的小信号响应BJT为非线性器件，为了简化分析计算，在分析其不同工作状态时，可以用不同的线性电路模型来表征其特性。在一定条件下，将非线性电路看成线性电路后，可以利用叠加原理进行分析。单独分析其直流工作状态时，用直流模型；仅对输入信号及其响应进行分析时，用交流模型。交流模型又有两种：当输入信号为低频小信号时，有H参数等效模型；当输入高频小信号时，有混合模型。并且两种交流模型在低频信号下具有一致性。本文主要介绍BJT结构的H参数等效模型和混合模型。3.1 H参数等效模型对于低频模型可以不考虑BJT结电容的影响；小信号（或微变信号）意味着三极管在近似线性条件下工作。三极管的h参数等效模型可以从网络方程导出。三极管的输入和输出特性方程如下：uBE=f1iB,uCEiC=f2iB,uCE当晶体管在小信号下工作时，考虑静态工作点附近电压和电流之间的微变关系，将以上两式用全微分形式表达，则有：duBE=uBEiB|UCE=常数diB+uBEuCE|IB=常数duCE=h11diB+h12duCEdiC=iCiB|UCE=常数diB+iCuCE|IB=常数duCE=h21diB+h22duCE将电压和电流的增量用正弦相量表示，由此可以画出三极管的低频小信号模型如图1所示。其中h参数定义、物理意义如表1所示。图 1 三极管的低频小信号模型参数定义物理意义h11uBEiB|UCE=常数输入电阻rbeh12uBEuCE|IB=常数内部电压反馈系数h21iCiB|UCE=常数电流放大系数h22iCuCE|IB=常数输出电导1/rce表 1 h参数定义及物理意义需要指出，h参数都是小信号参数，即微变参数或交流参数，只适合对交流小信号的分析。h参数与工作点有关，在放大区基本不变。实际上，在实验分析过程中多采用简化的三极管h参数模型，如图2所示。图中忽略了以下两个数值：a h12是内部电压反馈系数，其数值很小，可以忽略。b h22=1/rce，与受控电流源Ib并联，因其等效阻值很大，分流极小，可作开路处理。图 2 简化的三极管h参数模型主要参数从双极型三极管的h参数简化模型可知，Ic=Ib反映了三极管具有流控流源的特性。故Ic和Ib的正方向关联，与晶体管是NPN型还是PNP型无关。另外，h参数与静态工作点有关，其中三极管输入电阻rbe可由下式估算：rbe=UbeIb=rbb+rberbb+1+UTIEQ=rbb+UTIBQ式中：rbb为基区体电阻，对于小功率BJT可取300。3.2 混合模型BJT包含两个PN结，在低频和中频情况下，PN结极间电容很小而容抗很大，与其结电阻相比可以忽略极间电容的作用；而在高频情况下，BJT极间电容的容抗变小，与其结电阻相比，极间电容的影响就不能被忽略了。另外值随频率升高而降低，其影响也不容忽视。下面从BJT的物理结构出发，抽象出高频小信号模型（即混合模型），用于高频信号作用下的放大电路分析。由于BJT的混合模型与h参数低频小信号模型在低频信号作用下具有一致性，因此可用h参数等效模型来计算混合模型的某些参数。BJT的结构示意图及其混合模型有如下特点：a 这是一个高频小信号模型，只在高频小信号作用下，发射结电容和集电结电容的影响才需要考虑。由于发射区和集电区的体电阻很小，可以忽略。b 受控的电流源gmUbe不是受控于输入基极电流Ib，而是发射结电压Ube，之所以这样表示是因为：由于结电容的存在，使Ib不仅包含流过rbe电流，还包含流过Cbe的电流，因此集电极的受控电流已不再与Ib成正比，而是与Ube成正比，而它们之间的控制关系用跨导gm表示。c 通常情况下，rce远远大于c-e间所接的负载电阻，而rbc也远远大于与之并联的结电容C，因而rce和rbc可以视为开路。由于C跨接在输入和输出回路之间对求解不便，可通过单向化处理加以变换。即用输入侧的C和输出侧的C这两个电容来替代C，但要求变换前后应保证相关电流不变，根据伏安特性关系计算，可得：C=1+KCK=UceUbe用同样的方法可以求得输出侧的等效电容C：C=K-1KC由于CC,且一般情况下C的容抗远大于集电极负载总电阻，所以C的影响可忽略不计。所以常用的混合模型如图3所示。图 3 常用的混合模型主要参数混合模型的主要参数的计算依据是，混合模型与h参数模型在中低频段是等效的，所以主要参数计算如下：rbe=rbb+rbe=rbb+1+0UTIEQIc=0Ib=gmUbe，而Ube=Ibrbe，所以：gm=0rbeIEQUT由fT=02rbeC可计算C：C=C+C=C+1+KCfT和C从手册中可查到。4 实验仿真4.1 H参数等效模型实验仿真实验1：某直接耦合共射放大电路如图4所示，晶体管=80，rbb=100，RL=5k求电路放大倍数。图 4 共射放大电路解：首先计算静态工作点如下：IBQ=VCC-UBEQRB-UBEQRS22AICQ=IBQ1.76mArbe=rbb+ 26mVICQ1.3k于是可得该电路h参数等效模型如图5所示。图 5 h参数等效模型所以电路放大倍数如下：Au=-IbRC|RLIb（rbe|Rb）=-RC|RLrbe|Rb-153仿真电路图如图6所示，仿真结果如图7,8所示，红线为输入正弦小信号（1mVrms，1kHz），黄线为输出信号，由计算数值可知放大倍数为56.8mV/393.2V145，与h参数等效模型计算结果绝对误差较小。图 6 实验1仿真电路图图 7 实验1仿真结果-输入输出信号图 8 实验1仿真结果-幅频响应4.2 混合模型实验仿真实验2：如图9所示电路中，已知VCC=15V，Rs=1k，Rb=20k，RL=5k ，Rc=6.9k，C=5F ；晶体管的UBEQ=0.7V，rbb=100，=100，fT=0.5MHz，C=5pF，求电路放大倍数。（电容C是为了滤掉直流，只输出经放大得到的交流信号）图 9 实验2共射放大电路解：首先计算静态工作点如下：IBQ=VCC-UBEQRB-UBEQRS=15AICQ=IBQ=1.5mArbe=1+0UTIEQ=UTIBQ=1.733kgm=0rbe=57.7msC=C+C=C+1+KCK=UceUbe=-gmUbeRc|RLUbe=-gmRLC=C+C12rbefT+gmRLC=2.6F于是可得该电路混合模型如图10所示。图 10 实验2混合模型所以可求得放大倍数如下：Au=-gmUbeRc|RLUberbb+rberbe=-gmRc|RLrbb+rberbe=-158仿真电路如图11所示，仿真结果如图12,13所示，红线为输入正弦小信号（1mVrms，1kHz），黄线为输