技術(shù)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(chǔ)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(chǔ)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(gè)工作點(diǎn)或靜態(tài)點(diǎn)，由直流偏置定義。只要工作點(diǎn)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(yùn)行。但如果工作點(diǎn)跨越到另一個(gè)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(diǎn)或靜態(tài)（Q）點(diǎn)，并圍繞該點(diǎn)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(jié)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(gè)重要特性是，它會將輸出相對于輸入進(jìn)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(gè)常見問題，這兩個(gè)問題都可以通過適當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)來緩解。一個(gè)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(yù)測。自動增益可以處理這些差異，但與此同時(shí)，共射極配置中的晶體管可能會進(jìn)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(gè)電阻器來故意實(shí)現(xiàn)，該電阻器通常接地或連接到其中一個(gè)電源軌。（通過削減增益來增強(qiáng)穩(wěn)定性是一種常見的做法。）
由于米勒效應(yīng)，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(yīng)也可以通過使用發(fā)射極退化來最小化。另一個(gè)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(shè)備，這些設(shè)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(shí)。因此，該器件的常見應(yīng)用是作為阻抗匹配電路，因?yàn)樗妮斎胱杩垢哂谄漭敵鲎杩埂Ｅc邏輯門結(jié)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?yàn)樗妮斎胱杩沟停敵鲎杩垢撸@通常是不受歡迎的。然而，它在高頻應(yīng)用中很常見，因?yàn)榛鶚O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(zhuǎn)，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(yīng)用有限的一個(gè)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(dāng)將小信號施加到晶體管時(shí)，它會根據(jù)施加信號的幅度，沿著 IV 特性曲線將工作點(diǎn)移離偏置點(diǎn)。電路通常設(shè)置為這種與直流工作點(diǎn)的偏差會使晶體管改變其工作模式，例如從有源區(qū)進(jìn)入截止區(qū)。
小信號模型通常是雙端口結(jié)構(gòu)，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(dǎo)納/短路）參數(shù)、電壓比和電流比來表示雙端口網(wǎng)絡(luò)中電壓和電流之間的關(guān)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(zhì)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(dú)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(guān)系，但通常排列方式不同。通過使用矩陣代數(shù)運(yùn)算，通常可以直接將一種類型參數(shù)轉(zhuǎn)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(dǎo)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(xué)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(yùn)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(zhǔn)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(jìn)的晶體管，例如 GaN 或 SiC 功率器件，在高速切換時(shí)更是如此。例如，功率器件中的寄生電感通常主要是由半導(dǎo)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(xiàng)以減少此類寄生效應(yīng)，但由于這項(xiàng)工作仍在進(jìn)行中，Spice 中的寄生模型可能無法反映實(shí)際器件中的值。因此，可能需要進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)才能準(zhǔn)確表征現(xiàn)代半導(dǎo)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(gè)工作點(diǎn)或靜態(tài)點(diǎn)，由直流偏置定義。只要工作點(diǎn)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(yùn)行。但如果工作點(diǎn)跨越到另一個(gè)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(diǎn)或靜態(tài)（Q）點(diǎn)，并圍繞該點(diǎn)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(jié)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(gè)重要特性是，它會將輸出相對于輸入進(jìn)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(gè)常見問題，這兩個(gè)問題都可以通過適當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)來緩解。一個(gè)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(yù)測。自動增益可以處理這些差異，但與此同時(shí)，共射極配置中的晶體管可能會進(jìn)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(gè)電阻器來故意實(shí)現(xiàn)，該電阻器通常接地或連接到其中一個(gè)電源軌。（通過削減增益來增強(qiáng)穩(wěn)定性是一種常見的做法。）
由于米勒效應(yīng)，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(yīng)也可以通過使用發(fā)射極退化來最小化。另一個(gè)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(shè)備，這些設(shè)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(shí)。因此，該器件的常見應(yīng)用是作為阻抗匹配電路，因?yàn)樗妮斎胱杩垢哂谄漭敵鲎杩埂Ｅc邏輯門結(jié)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?yàn)樗妮斎胱杩沟停敵鲎杩垢撸@通常是不受歡迎的。然而，它在高頻應(yīng)用中很常見，因?yàn)榛鶚O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(zhuǎn)，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(yīng)用有限的一個(gè)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(dāng)將小信號施加到晶體管時(shí)，它會根據(jù)施加信號的幅度，沿著 IV 特性曲線將工作點(diǎn)移離偏置點(diǎn)。電路通常設(shè)置為這種與直流工作點(diǎn)的偏差會使晶體管改變其工作模式，例如從有源區(qū)進(jìn)入截止區(qū)。
小信號模型通常是雙端口結(jié)構(gòu)，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(dǎo)納/短路）參數(shù)、電壓比和電流比來表示雙端口網(wǎng)絡(luò)中電壓和電流之間的關(guān)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(zhì)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(dú)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(guān)系，但通常排列方式不同。通過使用矩陣代數(shù)運(yùn)算，通常可以直接將一種類型參數(shù)轉(zhuǎn)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(dǎo)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(xué)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(yùn)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(zhǔn)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(jìn)的晶體管，例如 GaN 或 SiC 功率器件，在高速切換時(shí)更是如此。例如，功率器件中的寄生電感通常主要是由半導(dǎo)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(xiàng)以減少此類寄生效應(yīng)，但由于這項(xiàng)工作仍在進(jìn)行中，Spice 中的寄生模型可能無法反映實(shí)際器件中的值。因此，可能需要進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)才能準(zhǔn)確表征現(xiàn)代半導(dǎo)體的寄生特性。
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