固態(tài)電子器件等效電路
[拼音]:gutai dianzi qijian dengxiao dianlu
[外文]:solid state electronic device equivalent circuit
表征固態(tài)電子器件電特性的電路模型。常用的固態(tài)電子器件有晶體二極管、晶體三極管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管等。它們與其他電子元件組合,構(gòu)成功能不同的各類(lèi)電路。為了分析這些電路,必須把固態(tài)電子器件表示成由某些路元件組成的簡(jiǎn)單電路模型。這些電路元件可以是無(wú)源電子元件,也可以是受控電流源或受控電壓源(見(jiàn)電路)。盡管這類(lèi)等效電路只能近似地反映這類(lèi)電子器件的外部電特性,但在分析和設(shè)計(jì)電子電路時(shí)有著十分重要的作用。隨著集成電路和計(jì)算機(jī)輔助分析與設(shè)計(jì)方法的迅速發(fā)展,建立更加合理的固態(tài)電子器件的電路模型,越來(lái)越重要。
通常,按信號(hào)幅度的大小,可將固態(tài)電子器件等效電路分為兩類(lèi):小信號(hào)等效電路和大信號(hào)等效電路。
晶體二極管交流小信號(hào)等效電路
它的主要等效電路元件是并聯(lián)的交流電阻R和電容C(圖1)。R的定義是二極管端電壓的微小變化與電流微小變化之比。R 值隨二極管的直流工作點(diǎn)而變。電容C由勢(shì)壘電容CT和擴(kuò)散電容CD并聯(lián)而成。
晶體管交流小信號(hào)等效電路
h參數(shù)和y參數(shù)。在交流小信號(hào)下工作的晶體管,可以用線性元件組成的有源兩端口網(wǎng)絡(luò)(見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌﹣?lái)表示(圖2)。信號(hào)源為正弦信號(hào)源時(shí),輸入、輸出參量是四個(gè)幅值變化很小的復(fù)量,即輸入電流i1、輸出電流i2、輸入電壓u1和輸出電壓u2。任取其中的兩個(gè)量為自變量,另兩個(gè)量為應(yīng)變量,可以得到一組參數(shù)方程和相應(yīng)的等效電路。每一組方程有四個(gè)參數(shù)。最為常用的是h和y 參數(shù)。表1列出了這兩種參數(shù)及其方程式。圖3是與之相對(duì)應(yīng)的等效電路。
在表1所列的h參數(shù)中,h11和h22分別是輸入阻抗和輸出導(dǎo)納;h12u2和h21i1分別是受控電壓源和受控電流源,h12是反向電壓放大系數(shù),h21是電流放大系數(shù)。這四個(gè)參數(shù)的量綱是混合的。在表1所列的y參數(shù)中,y11和y22分別是輸入導(dǎo)納和輸出導(dǎo)納,而y12和y21分別是反向?qū)Ъ{和正向?qū)Ъ{。
晶體管的伏安特性是非線性的。因此,h和y參數(shù)的幅值和相位均隨直流工作狀態(tài)而變,它們又是工作頻率和環(huán)境溫度的函數(shù)。
h參數(shù)常用來(lái)分析晶體管低頻放大器,這時(shí),四個(gè)參數(shù)都是實(shí)數(shù)。y參數(shù)常用來(lái)分析晶體管高頻放大器。
高頻等效電路
根據(jù)晶體管內(nèi)部載流子的流動(dòng)規(guī)律,可以得到另外兩種適用于高頻段的等效電路,其特點(diǎn)是等效電路中元件的參數(shù)與工作頻率無(wú)關(guān)。
(1)共基極T型高頻等效電路(圖4):電阻re和r分別是發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的正向交流電阻和反向交流電阻;rbb′是基區(qū)內(nèi)某一點(diǎn)B′與基極B間的體積電阻;Ce和C分別是發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的電容,各等于各自的勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容之和。電流源α0ie中的α0稱(chēng)為共基極低頻電流放大系數(shù),它是在輸出交流短路時(shí)不計(jì)晶體管電容效應(yīng)的集電極電流的微小變化量與發(fā)射極電流的微小變化量之比,α0的數(shù)值恒小于1,但非常接近于1。
在工作頻率為f時(shí),計(jì)及Ce和C的共基極電流放大系數(shù)α可近似表示為
(1)
α的幅值下降到α0/?時(shí)的頻率稱(chēng)為α截止頻率,記作f。由式(1)知f=1/2πfCere,它是表征晶體管高頻工作范圍的重要參數(shù)。
(2)共發(fā)射極混合π型高頻等效電路 (圖5):r、r、和re分別表示發(fā)射結(jié)等效正向交流電阻、集電結(jié)反向交流電阻和反映基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)的交流等效電阻;C和C分別發(fā)射結(jié)和集電結(jié)電容;電流源gmu中的參數(shù) gm稱(chēng)為跨導(dǎo),定義為
(2)
它表示發(fā)射結(jié)電壓u對(duì)集電極電流i的控制能力。
共發(fā)射極電流放大系數(shù)β的定義是
(3)
而低頻共發(fā)射極電流放大系數(shù)用β0表示,它遠(yuǎn)大于1。
表征共發(fā)射極晶體管高頻工作能力的參數(shù)有β 截止頻率fβ, 特征頻率fT和最高振蕩頻率fmaxo它們的定義和表達(dá)式見(jiàn)表2。
fβ、fT和fmax都和晶體管的直流狀態(tài)有密切關(guān)系。為了充分發(fā)揮晶體管的高頻工作能力,合理地選擇直流工作點(diǎn)十分重要。
表征晶體管高頻工作能力的另一重要參數(shù)是增益帶寬乘積GB,其定義為
(4)
式中|β|是β的幅值。式(4)表明晶體管的增益帶寬乘積是一常數(shù):工作頻率f增高,放大系數(shù)β必將減小。
表2指出,,這說(shuō)明共發(fā)射極放大電路的高頻工作能力遠(yuǎn)比共基極放大電路的差。
晶體管大信號(hào)等效電路
大信號(hào)工作時(shí),必須考慮晶體管的非線性。根據(jù)埃伯爾斯-莫爾方程得出的NPN晶體三極管大信號(hào)等效電路(圖6),不僅適用于晶體管的放大區(qū),也適用于它的飽和區(qū)和截止區(qū)。圖中,αF和αR分別是正向和反向短路電流放大系數(shù),是發(fā)射結(jié)開(kāi)路飽和電流,是集電結(jié)開(kāi)路飽和電流。
場(chǎng)效應(yīng)晶體管交流小信號(hào)等效電路
圖7b是 N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管低頻小信號(hào)等效電路。圖中,是柵源極間的交流小信號(hào)電壓;id是交流漏極電流,rd是漏極交流電阻;電流源gm的參數(shù)gm稱(chēng)為跨導(dǎo),其定義為
(5)
它表示對(duì)漏流id的控制能力。
計(jì)及場(chǎng)效應(yīng)晶體管極間電容的高頻小信號(hào)等效電路如圖7c。其中Cgs 、和分別是柵源、柵漏和漏源極間的電容;RL是負(fù)載電阻。
- 參考書(shū)目
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- M.S.Ghausi,Electronic Circuits:Devices, Models,F(xiàn)unctions, Analysis, and Design,Van Nostrand Reinho Co.,New York,1971.
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標(biāo)簽:gutai dianzi qijian dengxiao dianlu、固態(tài)電子器件等效電路
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