第三章-双极型晶体管的频率优秀PPT.ppt
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1、第三章第三章 双极型晶体管的频率特性双极型晶体管的频率特性3.1 晶体管沟通电流放大系数与频率参数晶体管沟通电流放大系数与频率参数3.2 晶体管的沟通特性分析晶体管的沟通特性分析3.3 晶体管的高频参数及等效电路晶体管的高频参数及等效电路3.4 高频下晶体管中载流子的输运及中间参数高频下晶体管中载流子的输运及中间参数3.5 晶体管电流放大系数的频率关系晶体管电流放大系数的频率关系3.6 晶体管的高频功率增益晶体管的高频功率增益3.7 工作条件对晶体管工作条件对晶体管fT、KPm的影响的影响1一、沟通短路电流放大系数一、沟通短路电流放大系数共基极沟通短路电流放大系数:共基极沟通短路电流放大系数:
2、共放射极极沟通短路电流放大系数:共放射极极沟通短路电流放大系数:两者之间的关系:两者之间的关系:3.1 晶体管沟通电流放大系数与频率参数2二、晶体管的频率参数二、晶体管的频率参数 截止频率截止频率 f:共基极电流放大系数减小到低频值的共基极电流放大系数减小到低频值的 所对应的频率值所对应的频率值 截止频率截止频率 f :共发射极电流放大系数减小到低频值的共发射极电流放大系数减小到低频值的 所对应的频率值所对应的频率值3特征频率特征频率fT:共放射极沟通短路电流放大系数为:共放射极沟通短路电流放大系数为1时时 对应的工作频率对应的工作频率最高振荡频率最高振荡频率fM:功率增益为功率增益为1时对应
3、的频率时对应的频率二、晶体管的频率参数二、晶体管的频率参数4二、晶体管的频率参数二、晶体管的频率参数5 3.2 晶体管的沟通特性分析 晶体管在实际应用时大多是在直流偏压上叠加晶体管在实际应用时大多是在直流偏压上叠加上沟通小信号,即作用在结上的总电压应为交、直上沟通小信号,即作用在结上的总电压应为交、直流两部分电压之和,假如所叠加的沟通信号为正弦流两部分电压之和,假如所叠加的沟通信号为正弦波则波则作用在放射结上的总电压为:作用在放射结上的总电压为:作用在集电结上的总电压为:作用在集电结上的总电压为:6留意:一维模型中规定的电流方向留意:一维模型中规定的电流方向 与与npn管实际电流反向相反管实际
4、电流反向相反7一、匀整基区晶体管(以一、匀整基区晶体管(以npn管为例)管为例)沟通信号作用下沟通信号作用下基区电子一维扩散方程基区电子一维扩散方程基区电子密度分布基区电子密度分布(直流、沟通叠加)(直流、沟通叠加)分解与时间有关项分解与时间有关项和与时间无关项和与时间无关项基区电子电流密度基区电子电流密度沟通重量沟通重量通过放射结的空穴通过放射结的空穴电流密度沟通重量电流密度沟通重量沟通信号作用下沟通信号作用下放射区空穴一维扩散方程放射区空穴一维扩散方程匀整基区晶体管匀整基区晶体管沟通电流沟通电流-电压方程电压方程高高频频参参数数频频率率特特性性8一、匀整基区晶体管(以一、匀整基区晶体管(以
5、npn管为例)管为例)在沟通信号作用下基区电子的一维扩散方程:在沟通信号作用下基区电子的一维扩散方程:910边界条件:边界条件:x=0 0时,时,边界条件:边界条件:x=Wb其中:其中:1112通过基区的电子电流密度交流分量通过基区的电子电流密度交流分量同理,可求出通过发射结的空穴电流密度的交流分量同理,可求出通过发射结的空穴电流密度的交流分量13通过放射结的沟通电流重量:通过放射结的沟通电流重量:集电极电流的沟通重量:集电极电流的沟通重量:此二式即为匀整基区晶体管沟通电流此二式即为匀整基区晶体管沟通电流电压方程电压方程14基区宽变效应:基区宽度随结电压变更而变更,从而引起输出电流的变更计入基
6、区宽变效应:计入基区宽变效应:15二、缓变基区晶体管二、缓变基区晶体管基区电子的一维连续性方程基区电子的一维连续性方程16 3.3 晶体管的高频参数及等效电路晶体管的高频参数及等效电路一、晶体管高频一、晶体管高频Y参数及其等效电路参数及其等效电路二、晶体管高频二、晶体管高频h参数及其等效电路参数及其等效电路将晶体管看作四端网络来探讨其高频特性(输入、输将晶体管看作四端网络来探讨其高频特性(输入、输出关系)出关系)描述四端网络的高频参数(方程组)有描述四端网络的高频参数(方程组)有Y参数参数短路导纳参数短路导纳参数Z参数参数开路阻抗参数开路阻抗参数h参数参数混合参数混合参数S参数参数散射参数散射
7、参数 等等Y参数的表达形式与晶体管的参数的表达形式与晶体管的I-V方程一样,可干脆由方程一样,可干脆由I-V方程得到,且物理意义明显方程得到,且物理意义明显h参数更符合晶体管的实际特点,易于实际测量参数更符合晶体管的实际特点,易于实际测量17晶体管高频参数是高频特性方程组中的一组参数晶体管高频参数是高频特性方程组中的一组参数一方面,将晶体管的结构参数与四端网络的特性一方面,将晶体管的结构参数与四端网络的特性参数相联系参数相联系另一方面,通过等效电路反映晶体管内部结构与另一方面,通过等效电路反映晶体管内部结构与外电路的关系,使晶体管的外电路的关系,使晶体管的CAD及计算机模拟得及计算机模拟得以实
8、现以实现 3.3 晶体管的高频参数及等效电路晶体管的高频参数及等效电路18一、晶体管高频一、晶体管高频Y参数及其等效电路参数及其等效电路由沟通由沟通I-V方程可以干脆得到最基本的方程可以干脆得到最基本的Y参数,称为本征参数参数,称为本征参数加上(必要的)非本征参数构成较完整的高频等效电路加上(必要的)非本征参数构成较完整的高频等效电路19由连续性方由连续性方程所得,称程所得,称本征本征Y参数,参数,且没有频率且没有频率限制限制201、共基极本征输入导纳、共基极本征输入导纳Ycei输出端沟通短路时,输入端沟通电流幅输出端沟通短路时,输入端沟通电流幅值随输入电压的变更值随输入电压的变更1)设设=1
9、,即忽视,即忽视IpE2)认为认为 Wb/Lnb为一阶无穷小,绽开双曲函数,为一阶无穷小,绽开双曲函数,略去高次项,还原略去高次项,还原Cn21222、共基极本征输出导纳、共基极本征输出导纳Ycci输入端沟通短路时,输出端沟通电流幅输入端沟通短路时,输出端沟通电流幅值随输出电压的变更值随输出电压的变更233、共基极本征正向转移导纳、共基极本征正向转移导纳Ycei输出端沟通短路时,输入端沟通电压对输出端沟通短路时,输入端沟通电压对输出端沟通电流的影响输出端沟通电流的影响说明:正向转移导纳可看作将输入导纳转移到说明:正向转移导纳可看作将输入导纳转移到 (被(被 放大了的)输出端的等效导纳,或放大了
10、的)输出端的等效导纳,或 者说,是输出端输出的,被放大了的输者说,是输出端输出的,被放大了的输 入导纳入导纳 即:由输入电压即:由输入电压ue输入电流输入电流Ie输出电流输出电流Ic244、共基极本征反向转移导纳、共基极本征反向转移导纳Yeci输入端沟通短路时,输出端沟通电压对输入端沟通短路时,输出端沟通电压对输入端电流的影响输入端电流的影响25无量纲,称为电压反馈系数无量纲,称为电压反馈系数当保持放射极沟通开路时,即当保持放射极沟通开路时,即Ie=0,IE不变,不变,集电极电压变更对放射极电压的影响集电极电压变更对放射极电压的影响也称反向电压放大系数也称反向电压放大系数放射极沟通开路,意味着
11、放射极电流维持直流放射极沟通开路,意味着放射极电流维持直流偏置电流不变(恒流),当偏置电流不变(恒流),当VcVc时,时,Wb产生产生Wb的变更,引起基区少子分布变更,的变更,引起基区少子分布变更,为了使为了使IE不变不变(Ie=0),应有,应有VE使使nE变更变更nEn(x)nEnb(x)xn(x)262728二、晶体管高频二、晶体管高频h参数及其等效电路参数及其等效电路29二、晶体管高频二、晶体管高频h参数及其等效电路参数及其等效电路1、共基极、共基极h参数及其等效电路参数及其等效电路输入端电压为两部分电压串联输入端电压为两部分电压串联输入电流在输入阻抗上的压降输入电流在输入阻抗上的压降输
12、出电压对输入回路的反作用(电压源)输出电压对输入回路的反作用(电压源)输出电流为两部分电流并联输出电流为两部分电流并联被放大的输入电流(电流源)被放大的输入电流(电流源)输出电压在输出阻抗上产生的电流输出电压在输出阻抗上产生的电流+-+-iehrbucichibhfbIchobbec30h参数与参数与Y参数只是从不同角度反映晶体管内部电流、参数只是从不同角度反映晶体管内部电流、电压关系,因而其间可以相互转换电压关系,因而其间可以相互转换低频时可忽视电容效应低频时可忽视电容效应高频时可忽视基区宽变效应高频时可忽视基区宽变效应3132 h11和h12的意义 h21和h22的意义2、共放射极、共放射
13、极h参数及其等效电路参数及其等效电路h参参数数都都是是小小信信号号参参数数,即即微变参数或沟通参数。微变参数或沟通参数。h参参数数与与工工作作点点有有关关,在在放放大区基本不变。大区基本不变。h参参数数都都是是微微变变参参数数,所所以以只适合对沟通小信号的分析只适合对沟通小信号的分析33目的:高频下晶体管电流放大系数随工作目的:高频下晶体管电流放大系数随工作频率变更的物理实质(关系)频率变更的物理实质(关系)方法:利用晶体管的等效电路,逐步分析方法:利用晶体管的等效电路,逐步分析载流子的运动过程(中间参数)载流子的运动过程(中间参数)实质:实质:RC回路对高频信号产生延迟和相回路对高频信号产生
14、延迟和相移(电容的分流作用)移(电容的分流作用)3.4 高频下晶体管中载流子的输运过程高频下晶体管中载流子的输运过程放射结放射放射结放射基区输运基区输运集电结收集集电结收集集电极输出集电极输出34一、放射效率及放射结延迟时间一、放射效率及放射结延迟时间对对CTe进行充、放电的电流对输出没有贡献,导致进行充、放电的电流对输出没有贡献,导致降低降低35因re、CTe并联,具有等电压关系放射极截止角频率放射结延迟时间CTe的作用:的作用:1、对、对 Ie的分流作用使放射效率幅的分流作用使放射效率幅 值随频率上升而下降值随频率上升而下降 2、RC延迟作用使注入电流滞后于延迟作用使注入电流滞后于 输入电
15、流一个相位角输入电流一个相位角36二、基区输运系数及基区渡越时间二、基区输运系数及基区渡越时间基区输运系数随信号频率上升而减小:基区输运系数随信号频率上升而减小:实质是高频信号首先对放射结扩散电容充放实质是高频信号首先对放射结扩散电容充放电(基区积累电荷的数量变更),这一电流仅电(基区积累电荷的数量变更),这一电流仅形成基极电流,对输出电流没有贡献,导致输形成基极电流,对输出电流没有贡献,导致输运系数降低及信号延迟运系数降低及信号延迟37二、基区输运系数及基区渡越时间二、基区输运系数及基区渡越时间留意:以集电极沟通短留意:以集电极沟通短路为条件,即路为条件,即uc=038进行整理、简化,得对均
16、匀基区对均匀基区m0.22对基区杂质按指数分对基区杂质按指数分布的缓变基区晶体管布的缓变基区晶体管39对于匀整基区,假如绽开双曲函对于匀整基区,假如绽开双曲函数后取一级近似,则有数后取一级近似,则有比较上两式,有比较上两式,有因re和Cde并联等电压,则有40对于匀整基区渡越时间有以下三个表达式:对于匀整基区渡越时间有以下三个表达式:m的实质是基区少子建立准稳态分布的弛豫时间的实质是基区少子建立准稳态分布的弛豫时间 由于不同的近似或省略造成系数上的差别,其本由于不同的近似或省略造成系数上的差别,其本质都是放射结扩散电容充放电(变更基区积累的电荷质都是放射结扩散电容充放电(变更基区积累的电荷数)
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