第三章-双极型晶体管的频率.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 晶体管晶体管交流电流放大系数交流电流放大系数与与频率参数频率参数3.2 晶体管的晶体管的交流特性交流特性分析分析3.3 晶体管的晶体管的高频参数高频参数及及等效电路等效电路3.4 高频下晶体管中高频下晶体管中载流子的输运载流子的输运及及中间参数中间参数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 晶体管的晶体管的高频功率增益高频功率增益3.7 工作条件工作条件对晶体管对晶体管fT、KPm的影响的影响1一、交流短路电流放大系数一、交流短路电流放大系数共基极交流短路电流放大系数:共基极交流短路电流放大系数:
2、共发射极极交流短路电流放大系数:共发射极极交流短路电流放大系数:两者之间的关系:两者之间的关系:3.1 晶体管交流电流放大系数与频率参数晶体管交流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:共发射极交流短路电流放大系数为共发射极交流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
3、:功率增益为功率增益为1时对应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 晶体管的交流特性分析晶体管的交流特性分析 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交流小信号,即作用在结上的总电压应为交、直上交流小信号,即作用在结上的总电压应为交、直流两部分电压之和,如果所叠加的交流信号为正弦流两部分电压之和,如果所叠加的交流信号为正弦波则波则作用在发射结上的总电压为:作用在发射结上的总电压为: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注意:一维模型中规定的电流方向注意:一维模型中
4、规定的电流方向 与与npn管管实际电流反向相反实际电流反向相反7一、均匀基区晶体管(以一、均匀基区晶体管(以npn管为例)管为例)交流信号作用下交流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、交流叠加)(直流、交流叠加)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交流分量交流分量通过发射结的空穴通过发射结的空穴电流密度交流分量电流密度交流分量交流信号作用下交流信号作用下发射区空穴一维扩散方程发射区空穴一维扩散方程均匀基区晶体管均匀基区晶体管交流电流交流电流-电压方程电压方程高高频频参参数数频频率率特特
5、性性8一、均匀基区晶体管(以一、均匀基区晶体管(以npn管为例)管为例)在在交流信号作用下基区电子的一维扩散方程:交流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通过发射结的交流电流分量:通过发射结的交流电流分量:集电极电流的交流分量:集电极电流的交流分量:此二式即为此二式即为均匀基区晶体管交流电流均匀基区晶体管交流电流电压方程电压方程14基区宽变效应:基区宽
6、度随结电压变化而变化,从而引起输出电流的变化计入基区宽变效应: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讨论其高频特性(输入、输将晶体管看作四端网络来讨论其高频特性(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
7、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方程一致,可直接由方程一致,可直接由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
8、,使晶体管的CAD及计算机模拟得及计算机模拟得以实现以实现 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由交流交流I-V方程可以直接得到最基本的方程可以直接得到最基本的Y参数,称为参数,称为本征参数本征参数加上(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由由连续性方连续性方程所得,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输出端交流短路时,输入端交流电流幅输出端交流短路时,输入端交流电流
9、幅值随输入电压的变化值随输入电压的变化1)设设=1,即忽略,即忽略IpE2)认为认为 Wb/Lnb为一阶无穷小,展开双曲函数,略为一阶无穷小,展开双曲函数,略去高次项,还原去高次项,还原Cn21222、共基极本征输出导纳、共基极本征输出导纳Ycci输入端交流短路时,输出端交流电流幅输入端交流短路时,输出端交流电流幅值随输出电压的变化值随输出电压的变化233、共基极本征正向转移导纳、共基极本征正向转移导纳Ycei输出端交流短路时,输入端交流电压对输出端交流短路时,输入端交流电压对输出端交流电流的影响输出端交流电流的影响说明: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
10、到 (被(被 放大了的)输出端的等效导纳,或放大了的)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输入端交流短路时,输出端交流电压对输入端交流短路时,输出端交流电压对输入端电流的影响输入端电流的影响25无量纲,称为无量纲,称为电压反馈系数电压反馈系数当保持发射极交流开路时,即当保持发射极交流开路时,即Ie=0,IE不变,不变,集电极电压变化对发射极电压的影响集电极电压变化对发射极电压的影响也称也称反向
11、电压放大系数反向电压放大系数发发射射极极交交流流开开路路,意意味味着着发发射射极极电电流流维维持持直直流流偏偏置置电电流流不不变变(恒恒流流),当当VcVc时时,Wb产产生生Wb的的变变化化,引引起起基基区区少少子子分分布布变变化化,为为了了使使IE不变不变(Ie=0),应有应有VE使使nE变化变化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
12、的压降输入电流在输入阻抗上的压降输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,因而其间可以互相转换电压关系,因而其间可以互相转换低频时可忽略电容效应低频时可忽略电容效应高频时可忽略基区宽变效应高频时可忽略基区宽变效应3132 h11和h12的意义 h21
13、和h22的意义2、共发射极、共发射极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,即即微变参数或交流参数。微变参数或交流参数。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,所所以以只适合对交流小信号的分析只适合对交流小信号的分析33目的目的:高频下晶体管电流放大系数随工作频率变化的物理实质(关系)方法方法: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)实质实质:RC回路对高频信号产生延迟和相移(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发射结发射发射结
14、发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、发射效率及发射结延迟时间一、发射效率及发射结延迟时间对对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,具有等电压关系发射极截止角频率发射结延迟时间CTe的作用的作用:1、对、对 Ie的分流作用使发射效率幅的分流作用使发射效率幅 值随频率升高而下降值随频率升高而下降 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升高而减小:基区输
15、运系数随信号频率升高而减小:实质是高频信号首先对发射结扩散电容充放实质是高频信号首先对发射结扩散电容充放电(基区积累电荷的数量改变),这一电流仅电(基区积累电荷的数量改变),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2004.00.0037二、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注意:以集电极交流短注意:以集电极交流短路为条件路为条件,即,即uc=038进行整理、简化,得对对均匀基区均匀基区m0.22对对基区杂质按指数分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对于均匀基区
16、,如果展开双曲函对于均匀基区,如果展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对于均匀基区渡越时间有以下三个表达式:对于均匀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,其本质都是发射结扩散电容充放电(改变基区积累的电荷质都是发射结扩散电容充放电(改变基区积累的电荷数)引起基区渡越延迟时间,即基区渡越时间。数)引起基区渡越延迟时间,即基区渡越时间。41 发射结上电压的交变同时引起C
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