锐单电子商城 , 一站式电子元器件采购平台!
  • 电话:400-990-0325

电子电路:高频晶体管电路

时间:2023-01-17 00:00:00 高性能8dq晶体管s6080b晶体管

文章目录

  • 1. 混合高频信号π模型
    • 1.1 反馈电阻
    • 1.2 基极-射电极电容
    • 1.3 基极-集电极电容
    • 1.4 小结
  • 2. 密勒效应与密勒定理
    • 2.1 密勒效应
    • 2.2 密勒定理
    • 2.3 双极晶体管的高频模型
  • 3. 特征频率
    • 3.1 测量特征频率
    • 3.2 测量电流增益的频率响应
    • 3.3 定义特征频率
    • 3.4 特征频率可能是最大值
  • 4. CE的频率特性
    • 4.1 共发射极放大电路电压增益的频率特性
    • 4.2 共发射极放大器的频率响应
  • 5. CB的频率特性
    • 5.1 共基极放大电路电压增益的频率特性
    • 5.2 其它有趣的高频电路
      • 5.2.1 长尾拆分放大电路
      • 5.2.3 共源共栅放大器

1. 混合高频信号π模型

以前我们建立的等效电路只能在低频下使用,现在我们需要建立一个适合高频的模型

对于集成电路中的晶体管,我们可以添加许多元件。本文只讨论其中的一部分,但请记住,许多其他元件也非常重要,特别是在高频环境中

大多数制造商提供他们的晶体管计算机模型,所以我们正在使用它PSpice可以直接调用软件等。

1.1 反馈电阻

由于晶体管内部的泄漏电流,晶体管的输入输出之间会有反馈电阻 r μ r_\mu rμ
在这里插入图片描述
这种电阻通常很大,在兆欧级别,一般可以忽略

图中箭头指向晶体管内的漏电流

1.2 基极-射电极电容

这一元件 C π C_\pi Cπ代表的是正向偏置的基极-发射极结,它通常由两部分组成,分别是

  1. 扩散电容(diffusion capacitance) C d i f f C_{diff} Cdiff
  2. 空间电荷区电容(space charge region capacitance) C d e p C_{dep} Cdep

图像如下所示:

每当基极-射电极结电压发生变化时,通过基极区域的移动电荷密度就会改变,因此扩散电容通常占主导地位, C π C_\pi Cπ则和基极电荷,基极-射电极电压 Δ Q B / Δ V B E \Delta Q_B/\Delta V_{BE} ΔQB/ΔVBE成比例关系

注意,由于 C π C_\pi Cπ主要通过电阻 r b r_b rb进行充放电,所以 r b r_b rb在高频下变得非常重要,为了高频环境设计的晶体管通常会为了将 r b r_b rb削减到最小而采取特殊处理

图中蓝色圆圈内是晶体管的基极电荷 Q B Q_B QB,当他们穿过基极区域时会产生电流 I c I_c Ic,假设平均穿越时间为 τ B \tau_B τB,电流 I c = Q B / τ B I_c=Q_B/\tau_B Ic=QB/τB

根据 C d i f f = d Q B d V B E C_{diff}=\frac{dQ_B}{dV_{BE}} Cdiff=dVBEdQB以及 I c = Q B τ B I_c=\frac{Q_B}{\tau_B} Ic=τBQB,可以得出:
C d i f f = d I c d V B E τ B = g m τ B C_{diff}=\frac{dI_c}{dV_{BE}}\tau_B=g_m\tau_B Cdiff=dVBEdIcτB=gmτB
记住室温下 g m = 40 I c g_m=40I_c gm=40Ic,所以集电极电流的增大 I c I_c Ic会明显提升扩散电容,这对于晶体管在高频环境下的表现有很大的影响

1.3 基极-集电极电容

这一元件 C μ C_\mu Cμ代表反向偏置的基极-集电极结的电容

这个电容非常小,但我们并不能总是忽视它,这是因为“密勒效应”的存在,我们等下会作出更详细的解释

1.4 小结

这里是一张列出等效元件及他们物理定义的表,里面有些只在高频环境下才需要考虑

2. 密勒效应与密勒定理

2.1 密勒效应

密勒效应是一个在高电压增益放大器中非常重要的概念

下图是一个逆变放大器,它的两端接入了一个阻抗Z

通常情况下,Z的电流应该等于表面上分配给它的电压除以它的阻抗,也就是 i Z = v i / Z i_Z=v_i/Z iZ=vi/Z
然而实际上,通过它的电流为 i Z = v i − ( − A V v i ) Z = v i ( 1 + A V ) Z i_Z=\frac{v_i-(-A_Vv_i)}{Z}=\frac{v_i(1+A_V)}{Z} iZ=Zvi(AVvi)=Zvi(1+AV)
如果 − A V -A_V AV很大,那么通过Z的电流就会比它本应有的电流要大得多,这也会放大Z的阻抗效应,使得Z的阻值看起来比实际上要小得多

2.2 密勒定理

刚才得密勒效应说明,如果一个阻抗横跨放大器,我们对它得分析就很可能不准确,那么有没有办法把它转化成不横跨放大器的阻抗呢?

密勒定理告诉我们,可以将刚才的阻抗Z转换为两个等效阻抗Z1, Z2,他们分别处于放大器的输入和输出位置,如图所示:

这样一来,电路的输出部分和输入部分就被隔离了,对我们作电路分析有很大帮助

知道这个定理之后,我们需要确定Z的两个等效阻抗的值,计算的思路是让通过等效阻抗的电流与通过原本阻抗的相同,具体步骤这里不详写,以Z1作为输入端阻抗,Z2作为输出端阻抗,结果如下
Z 1 = Z ( 1 1 − A V ) Z_1=Z(\frac{1}{1-A_V}) Z1=Z(1AV1)
Z 2 = − Z ( A V 1 − A V ) Z_2=-Z(\frac{A_V}{1-A_V}) Z2=Z(1AVAV)
注意,对于非逆变单位增益放大器(即理想缓冲区), A V = + 1 A_V=+1 AV=+1,两个阻抗都为无穷大

在之后的应用中,我们将通过密勒定理简化高频晶体管等效电路

2.3 双极型晶体管的高频模型

之前我们建立了高频环境下的晶体管等效电路,其中有两个元件 C μ , r μ C_\mu, r_\mu Cμ,rμ连接着输入和输出, r μ r_\mu rμ通常可以忽略,但密勒效应让我们无法忽视 C μ C_\mu Cμ,为此,我们在进一步建立等效电路时需要应用密勒定理来处理 C μ C_\mu Cμ,将其分解为两个电阻,结果如下:

可以看出,如果是一个高增益的逆变放大器, C 1 C_1 C1的值将比 C μ C_\mu Cμ大得多,而 C 2 C_2 C2则与 C μ C_\mu Cμ的值基本相同,同时,由于增益 A V A_V AV对两个电容的影响很大,晶体管将会很大程度上依赖所在电路的频率特性

3. 特征频率

因为电路中有很多电容,电感这类特性随频率变化的元件,信号频率将直接影响电路输入与输出之间的关系,频率响应指的就是正弦信号下不同频率与输出的对应关系。为了能够更好的表达这种关系,我们引入了截止频率 f β f_\beta 元器件数据手册IC替代型号,打造电子元器件IC百科大全!

相关文章