固態(tài)電子器件等效電路

M.S.Ghausi,Electronic Circuits:Devices, Models,Functions, Analysis, and　Design,Van　Nostrand Reinho Co.,New York,1971.

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單電路模型。這些電路元件可以是無源電子元件，也可以是受控電流源或受控電壓源(見電路)。盡管這類等效電路只能近似地反映這類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：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。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)（見網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌﹣肀硎?。信?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。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)與工作頻率無關(guān)。 ?、俟不鶚OT型高頻等效電路：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/匇時(shí)的頻率稱為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)。 ?、诠舶l(fā)射極混合π型高頻等效電路: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，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)。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)開路飽和電流，是集電結(jié)開路飽和電流。 　場(chǎng)效應(yīng)晶體管交流小信號(hào)等效電路 　N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管低頻小信號(hào)等效電路。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。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。

在我們進(jìn)行電路計(jì)算時(shí),是將運(yùn)放作為一個(gè)完整的獨(dú)立器件來對(duì)待的.因此在計(jì)算時(shí)常常是用一個(gè)等效

電路來代替各種型號(hào)的運(yùn)放.(當(dāng)然由于各種運(yùn)放的性能不同,反映在等效電路中的參數(shù)不同).由于運(yùn)放大多

用于頻率不很高的場(chǎng)合,所以我們給出低頻時(shí)的等效電路,如圖所示.

因?yàn)檫\(yùn)放的信號(hào)輸入端有兩個(gè),輸出端是一個(gè),故在圖中只畫出了這三端.用一個(gè)三角形表示運(yùn)放.兩個(gè)輸

入端中,標(biāo)" "的為同相輸入端;標(biāo)"-"的為反相輸入端.輸入回路中既考慮了IIB,也考慮了IIO;同時(shí)也考慮了

UIO及差模輸入電阻rid.在rid上的電壓就是差模電壓UId.從輸出端看進(jìn)去是考慮差模放大倍數(shù)的等效電壓源

Aod*UId和考慮共模放大倍數(shù)的等效電壓源Aoc*(U U-)/2及輸出電阻ro(U 和U-分別表示同相端和反相端的

電壓).

當(dāng)我們只討論信號(hào)的放大時(shí)(即不討論IIB,IIO及UIO的影響),輸入回路中可以只留下rid;由于Aoc<

所以常將Aoc的影響忽略.這樣得到一個(gè)簡化運(yùn)放等效電路,如圖所示.今后常用如圖所示的符號(hào)來代表運(yùn)放.

為簡便起見,電源,調(diào)零端和為消除自激振蕩而設(shè)的外接補(bǔ)償電容端均予省略,在有必要時(shí)再畫出.