固態電子器件等效電路是表征固態電子器件電特性的電路模型。常用的固態電子器件有晶體二極體、晶體三極體和場效應電晶體等。
基本介紹
- 中文名：固態電子器件等效電路
- 外文名：Solid state electronics equivalent circuit
- 本質：電路模型
- 例子：晶體二極體、晶體三極體
正文,
正文
表征固態電子器件電特性的電路模型。常用的固態電子器件有晶體二極體、晶體三極體和場效應電晶體等。它們與其他電子元件組合，構成功能不同的各類電路。為了分析這些電路，必須把固態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)。儘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，但在分析和設計電子電路時有著十分重要的作用。隨著積體電路和計算機輔助分析與設計方法的迅速發展，建立更加合理的固態電子器件的電路模型，越來越重要。
通常，按信號幅度的大小，可將固態電子器件等效電路分為兩類：小信號等效電路和大信號等效電路。 晶體二極體交流小信號等效電路 它的主要等效電路元件是並聯的交流電阻R和電容C(圖1)。R的定義是二極體端電壓的微小變化與電流微小變化之比。R值隨二極體的直流工作點而變。電容C由勢壘電容CT和擴散電容CD並聯而成。 電晶體交流小信號等效電路 h參數和y參數。在交流小信號下工作的電晶體，可以用線性元件組成的有源兩連線埠網路（見網路拓撲）來表示（圖2）。信號源為正弦信號源時，輸入、輸出參量是四個幅值變化很小的復量，即輸入電流i1、輸出電流i2、輸入電壓u1和輸出電壓u2。任取其中的兩個量為自變數，另兩個量為應變數，可以得到一組參數方程和相應的等效電路。每一組方程有四個參數。最為常用的是h和y 參數。表1列出了這兩種參數及其方程式。圖3是與之相對應的等效電路。 在表1所列的h參數中，h11和h22分別是輸入阻抗和輸出導納；h12u2和h21i1分別是受控電壓源和受控電流源，h12是反向電壓放大係數，h21是電流放大係數。這四個參數的量綱是混合的。在表1所列的y參數中,y11和y22分別是輸入導納和輸出導納，而y12和y21分別是反嚮導納和正嚮導納。
電晶體的伏安特性是非線性的。因此，h和y參數的幅值和相位均隨直流工作狀態而變，它們又是工作頻率和環境溫度的函式。
h參數常用來分析電晶體低頻放大器，這時,四個參數都是實數。y參數常用來分析電晶體高頻放大器。
高頻等效電路 根據電晶體內部載流子的流動規律，可以得到另外兩種適用於高頻段的等效電路，其特點是等效電路中元件的參數與工作頻率無關。 ①共基極T型高頻等效電路（圖4）：電阻re和r分別是發射結和集電結的正向交流電阻和反向交流電阻；rbb′是基區內某一點B′與基極B間的體積電阻;Ce和C分別是發射結和集電結的電容，各等於各自的勢壘電容和擴散電容之和。電流源α0ie中的α0稱為共基極低頻電流放大係數，它是在輸出交流短路時不計電晶體電容效應的集電極電流的微小變化量與發射極電流的微小變化量之比，α0的數值恆小於1,但非常接近於1。
在工作頻率為f時,計及Ce和C的共基極電流放大係數α可近似表示為
通常，按信號幅度的大小，可將固態電子器件等效電路分為兩類：小信號等效電路和大信號等效電路。 晶體二極體交流小信號等效電路 它的主要等效電路元件是並聯的交流電阻R和電容C(圖1)。R的定義是二極體端電壓的微小變化與電流微小變化之比。R值隨二極體的直流工作點而變。電容C由勢壘電容CT和擴散電容CD並聯而成。 電晶體交流小信號等效電路 h參數和y參數。在交流小信號下工作的電晶體，可以用線性元件組成的有源兩連線埠網路（見網路拓撲）來表示（圖2）。信號源為正弦信號源時，輸入、輸出參量是四個幅值變化很小的復量，即輸入電流i1、輸出電流i2、輸入電壓u1和輸出電壓u2。任取其中的兩個量為自變數，另兩個量為應變數，可以得到一組參數方程和相應的等效電路。每一組方程有四個參數。最為常用的是h和y 參數。表1列出了這兩種參數及其方程式。圖3是與之相對應的等效電路。 在表1所列的h參數中，h11和h22分別是輸入阻抗和輸出導納；h12u2和h21i1分別是受控電壓源和受控電流源，h12是反向電壓放大係數，h21是電流放大係數。這四個參數的量綱是混合的。在表1所列的y參數中,y11和y22分別是輸入導納和輸出導納，而y12和y21分別是反嚮導納和正嚮導納。
電晶體的伏安特性是非線性的。因此，h和y參數的幅值和相位均隨直流工作狀態而變，它們又是工作頻率和環境溫度的函式。
h參數常用來分析電晶體低頻放大器，這時,四個參數都是實數。y參數常用來分析電晶體高頻放大器。
高頻等效電路 根據電晶體內部載流子的流動規律，可以得到另外兩種適用於高頻段的等效電路，其特點是等效電路中元件的參數與工作頻率無關。 ①共基極T型高頻等效電路（圖4）：電阻re和r分別是發射結和集電結的正向交流電阻和反向交流電阻；rbb′是基區內某一點B′與基極B間的體積電阻;Ce和C分別是發射結和集電結的電容，各等於各自的勢壘電容和擴散電容之和。電流源α0ie中的α0稱為共基極低頻電流放大係數，它是在輸出交流短路時不計電晶體電容效應的集電極電流的微小變化量與發射極電流的微小變化量之比，α0的數值恆小於1,但非常接近於1。
在工作頻率為f時,計及Ce和C的共基極電流放大係數α可近似表示為
(1)
α的幅值下降到α0/匇時的頻率稱為α截止頻率，記作f。由式(1)知f=1/2πfCere,它是表征電晶體高頻工作範圍的重要參數。 ②共發射極混合π型高頻等效電路 (圖5):r、r、和re分別表示發射結等效正向交流電阻、集電結反向交流電阻和反映基區寬度調製效應的交流等效電阻；C和C分別發射結和集電結電容；電流源gmu中的參數gm稱為跨導，定義為
(2)
它表示發射結電壓u對集電極電流i的控制能力。
共發射極電流放大係數β的定義是
共發射極電流放大係數β的定義是
(3)
而低頻共發射極電流放大係數用β0表示，它遠大於1。
表征共發射極電晶體高頻工作能力的參數有β截止頻率fβ, 特徵頻率fT和最高振盪頻率fmaxo它們的定義和表達式見表2。 fβ、fT和fmax都和電晶體的直流狀態有密切關係。為了充分發揮電晶體的高頻工作能力，合理地選擇直流工作點十分重要。
表征電晶體高頻工作能力的另一重要參數是增益頻寬乘積GB，其定義為
表征共發射極電晶體高頻工作能力的參數有β截止頻率fβ, 特徵頻率fT和最高振盪頻率fmaxo它們的定義和表達式見表2。 fβ、fT和fmax都和電晶體的直流狀態有密切關係。為了充分發揮電晶體的高頻工作能力，合理地選擇直流工作點十分重要。
表征電晶體高頻工作能力的另一重要參數是增益頻寬乘積GB，其定義為
(4)
式中|β|是β的幅值。式(4)表明電晶體的增益頻寬乘積是一常數：工作頻率f增高，放大係數β必將減小。
表2指出，,這說明共發射極放大電路的高頻工作能力遠比共基極放大電路的差。 電晶體大信號等效電路 大信號工作時，必須考慮電晶體的非線性。根據埃伯爾斯-莫爾方程得出的NPN晶體三極體大信號等效電路（圖6），不僅適用於電晶體的放大區，也適用於它的飽和區和截止區。圖中,αF和αR分別是正向和反向短路電流放大係數，是發射結開路飽和電流，是集電結開路飽和電流。 場效應電晶體交流小信號等效電路 圖7b是 N溝道結型場效應電晶體低頻小信號等效電路。圖中,是柵源極間的交流小信號電壓；id是交流漏極電流,rd是漏極交流電阻;電流源gm的參數gm稱為跨導，其定義為
表2指出，,這說明共發射極放大電路的高頻工作能力遠比共基極放大電路的差。 電晶體大信號等效電路 大信號工作時，必須考慮電晶體的非線性。根據埃伯爾斯-莫爾方程得出的NPN晶體三極體大信號等效電路（圖6），不僅適用於電晶體的放大區，也適用於它的飽和區和截止區。圖中,αF和αR分別是正向和反向短路電流放大係數，是發射結開路飽和電流，是集電結開路飽和電流。 場效應電晶體交流小信號等效電路 圖7b是 N溝道結型場效應電晶體低頻小信號等效電路。圖中,是柵源極間的交流小信號電壓；id是交流漏極電流,rd是漏極交流電阻;電流源gm的參數gm稱為跨導，其定義為
(5)
它表示對漏流id的控制能力。
計及場效應電晶體極間電容的高頻小信號等效電路如圖7c。其中Cgs、和分別是柵源、柵漏和漏源極間的電容；RL是負載電阻。
參考書目
M.S.Ghausi,Electronic Circuits:Devices, Models,Functions, Analysis, and Design,Van Nostrand Reinho Co.,New York,1971.
計及場效應電晶體極間電容的高頻小信號等效電路如圖7c。其中Cgs、和分別是柵源、柵漏和漏源極間的電容；RL是負載電阻。
參考書目
M.S.Ghausi,Electronic Circuits:Devices, Models,Functions, Analysis, and Design,Van Nostrand Reinho Co.,New York,1971.
