BJT结构的小信号导纳-论文

目录1引言 32BJT基础知识 32.1BJT的类型 32.2内部结构 32.3基本工作原理 42.4交流参数 43BJT结构的小信号响应 53.1H参数等效模型 53.2混合π模型 64实验仿真 84.1H参数等效模型实验仿真 84.2混合π模型实验仿真 105结论 12参考文献 12

BJT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π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（BipolarJunctionTransistor—BJT）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。2BJT基础知识2.1BJT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β≈β≈ 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𝛽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𝛽。由于结电容的影响，随着信号频率的增加，不仅𝛽

̇的数值会下降，而且会产生相移。当|𝛽|=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。3BJT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π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π模型。3.1H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：ui 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：dudi 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SEQ图\*ARABIC1三极管的低频小信号模型参数定义物理意义h∂输入电阻rh∂内部电压反馈系数μh∂电流放大系数βh∂输出电导1/r表SEQ表\*ARABIC1h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：h12是内部电压反馈系数，其数值很小，可以忽略h22=1/rce，与受控电流源βIb并联，因其等效阻值很大，图SEQ图\*ARABIC2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=βIb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r式中：rbb3.2混合π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β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π模型），用于高频信号作用下的放大电路分析。由于BJT的混合π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π模型的某些参数。 BJT的结构示意图及其混合π模型有如下特点：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。受控的电流源gmUb'e不是受控于输入基极电流Ib，而是发射结电压Ub'e，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rb'e电流，还包含流过Cb通常情况下，rce远远大于c-e间所接的负载电阻，而rb'c也远远大于与之并联的结电容Cμ，因而由于Cμ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Cμ'和输出侧的Cμ''CK 用同样的方法可以求得输出侧的等效电容CμC 由于Cπ''>>Cμ'',且一般情况下Cμ''的容抗远大于集电极负载总电阻，图SEQ图\*ARABIC3常用的混合π模型主要参数 混合π模型的主要参数的计算依据是，混合π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：r Ic=β0Ib=g 由fT=βC fT和Cμ4实验仿真4.1H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β=80，rbb'=图SEQ图\*ARABIC4共射放大电路解：首先计算静态工作点如下：IIr 于是可得该电路h参数等效模型如图5所示。图SEQ图\*ARABIC5h参数等效模型 所以电路放大倍数如下：A 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/393.2μV≈145，与h参数等效模型计算结果绝对误差较小。图SEQ图\*ARABIC6实验1仿真电路图图SEQ图\*ARABIC7实验1仿真结果-输入输出信号图SEQ图\*ARABIC8实验1仿真结果-幅频响应4.2混合π模型实验仿真实验2：如图9所示电路中，已知VCC=15V，Rs=1kΩ，Rb=20kΩ，RL=5kΩ，Rc=6.9kΩ，C=5μF；晶体管的UBEQ=0.7V，r图SEQ图\*ARABIC9实验2共射放大电路解：首先计算静态工作点如下：IIrgCKC于是可得该电路混合π模型如图10所示。图SEQ图\*ARABIC10实验2混合π模型所以可求得放大倍数如下：A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），黄线为输出信号，由计算数值可知放大倍数为69.9mV/475μV≈147，与混合π模型计算所得结果绝对误差较小。图SEQ图\*ARABIC11实验2仿真电路图图SEQ图\*ARABIC12实验2仿真结果-输入输出信号图SEQ图\*ARABIC13实验2仿真结果-幅频特性5结论本文介绍了BJT结构的基本概念、类型及其基本的工作原理，重点推导了BJT的小信号等效电路，并用multisim仿真软件对小信号等效电路进行验证。参考文献[1]黄如编著.半导体器件基础[M].2010[2]罗桂娥编著.模拟电子技术[M].2014基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现单片机嵌入式以太网防盗报警系统基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现单片机监测系统在挤压机上的应用MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用单片机在高楼恒压供水系统中的应用基于ATmega16单片机的流量控制器的开发基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发锅炉的单片机控制系统基于单片机控制的电磁振动式播种控制系统的设计基于单片机技术的WDR-01型聚氨酯导热系数测试