技術文章
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晶體管電路配置和 Spice
在最近的一篇文章中,，我們回顧了 Spice 電路模擬器的基礎知識,。大多數(shù)電路模擬都涉及晶體管,，無論是作為分立元件還是在集成電路中,。因此,，了解 Spice 如何建模晶體管的一些基礎知識很有用,。
晶體管可能有多種狀態(tài),，通常是飽和,、截止,、激活和反向,。晶體管有一個工作點或靜態(tài)點，由直流偏置定義,。只要工作點在特定工作區(qū)域內(nèi),，晶體管就會按照該特定狀態(tài)定義的方式運行。但如果工作點跨越到另一個區(qū)域,，晶體管的工作方式就會發(fā)生變化,。
開發(fā)晶體管模型是為了定義這些區(qū)域的范圍，并選擇最佳或最優(yōu)工作點或靜態(tài)（Q）點,，并圍繞該點維持操作,。
通常，晶體管有兩類模型,。大信號模型用于根據(jù)晶體管的配置確定其直流偏置,。例如，雙極結型晶體管 (BJT) 有三種共模配置：
在共發(fā)射極中,，直流電流從集電極流向發(fā)射極,，從基極流向發(fā)射極。交流信號施加到基極,，輸出從集電極獲取,。在共基極電路中，直流電流從集電極流向發(fā)射極,，從集電極流向基極,。交流信號輸入施加到發(fā)射極，輸出從集電極獲取,。在共集電極電路中,，直流電流從基極流向集電極，從集電極流向發(fā)射極,。交流信號輸入施加到基極,，輸出從發(fā)射極獲取,。
共發(fā)射極是三種基本配置中最常用的一種,。它的一個重要特性是,，它會將輸出相對于輸入進行反相，如果反相級數(shù)為偶數(shù),，則不會產(chǎn)生這種效果,。
共射極電路存在兩個常見問題，這兩個問題都可以通過適當?shù)碾娐吩O計來緩解,。一個困難是,，在共射極配置中，放大器可能具有高增益,，而由于制造差異,、溫度和偏置電流，增益往往不可預測,。自動增益可以處理這些差異,，但與此同時，共射極配置中的晶體管可能會進入截止或振蕩狀態(tài),，并且輸出可能會出現(xiàn)削波,。
其他困難包括低輸入動態(tài)范圍和高失真。然而,，這些問題可以通過發(fā)射極退化來解決,，通過在發(fā)射極和公共信號源之間放置一個電阻器來故意實現(xiàn)，該電阻器通常接地或連接到其中一個電源軌,。（通過削減增益來增強穩(wěn)定性是一種常見的做法,。）
由于米勒效應，共射極放大器通常表現(xiàn)出較低的帶寬,，這適用于反相放大器,。任何寄生基極-集電極電容都會表現(xiàn)為基極和地之間的較高電容。米勒效應也可以通過使用發(fā)射極退化來最小化,。另一個策略是降低連接到基極的信號源的輸出阻抗,。
共發(fā)射極經(jīng)常用作無線電通信中的低噪聲放大器，例如電視和互聯(lián)網(wǎng)接入衛(wèi)星天線,、醫(yī)療儀器和電子測試設備,，這些設備通常必須在本底噪聲附近工作。
共集電極 配置也稱為射極跟隨器,。它通常用作電壓緩沖器,。在此，基極連接到輸入,，而射極通過接地或連接到電源軌之一連接到輸出,。
射極跟隨器的名稱源于電路的輸出來自射極電阻的事實,。因此，該器件的常見應用是作為阻抗匹配電路,，因為它的輸入阻抗高于其輸出阻抗,。與邏輯門結合，它廣泛用于數(shù)字電路,。
由于射極跟隨器的電壓增益大約比基極低 0.6 V,，因此共集電極晶體管被視為射極跟隨器。它用于電流增益和阻抗匹配,，而不是傳統(tǒng)的電壓增益,。與共射極電路一樣，輸入阻抗明顯超過輸出阻抗,。
共基極 配置經(jīng)常用作電流緩沖器或電壓放大器,。電路輸入饋送到發(fā)射極端子，集電極為輸出,。由于基極接地,，因此輸入和輸出共用基極配置。與其他兩種配置相比,，共基極配置使用較少,，因為它的輸入阻抗低，輸出阻抗高,，這通常是不受歡迎的,。然而，它在高頻應用中很常見,，因為基極將輸入和輸出分開,，最大限度地減少了振蕩。
在共基極配置中,，發(fā)射極和集電極之間沒有相位反轉,，因此輸入和輸出波形同相，放大器為非反相,。共基極放大器應用有限的一個原因是其輸入阻抗低,。共基極輸出可能很高，因此它被稱為電流緩沖器或電流跟隨器,。通常,，共基極放大器的電流增益 (alpha) 接近 1。但是,，電壓增益可以在 100 到 2,000 之間,。這完全取決于偏置電阻。
一旦確定了大信號模型,，就可以使用小信號模型,。當將小信號施加到晶體管時,，它會根據(jù)施加信號的幅度，沿著 IV 特性曲線將工作點移離偏置點,。電路通常設置為這種與直流工作點的偏差會使晶體管改變其工作模式,，例如從有源區(qū)進入截止區(qū)。
小信號模型通常是雙端口結構,，通常由 H 參數(shù),、混合 pi 模型或 T 模型組成,。H（或混合）參數(shù)使用 Z（或阻抗/開路）參數(shù),、Y（導納/短路）參數(shù)、電壓比和電流比來表示雙端口網(wǎng)絡中電壓和電流之間的關系,。H 參數(shù)有助于描述難以測量 Z 或 Y 參數(shù)的電路（例如晶體管）的輸入輸出質量,。混合 pi（也稱為 Giacoletto）模型使用小信號基極-發(fā)射極電壓和集電極-發(fā)射極電壓作為獨立變量,，小信號基極電流和集電極電流作為因變量來表示 BJT,。T 或傳輸模型使用與混合 pi 模型類似的關系，但通常排列方式不同,。通過使用矩陣代數(shù)運算,，通常可以直接將一種類型參數(shù)轉換為另一種類型參數(shù),。
包含寄生元件的典型功率 MOSFET 模型,。電感通常由封裝的引線接合引起。寄生電容通常由半導體本身的幾何特征引起,。
晶體管的大信號和小信號分析都需要選擇模型,、指定已知或固定值，以及用數(shù)學方法求解未知參數(shù)的方程,。然而,，現(xiàn)代電路通常以足夠高的速度運行，因此需要考慮寄生電路元件,。正確的 Spice 程序可以通過包括內(nèi)部電容,、電阻、增益變化等來提高晶體管模型的準確性,。
但問題是,，寄生元件可能沒有得到很好的定義，特別是對于最先進的晶體管,，例如 GaN 或 SiC 功率器件,，在高速切換時更是如此。例如,，功率器件中的寄生電感通常主要是由半導體本身與其封裝之間的引線鍵合引起的,。器件制造商繼續(xù)嘗試各種封裝選項以減少此類寄生效應,，但由于這項工作仍在進行中，Spice 中的寄生模型可能無法反映實際器件中的值,。因此,，可能需要進行大量實驗才能準確表征現(xiàn)代半導體的寄生特性。
晶體管可能有多種狀態(tài),，通常是飽和,、截止,、激活和反向,。晶體管有一個工作點或靜態(tài)點，由直流偏置定義,。只要工作點在特定工作區(qū)域內(nèi),，晶體管就會按照該特定狀態(tài)定義的方式運行。但如果工作點跨越到另一個區(qū)域,，晶體管的工作方式就會發(fā)生變化,。
開發(fā)晶體管模型是為了定義這些區(qū)域的范圍，并選擇最佳或最優(yōu)工作點或靜態(tài)（Q）點,，并圍繞該點維持操作,。
通常，晶體管有兩類模型,。大信號模型用于根據(jù)晶體管的配置確定其直流偏置,。例如，雙極結型晶體管 (BJT) 有三種共模配置：
在共發(fā)射極中,，直流電流從集電極流向發(fā)射極,，從基極流向發(fā)射極。交流信號施加到基極,，輸出從集電極獲取,。在共基極電路中，直流電流從集電極流向發(fā)射極,，從集電極流向基極,。交流信號輸入施加到發(fā)射極，輸出從集電極獲取,。在共集電極電路中,，直流電流從基極流向集電極，從集電極流向發(fā)射極,。交流信號輸入施加到基極,，輸出從發(fā)射極獲取,。
共發(fā)射極是三種基本配置中最常用的一種,。它的一個重要特性是,，它會將輸出相對于輸入進行反相，如果反相級數(shù)為偶數(shù),，則不會產(chǎn)生這種效果,。
共射極電路存在兩個常見問題，這兩個問題都可以通過適當?shù)碾娐吩O計來緩解,。一個困難是,，在共射極配置中，放大器可能具有高增益,，而由于制造差異,、溫度和偏置電流，增益往往不可預測,。自動增益可以處理這些差異,，但與此同時，共射極配置中的晶體管可能會進入截止或振蕩狀態(tài),，并且輸出可能會出現(xiàn)削波,。
其他困難包括低輸入動態(tài)范圍和高失真。然而,，這些問題可以通過發(fā)射極退化來解決,，通過在發(fā)射極和公共信號源之間放置一個電阻器來故意實現(xiàn)，該電阻器通常接地或連接到其中一個電源軌,。（通過削減增益來增強穩(wěn)定性是一種常見的做法,。）
由于米勒效應，共射極放大器通常表現(xiàn)出較低的帶寬,，這適用于反相放大器,。任何寄生基極-集電極電容都會表現(xiàn)為基極和地之間的較高電容。米勒效應也可以通過使用發(fā)射極退化來最小化,。另一個策略是降低連接到基極的信號源的輸出阻抗,。
共發(fā)射極經(jīng)常用作無線電通信中的低噪聲放大器，例如電視和互聯(lián)網(wǎng)接入衛(wèi)星天線,、醫(yī)療儀器和電子測試設備,，這些設備通常必須在本底噪聲附近工作。
共集電極 配置也稱為射極跟隨器,。它通常用作電壓緩沖器,。在此，基極連接到輸入,，而射極通過接地或連接到電源軌之一連接到輸出,。
射極跟隨器的名稱源于電路的輸出來自射極電阻的事實,。因此，該器件的常見應用是作為阻抗匹配電路,，因為它的輸入阻抗高于其輸出阻抗,。與邏輯門結合，它廣泛用于數(shù)字電路,。
由于射極跟隨器的電壓增益大約比基極低 0.6 V,，因此共集電極晶體管被視為射極跟隨器。它用于電流增益和阻抗匹配,，而不是傳統(tǒng)的電壓增益,。與共射極電路一樣，輸入阻抗明顯超過輸出阻抗,。
共基極 配置經(jīng)常用作電流緩沖器或電壓放大器,。電路輸入饋送到發(fā)射極端子，集電極為輸出,。由于基極接地,，因此輸入和輸出共用基極配置。與其他兩種配置相比,，共基極配置使用較少,，因為它的輸入阻抗低，輸出阻抗高,，這通常是不受歡迎的,。然而，它在高頻應用中很常見,，因為基極將輸入和輸出分開,，最大限度地減少了振蕩。
在共基極配置中,，發(fā)射極和集電極之間沒有相位反轉,，因此輸入和輸出波形同相，放大器為非反相,。共基極放大器應用有限的一個原因是其輸入阻抗低,。共基極輸出可能很高，因此它被稱為電流緩沖器或電流跟隨器,。通常,，共基極放大器的電流增益 (alpha) 接近 1。但是,，電壓增益可以在 100 到 2,000 之間,。這完全取決于偏置電阻。
一旦確定了大信號模型,，就可以使用小信號模型,。當將小信號施加到晶體管時,，它會根據(jù)施加信號的幅度，沿著 IV 特性曲線將工作點移離偏置點,。電路通常設置為這種與直流工作點的偏差會使晶體管改變其工作模式,，例如從有源區(qū)進入截止區(qū)。
小信號模型通常是雙端口結構,，通常由 H 參數(shù),、混合 pi 模型或 T 模型組成,。H（或混合）參數(shù)使用 Z（或阻抗/開路）參數(shù),、Y（導納/短路）參數(shù)、電壓比和電流比來表示雙端口網(wǎng)絡中電壓和電流之間的關系,。H 參數(shù)有助于描述難以測量 Z 或 Y 參數(shù)的電路（例如晶體管）的輸入輸出質量,。混合 pi（也稱為 Giacoletto）模型使用小信號基極-發(fā)射極電壓和集電極-發(fā)射極電壓作為獨立變量,，小信號基極電流和集電極電流作為因變量來表示 BJT,。T 或傳輸模型使用與混合 pi 模型類似的關系，但通常排列方式不同,。通過使用矩陣代數(shù)運算,，通常可以直接將一種類型參數(shù)轉換為另一種類型參數(shù),。
包含寄生元件的典型功率 MOSFET 模型,。電感通常由封裝的引線接合引起。寄生電容通常由半導體本身的幾何特征引起,。
晶體管的大信號和小信號分析都需要選擇模型,、指定已知或固定值，以及用數(shù)學方法求解未知參數(shù)的方程,。然而,，現(xiàn)代電路通常以足夠高的速度運行，因此需要考慮寄生電路元件,。正確的 Spice 程序可以通過包括內(nèi)部電容,、電阻、增益變化等來提高晶體管模型的準確性,。
但問題是,，寄生元件可能沒有得到很好的定義，特別是對于最先進的晶體管,，例如 GaN 或 SiC 功率器件,，在高速切換時更是如此。例如,，功率器件中的寄生電感通常主要是由半導體本身與其封裝之間的引線鍵合引起的,。器件制造商繼續(xù)嘗試各種封裝選項以減少此類寄生效應,，但由于這項工作仍在進行中，Spice 中的寄生模型可能無法反映實際器件中的值,。因此,，可能需要進行大量實驗才能準確表征現(xiàn)代半導體的寄生特性。
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