三极管低频等效模型


一:三极管基本模型
1. 三极管基本符号和参数定义
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2. 三极管工作区域
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1)截止区(Cutoff)
Ib=Ic=0,Vbe << 0.7V。三极管处于完全关断状态。
2)正向偏置或者线性工作区(Forward-Active)
IC=βeIb,且Vbe=0.7V左右。
3)饱和区(Saturation)
Vce变小,且此时Vbe与Vbc都是正向偏置。
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3. 三极管工作于线性区的理论模型
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假设三极管工作于图(a)的偏置状态,经过仿真我们可以得到如下波形:

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从波形中可以看出,三极管的输出波形包括DC部分和交流小信号部分。同样我们可以得出其他端子也是如此,因此我们得到:

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举个例子,一个三极管基极加了一个正向偏置电压Vbias以及1kHz的交流信号Vsig,峰值为1mV。调节基极驱动信号(0.7V左右)使三极管集电极电流为5mA。此时三极管的工作区域以及输出电流波形如下:

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二:三极管低频线性区等效电路模型

由上述理论我们可以得出:

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进一步推导,我们可以得出交流小信号输出电流为:

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gm就是三极管的等效跨导。

接下来我们推导基极驱动电流Ib,由三极管基本模型我们知道,集电极电流的任何微小变化同样意味着基极驱动电流的比例变化:

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这里hfe就是三极管小信号电流增益,这里要注意,小信号电流增益和DC直流增益是不同的定义。

因此我们可以总结出三极管低频下的等效电路模型:

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这也就是所谓的“hybrid-pi”模型,其中:

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三极管高频等效模型

上一节重点介绍了三极管的低频等效模型-“hybrid-pi”模型,低频等效模型其实并不完善,因为这一模型没有任何带宽的限制,只适用于低频运行下的近似分析。这一节我们将进一步考虑给三极管带来带宽限值的寄生参数,从而对hybrid-pi低频等效模型进行完善。

我们知道任何的PN结都会存在结电容,因此我们可以预见到三极管的base-emitter和base-collector都存在着结电容,这些结电容会随着PN结之间的电压而变化。

另外由前面章节我们知道三极管base-emitter之间存储的电荷会随着Vbe之间的偏置电压的变化而变化,Vbe增加,Base存储的电荷就会增多,base-emitter之间存储电荷的变化可以等效成结电容的变化。

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因此我们得到三极管的高频等效模型如下:

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其中:

Cje: Base-emitter之间的耗尽型电容

Cb: Base极扩散电容

Cjc: Base-collector之间的耗尽型电容

接下来我们对上述三极管高频等效模型进行一些优化和修改。
1)把Cb与Cje统一成单一的结电容CΠ
2)把Cjc重新命名为Cμ
3)增加基极等效电阻rx
最后的高频等效如下:
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那么我们怎样从规格书中得到CΠ和Cμ那?Cμ相对简单,它就是base-collector之间的结电容。我们先要知道base-collector之间的结电压,然后根据结电容与结电压之间的曲线决定出Cμ。

CΠ相对复杂,我们需要间接得到CΠ。一般来说,三极管的规格书中会给出电流增益-带宽曲线图,从此图中我们能够得出电流增益为1的频率点ωT。

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进一步由三极管高频等效模型推导电流增益-带宽 fT。

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近似得出:
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从而:
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因此,我们可以利用如下关系式得到三极管的等效电容参数CΠ和Cμ。
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