晶体管高频小信号等效电路与参数.ppt

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1、封面,晶体管高频小信号等效电路与参数,西藏圣湖玛旁雍错湖畔牧场,返回,引言,本页完,引言,晶体管在高频小信号运用时，它的等效电路主要有两种形式：形式等效电路和物理模拟等效电路（混合参数等效电路）。,返回,形式等效电路通常亦称为y参数等效电路，是选取输入电压和输出电压为自变量，输入电流和输出电流为参变量，阻抗利用导纳参数（y参数），并且不涉及晶体管内部物理过程。物理模拟等效电路通常称为混合等效电路，是把晶体管内部物理过程用集中元件RLC表示，用物理模拟方法表示等效电路。这在模拟电子技术中曾提及。,学习要点,本 节 学 习 要 点 和 要 求,晶体管高频小信号等效电路与参数,掌握y参数等效电路各量

2、意义和等效画法,复习混合等效电路,掌握以上两种电路参数的互换,了解晶体管的部分高频参数,返回,主页,晶体管高频小信号等效电路与参数,使用说明：要学习哪部分内容，只需把鼠标移到相应的目录上单击鼠标左键即可，按空格键或鼠标左键进入下一页。,结束,晶体管混合等效电路,等效y参数电路,参数与y参数的转换,晶体管的高频参数,圣湖旁色拉寺佛塔,返回,一、晶体管混合等效电路(1)晶体管混合等效模型,晶体管结构示意图,继续,本页完,一、晶体管混合等效电路,rbb,rbe,Cbe,c,e,b,b,rc为集电区体电阻，数值很小可忽略。,集电结电容，数值很小。,(C),Cbc,rbc为集电结电阻。,rbb为基区体电

3、阻。,rbe为发射结电阻。,re为发射区体电阻，数值很小可忽略。,发射结电容，数值很小。,(C),rbc,晶体管h参数模型,当电路工作在高频信号时，晶体管的等效模型必须考虑极间电容效应，晶体管高频状态下的等效模型称为混合参数模型，以下借助h参数模型得出参数模型。,晶体管h参数模型只适用于电路工作在中频和低频信号的状态下。,rbb 和rbe 的串联值就是 h 参数等效电路中的晶体管输入电阻rbe。,晶体管高频小信号等效电路与参数,(1)晶体管混合等效模型,晶体管的h参数等效电路,(1)晶体管混合等效模型,晶体管高频小信号等效电路与参数,因为有rbc的分流作用，此时受控电流源不受Ib 控制而受Ib

4、 控制，分析起来不大方便，所以也改写为受Ube 控制，成为压控电流源，控制能力也由改为跨导gm。,继续,本页完,晶体管结构示意图,借鉴 h 参数绘出等效电路,考虑到集电结电阻rbc横跨cb间，亦把此电阻画在图上。,rbc,rbb,rbe,Cbe,c,e,b,b,(C),Cbc,(C),rbc,一、晶体管混合等效电路,考虑跨导的h参数等效电路,晶体管高频小信号等效电路与参数,因为有rbc的分流作用，此时受控电流源不受Ib 控制而受Ib 控制，分析起来不大方便，所以也改写为受Ube 控制，成为压控电流源，控制能力也由改为跨导gm。,(1)晶体管混合等效模型,继续,本页完,晶体管结构示意图,借鉴 h

5、 参数绘出等效电路,考虑到集电结电阻rbc横跨cb间，亦把此电阻画在图上。,rbb,rbe,Cbe,c,e,b,b,(C),Cbc,(C),rbc,rbc,一、晶体管混合等效电路,(1)晶体管混合等效模型,考虑极间电容后的混合模型,C横跨在集电结电阻rbc两端。,继续,本页完,这个电路就是晶体管混合模型。,晶体管结构示意图,借鉴 h 参数绘出等效电路,C,C横跨在发射结电阻rbe两端。,rbb,rbe,Cbe,c,e,b,b,(C),Cbc,(C),rbc,rbc,一、晶体管混合等效电路,晶体管高频小信号等效电路与参数,(2)晶体管简化的混合等效模型,继续,本页完,由h参数等效电路知，rce非

6、常大，对Ic的分流作用很小，可忽略。,(2)晶体管简化的混合等效模型,晶体管完整的混合模型,rbc是集电结反偏时的电阻，其阻抗远大于C的容抗，亦可看成开路忽略其作用。,简化后晶体管的混合模型,一、晶体管混合等效电路,晶体管高频小信号等效电路与参数,(1)晶体管混合等效模型,(2)晶体管简化的混合等效模型,(1)晶体管混合等效模型,一、晶体管混合等效电路,用密勒转换把C拆分为C和C,继续,本页完,采用密勒转换把C拆分为两个电容C和C，分别与输入和输出回路并接。(推导过程可参考童诗白编模拟电子技术基础P214。),简化后晶体管的混合模型,C,C,这两个等效电容可以通过密勒定理算出。,本等效电路由于

7、C横跨在输入和输出之间，令输入与输出相互牵连，使得对电路的分析变得十分复杂，应想法把晶体管的输入和输出回路相互独立，以便分析。,e,e,晶体管高频小信号等效电路与参数,(2)晶体管简化的混合等效模型,(1)晶体管混合等效模型,晶体管高频小信号等效电路与参数,一、晶体管混合等效电路,C和C与C的关系,继续,简化后晶体管的混合模型,C,C,晶体管单向化后的混合模型,本页完,C,本等效电路由于C横跨在输入和输出之间，令输入与输出相互牵连，使得对电路的分析变得十分复杂，应想法把晶体管的输入和输出回路相互独立，以便分析。,e,e,e,e,(2)晶体管简化的混合等效模型,(1)晶体管混合等效模型,晶体管高

8、频小信号等效电路与参数,一、晶体管混合等效电路,对C作用的分析,继续,C,C,晶体管单向化后的混合模型,本页完,晶体管单向化简化后的混合模型,通过对晶体管的混合模型简化后发现，其等效电路与h参数等效电路相比较只是多了一个电容C，C对输入信号的低频成分呈很大的容抗，可忽略；但C对输入信号的高频成分呈很小的容抗，起到分流作用，使得晶体管的放大能力有所下降。这就是我们在高频时要考虑的因素。,e,e,输入信号的高频成份被电容C分流，令晶体管对高频的放大能力下降。,C,(3)混合模型的主要参数 1、rbb 2、rbe,继续,晶体管单向化后的混合模型,本页完,1、基区电阻rbb,(3)混合模型的主要参数,

9、基区电阻rbb与 h 参数电路一样，可查手册。,2、发射结电阻rbe,这也和 h 参数电路一样。,其中0是中频时晶体管的值。,晶体管单向化简化后的混合模型,e,e,e,e,晶体管高频小信号等效电路与参数,(3)混合模型的主要参数,晶体管高频小信号等效电路与参数,3、gm,继续,晶体管单向化后的混合模型,本页完,3、跨导gm,联立以上三式解得,晶体管单向化简化后的混合模型,e,e,e,e,跨导gm是晶体管工作在高频时放大能力的参数，以下推导gm的表达式。,其中0是中频时晶体管的值。,总结,继续,晶体管单向化后的混合模型,本页完,3、跨导gm,1、基区电阻rbb 查表,2、发射结电阻rbe(或rb

10、e),晶体管单向化简化后的混合模型,e,e,e,e,晶体管高频小信号等效电路与参数,(3)混合模型的主要参数,(3)混合模型的主要参数,晶体管高频小信号等效电路与参数,晶体管混合等效电路结束页,继续,晶体管单向化后的混合模型,本页完,晶体管单向化简化后的混合模型,3、跨导gm,1、基区电阻rbb 查表,2、发射结电阻rbe(或rbe),e,e,继续,返回,e,e,二、y参数等效电路(1)晶体管y参数等效电路,晶体管高频小信号等效电路与参数,继续,本页完,二、y参数等效电路,(1)晶体管y参数等效电路,yi晶体管的输入导纳（输入电阻的倒数）。,yi,yo,yo晶体管的输出导纳（输出电阻的倒数）。

11、,yi的意义 yr的意义,晶体管高频小信号等效电路与参数,继续,本页完,二、y参数等效电路,yi输出短路时的输入导纳,yr输入短路时的反向传输导纳,(1)晶体管y参数等效电路,yi,yo,yf的意义 yo的意义,晶体管高频小信号等效电路与参数,继续,本页完,二、y参数等效电路,yi输出短路时的输入导纳,yr输入短路时的反向传输导纳,(1)晶体管y参数等效电路,yf输出短路时的正向传输导纳,yo输入短路时的输出导纳,yi,yo,(2)共射放大器的y参数等效电路,继续,本页完,二、y参数等效电路,(1)晶体管y参数等效电路,晶体管高频小信号等效电路与参数,(2)共射放大器的y参数等效电路,放大电路

12、的y参数等效电路,yoe,由y参数等效电路可得,I1=yieV1+yreV2,I2=yfeV1+yoeV2,I2=-YLV2,各导纳中下标e表示是共射组态下的导纳。,(1),(2),(3),通过这三个式子可以求出放大电路的输入导纳（输入阻抗）、输出导纳（输出阻抗）和电压增益。,(3)共射电路的输入导纳Yi,继续,本页完,二、y参数等效电路,(1)晶体管y参数等效电路,晶体管高频小信号等效电路与参数,(2)共射放大器的y参数等效电路,放大电路的y参数等效电路,yoe,由y参数等效电路可得,(3)共射电路的输入导纳Yi,Yi,Yi的推导思路和过程：,把上式代入(1)式得,由结果可知，输入导纳Yi与

13、负载YL有关，这反映了晶体管的内部反馈，而这个反馈是由反向传输导纳yre所引起的。,通过这三个式子找出I1/V1。,I1=yieV1+yreV2,I2=yfeV1+yoeV2,I2=-YLV2,(1),(2),(3),继续,二、y参数等效电路,晶体管高频小信号等效电路与参数,放大电路的y参数等效电路,yoe,由y参数等效电路可得,(3)共射电路的输入导纳Yi,Yi,I1=yieV1+yreV2,I2=yfeV1+yoeV2,I2=-YLV2,(1),(2),(3),(4)共射放大器的输了导纳Yo,继续,本页完,二、y参数等效电路,晶体管高频小信号等效电路与参数,放大电路的y参数等效电路,yoe

14、,-,+,V2,IS,YS,YL,由y参数等效电路可得,(3)共射电路的输入导纳Yi,Yi,Yo推导思路和过程：,(4)共射电路的输出导纳Yo,Yo,断开电流源,由结果可知，输出导纳Yo与信号源导纳YS有关，这也反映了晶体管的内部反馈，而这个反馈仍是由反向传输导纳yre所引起的。,仍通过这三个式子找出I2/V2。,由于有yre的存在，所以V2通过反馈仍在输入回路产生电流。,I1=yieV1+yreV2,I2=yfeV1+yoeV2,I2=-YLV2,(1),(2),(3),(5)共射放大器的电压增益Au,继续,本页完,二、y参数等效电路,晶体管高频小信号等效电路与参数,放大电路的y参数等效电路

15、,yoe,-,+,V2,IS,YS,YL,由y参数等效电路可得,Yi,Au推导：,Yo,如果上式中的y参数全是实数，则说明电路的输出电压与输入电压反相，这就是低频放大器中的结果。,I1=yieV1+yreV2,I2=yfeV1+yoeV2,I2=-YLV2,(1),(2),(3),总结,继续,本页完,晶体管高频小信号等效电路与参数,放大电路的y参数等效电路,yoe,-,+,V2,IS,YS,YL,Yi,Yo,共射电路的输入导纳,共射电路的输出导纳,共射电路的电压增益,Y参数等效电路结束页,继续,本页完,晶体管高频小信号等效电路与参数,放大电路的y参数等效电路,yoe,-,+,V2,IS,YS,

16、YL,Yi,Yo,继续,返回,共射电路的输入导纳,共射电路的输出导纳,共射电路的电压增益,三、参数与y参数的转换(1)晶体管y参数等效电路的电流方程,晶体管高频小信号等效电路与参数,继续,本页完,三、参数与y参数的转换,(1)晶体管y参数等效电路的电流方程,输入回路电流方程。,输出回路电流方程。,y参数电流方程,Ib=yieVb+yreVc,Ic=yfeVb+yoeVc,(2)晶体管参数等效电路的电流方程 输入回路电流方程,晶体管高频小信号等效电路与参数,继续,本页完,三、参数与y参数的转换,(2)晶体管等效电路的电流方程,y参数电流方程,本支路电流表达式,；,本支路电流表达式,ybe,ybc

17、,；,输入回路的电流节点方程为,(4.2.14),Ib=yieVb+yreVc,Ic=yfeVb+yoeVc,联立此四式可得：,晶体管高频小信号等效电路与参数,继续,三、参数与y参数的转换,(2)晶体管等效电路的电流方程,y参数电流方程,ybe,ybc,(4.2.14),Ib=yieVb+yreVc,Ic=yfeVb+yoeVc,输出回路电流方程推导(4.2.13)(4.2.14)(4.2.15)式推导,晶体管高频小信号等效电路与参数,继续,本页完,三、参数与y参数的转换,(2)晶体管等效电路的电流方程,y参数电流方程,ybe,ybc,(4.2.13),(4.2.15),研究输出回路电流方程,

18、整理此式得(4.2.15)式,Ib=yieVb+yreVc,Ic=yfeVb+yoeVc,式中导纳表达式,晶体管高频小信号等效电路与参数,继续,本页完,三、参数与y参数的转换,(2)晶体管等效电路的电流方程,y参数电流方程,ybe,ybc,(4.2.13),(4.2.15),其中 ybc=gbc+jCbc,ybe=gbe+jCbec,Ib=yieVb+yreVc,Ic=yfeVb+yoeVc,输出回路电流方程,晶体管高频小信号等效电路与参数,继续,本页完,三、参数与y参数的转换,(2)晶体管等效电路的电流方程,y参数电流方程,(4.2.13),(4.2.15),其中 ybc=gbc+jCbc,

19、晶体管等效电路一般符合以下条件gm|ybe|ybc|gcegbc,ybe=gbe+jCbec,Ib=yieVb+yreVc,Ic=yfeVb+yoeVc,晶体管高频小信号等效电路与参数,继续,三、参数与y参数的转换,(2)晶体管等效电路的电流方程,y参数电流方程,其中 ybc=gbc+jCbc,ybe=gbe+jCbec,Ib=yieVb+yreVc,Ic=yfeVb+yoeVc,(3)参数与y参数的关系（重复）,晶体管高频小信号等效电路与参数,继续,本页完,三、参数与y参数的转换,(3)参数与y参数的关系,y参数电流方程,其中 ybc=gbc+jCbc,对比晶体管等效电路电流方程和y参数电流

20、方程可得y参数与参数间的关系,；,；,再把参数导纳形式代入下四式得,ybe=gbe+jCbec,Ib=yieVb+yreVc,Ic=yfeVb+yoeVc,参数与y参数的表达式,晶体管高频小信号等效电路与参数,继续,本页完,三、参数与y参数的转换,y参数电流方程,每个等式的左边是y参数，等式右边是参数，四个y参数均是复数。,为方便计算，把每个等式写成标准的复数形式。,(3)参数与y参数的关系,Ib=yieVb+yreVc,Ic=yfeVb+yoeVc,参数与y参数的复数表达式,晶体管高频小信号等效电路与参数,继续,本页完,三、参数与y参数的转换,y参数电流方程,yie=gie+jCie,yre

21、=|yre|re,yfe=|yfe|fe,yoe=goe+jCoe,(3)参数与y参数的关系,Ib=yieVb+yreVc,Ic=yfeVb+yoeVc,参数与y参数的复数表达式（重复）,晶体管高频小信号等效电路与参数,继续,本页完,三、参数与y参数的转换,y参数电流方程,通过整理得,令a=1+rbbgbe；b=Cberbb,(3)参数与y参数的关系,Ib=yieVb+yreVc,Ic=yfeVb+yoeVc,；,；,参数与y参数的复数表达式（重复）,晶体管高频小信号等效电路与参数,继续,本页完,三、参数与y参数的转换,y参数电流方程,通过整理得,令a=1+rbbgbe；b=Cberbb,(3

22、)参数与y参数的关系,Ib=yieVb+yreVc,Ic=yfeVb+yoeVc,继续,返回,；,；,四、晶体管的高频参数(1)共发射极截止频率f,晶体管高频小信号等效电路与参数,四、晶体管的高频参数,(1)共发射极截止频率f,三极管的放大倍数和在一定频率范围内是不变的，但当频率增加到一定大小后，由于PN结电容的存在，将随着频率的升高而下降，频率参数就是表征电流放大倍数随频率而变化的参数。,继续,共发射极截止频率f：设三极管在低频时的共射电流放大倍数为0（此时为最大值），当工作频率升高至使三极管的 下降至0.7070 时所对应的工作频率，称为共发射极截止频率f。,本页完,f,f,0,|,0.7

23、07|0|,由曲线知，在较低频率段是不变，数值为0，但当频率高于某一数值后，开始下降。,|0|,这个频率f就称为共射极截止频率。在工程上一般认为此时三极管已经没有放大能力，所以三极管是不能在此频率的范围外工作的。,f表达式,晶体管高频小信号等效电路与参数,四、晶体管的高频参数,(1)共发射极截止频率f,继续,共发射极截止频率f：设三极管在低频时的共射电流放大倍数为0（此时为最大值），当工作频率升高至使三极管的 下降至0.7070 时所对应的工作频率，称为共发射极截止频率f。,本页完,f,f,O,|,0.707|0|,|0|,共射电流放大倍数与频率的关系为,因为 是相量，所以必须写成复变量形式，

24、其模(即电流放大倍数的数值)为,由此可绘出如右图所示的共射电流放大倍数随频率变化的曲线。,(2)特征频率fT,晶体管高频小信号等效电路与参数,四、晶体管的高频参数,(1)共发射极截止频率f,继续,本页完,(2)特征频率fT,当共射极电流放大倍数 下降到等于1 时所对应的频率，称为特征频率fT。,(3)共基极截止频率f,(3)共基极截止频率fhfb,继续,同理，共基截止频率f：设三极管在低频时的共基电流放大倍数为0（此时为最大值），当工作频率升高至使三极管的下降至0.7070 时所对应的工作频率，称为共基极截止频率f。,本页完,f,f,O,|,0.707|0|,|0|,共基极截止频率f远大于共发

25、射极截止频率fhfe，其关系式如下：,f=(1+)f,在正常情形下 1，所以有,f f,所以在高频段和宽频带的放大器中，多使用共基电路。,晶体管高频小信号等效电路与参数,四、晶体管的高频参数,(1)共发射极截止频率f,(2)特征频率fT,如在电视机的第一级与天线相连的高频接收器(俗称高频头)中，基本上都使用共基极电路。因为电视信号的频率都比较高。,(3)共基极截止频率f,(4)最高振荡频率fmac,继续,当晶体管的功率增益AP=1时工作频率称为最高振荡频率fmax。,fmax,fmax表示一个晶体管所能适用的最高极限频率。在此频率工作时，晶体管已得不到功率放大。当f fmax时，无论用什么方法

26、都不能使晶体管产生振荡。,晶体管高频小信号等效电路与参数,四、晶体管的高频参数,(1)共发射极截止频率f,(2)特征频率fT,(4)最高振荡频率fmax,1,为了使电路工作稳定且有一定的增益，晶体管的实际工作频率应等于最高振荡频率的1/31/4。,晶体管的fmax由下式决定,本页完,(3)共基极截止频率f,本节结束页,继续,当晶体管的功率增益AP=1时工作频率称为最高振荡频率fmax。,本页完,fmax,晶体管高频小信号等效电路与参数,四、晶体管的高频参数,(1)共发射极截止频率f,(2)特征频率fT,(4)最高振荡频率fmax,1,为了使电路工作稳定且有一定的增益，晶体管的实际工作频率应等于最高振荡频率的1/31/4。,晶体管的fmax由下式决定,结束,返回,fmax表示一个晶体管所能适用的最高极限频率。在此频率工作时，晶体管已得不到功率放大。当f fmax时，无论用什么方法都不能使晶体管产生振荡。,再见,再见,