三晶体管的频率特性与混接等效电路PPT课件.ppt

PhysicsofSemiconductorDevices 晶体管的频率响应混接 型等效电路 3 8 3 9 在低频时 电流增益与工作频率无关 但在达到一定的临界频率之后增益幅度下降 正向有源工作模式 晶体管小信号的共基极和共发射极电流增益定义为 一晶体管的频率响应 共发射极截止频率 共基极截止频率 特征频率 典型的电流增益与工作频率关系 T hFE a 也称a截止频率 是当共基极电流放大系数a降到a0的0 707倍时所对应的频率 a0低频电流增益 a a 0 707a0 此时a的分贝值下降3dB 所以 a也称为3 dB频率 1 共基极截止频率 也称 截止频率 是当共发射极电流放大系数 下降到低频 0的0 707倍时所对应的频率 此时 的分贝值下降3dB 式中 2 共发射极截止频率 a 1 a0 随着频率的增加 晶体管的共射极电流放大系数 降到1时所对应的频率 显然 T才能比较确切地反映出晶体管的高频性能 当频率l 晶体管有电流放大作用 当频率 T时 1 晶体管就没有电流放大作用了 所以特征频率 T是判断晶体管是否能起电流放大作用的一个重要依据 也是晶体管电路设计的一个重要参数 3 特征频率 增益 带宽乘积 共发射极工作的截止频率即 带宽 取 T Ihfel 1 有 再由 说明 共发射极截止频率 要比 a低得多 但增益 带宽之积接近于 a 4 最高振荡频率fM和高频优值 fT T 仅仅反映了晶体管具有电流放大作用的最高频率 但还不能表示具有功率放大能力的最高频率 因为在f fT时 1 但仍可能有功率放大作用 频率较高时 晶体管的输入阻抗基本上等于基区电阻 故输入功率为 负载上得到的功率 即输出功率 为 功率放大倍数 功率增益 为 可见 虽然在f fT时 1 即晶体管仍有功率放大能力 功率放大电路 但当频率继续升高时 Rc的数值就不能取得太大了 这是因为要得到最大功率输出 负载阻抗必须与晶体管的输出阻抗相等 这称为阻抗匹配 频率增加 集电结电容Cc减小 输出阻抗变小 因此Rc的取值也要减小 同时 频率更高时的 数值也要继续下降 可能比1小得多 使得功率增益GP下降 频率足够高时 GP将小于1 1 Cc 最佳功率增益 晶体管向负载输出的最大功率与信号源供给晶体管的最大功率之比 即是晶体管输入输出阻抗各自匹配时的功率增益 集电结总电容 包括势垒电容和其他寄生电容 最高振荡频率fM 最佳功率增益为1对应的频率称为晶体管的最高振荡频率fM 它反映了晶体管具有放大能力的极限 晶体管的最高振荡频率主要决定于其内部参数 即晶体管的输入电阻 输出电容及特征频率等 当晶体管输入电阻rb较小 输出阻抗1 Cc较大时 fM fT 相反 若rb较大 则fM可能低于fT 高频优值 也称为功率增益 带宽积 全面地反映了晶体管的频率和功率性能 优值越高 晶体管的频率和功率性能越好 而且高频优值只决定于晶体管的内部参数 因此它是高频功率管设计和制造中的重要依据之一 二影响频率特性的因素 1 基区渡越时间 基区电流 有效速度 dx v x dt 电子渡越基区所需要的时间 xB 小的时间意味着短的信号延迟或高的工作频率 2 发射结过渡电容充电时间 正向偏置的发射结电容CTE是偏置电压的函数 但由于其与扩散电容并联 所以难以测量 此电容与结电阻re并联 充电时间常数为 粗略估计值 根据该式在VR 0时计算电容值的4倍 电阻值re 以IE取代I 以VE取代V 然后取 dIE dVE 3 集电结耗尽层渡越时间 集电结的两边加上高的反向偏压 使得耗尽层显著加宽 增加了载流子渡越时间 由于电场很高 可以假设载流子已达到饱和速度 则载流子通过耗尽层的渡越时间为 耗尽层的总厚度 2020 1 7 17 4 集电结电容充电时间 集电结处在反向偏压下 使得与结电容并联的电阻很大 其结果充电时间常数由电容CTC和集电极串联电阻rSC决定 对于重掺杂的外延衬底 平面型外延晶体管的集电极电阻很小 因而充电时间可以忽略不计 但在集成晶体管中应该计算 截止频率 a等于从发射极到集电极的信号传播中全部时间延迟的倒数 即 总结 当发射极电流增加 发射结时间常数 E变得很小 a增加 说明 频率特性的改变可以通过增加工作电流来实现 但如若容许电流无限增加 截止频率终将要降低 在任何电子系统中 除了我们所需要的信号电压或电流之外 时常还会有一些杂乱的 无规则的电流或电压信号 这种杂乱的 无规则的电巨或电流的波动称为噪声 当噪声信号通过耳机或扬声器的时候 就会听见一片 沙沙声 使正常信号受到干扰 来源 外界引入 晶体管自身产生 输出端含有信号和放大了的噪声 1 噪声 三晶体管的噪声 在电路里噪声是一种干扰 在信号电流或电压比噪声大很多的情况下 噪声的干扰影响不严重 但是 如果信号大小与噪声相当 甚至更弱 信号就会被噪声所淹没 因此晶体管噪声特性的好坏 就决定了晶体管检测微弱信号的能力 噪声则相对小一些 信号被噪声淹没 2 噪声系数 1 噪声的大小只有在与信号相比较时才有意义 在实际工作中常采用信号噪声比 即信号功率与噪声功率之比 简称信噪比 来衡量噪声的大小 在输入信噪比相同的情况下 输出端信噪比越大 晶体管噪声特性越好 2 输出端的信噪比要小于输入端的信噪比 常用晶体管的输入信号噪声比同输出信号噪声比的比值来标志晶体管的噪声特性 这个比值就叫噪声系数 用符号NF表示 晶体管的功率增益 在实际工作中 噪声系数常常采用分贝 dB 为单位 以分贝为单位的噪声系数定义为 放大了的输入噪声功率 在晶体管本身的噪声功率为零时 则NF 1 或等于0dB 但是 实际晶体管总是存在噪声的 因此 NF总是大于1 或大于0dB 的 NF越大 说明晶体管的噪声特性越差 3 噪声的来源 1 热噪声 载流子要做热运动 这种杂乱无章的热运动叠加在载流子的有规则的运动之上 就会引起电流的起伏 成为噪声 这种噪声称为热噪声 由于热噪声是与载流子的热运动直接联系的 因此任何电子元件都有热噪声 只要温度不等于0K 研究表明 热噪声的大小与系统的电阻和温度有关 电阻越大 温度越高 产生的热噪声功率也就越大 热噪声有时又称为白噪声 由频谱分析知 在热噪声中各种频率成分的噪声功率都是相同的 1 减小基区电阻rb可以减小晶体管的热噪声2 降低温度也可以使晶体管的热噪声减小 2 散粒噪声 由于半导体中载流子的产生 复合过程有涨有落 参加导电的载流子数目将在其平均值附近起伏 这种由载流子数目起伏而引起的噪声 称为散粒噪声 散粒噪声的大小与流过晶体管的电流有关 电流越大 散粒噪声也越大 大多数半导体的多数载流子密度都很大 所以多数载流子数目的起伏是不显著的 如果半导体器件主要由多数载流子导电 如场效应晶体管 其散粒噪声往往很小 因而可以忽略 但是 少数载流子的密度要比多数载流子小得多 使得少数载流子数目的变化十分显著 所以当器件的输出电流与少数载流子的数目紧密相关时 散粒噪声就不可忽略了 3 1 f噪声 实验发现 在半导体中还存在着一种影响很大的噪声 叫做1 f噪声 这种噪声同频率有关 频率越低 噪声越大 同表面状态有关 因为半导体中一部分载流子要在表面产生和复合 这种产生和复合受表面状态的影响比较大 如果表面处理不好 晶体管噪声就会很大 低频时影响比较严重 在高频时可以不考虑 对于高频晶体管来说 降低噪声系数的办法 减小基极电阻 有效的方法是在基极接触孔进行浓硼扩散 提高特征频率 要求有足够高的 值 四混接 型等效电路 为了计算小信号电路响应 往往需要用简单的等效电路来表示晶体管 最常用的等效电路如下 工作在共发射极电路中的正向有源模式晶体管 特点 所有参数与晶体管中的物理过程有关 它基本代表基区贮