15第三章晶体管的频率特性与混接等效电路解读.ppt

* Physics of Semiconductor Devices * Physics of Semiconductor Devices 晶体管的频率响应 混接π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 ωT hFE ωa (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 ω=ωa , a= 0.707a0 此时a 的分贝值下降3dB，所以ωa 也称为3-dB频率。 1、共基极截止频率 ω β(也称β截止频率)是当共发射极电流放大系数 β 下降到低频 β0的0.707倍时所对应的频率。此时 β 的分贝值下降3dB。 式中： 2、共发射极截止频率 ω β =ωa (1－a0) ？ 随着频率的增加，晶体管的共射极电流放大系数|β|降到1时所对应的频率。显然，ωT 才能比较确切地反映出晶体管的高频性能：当频率ωT 时，βl，晶体管有电流放大作用，当频率ωT 时，β1，晶体管就没有电流放大作用了。所以特征频率ωT 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ω= ωT, Ihfel =1，有： 再由： 说明：共发射极截止频率ωβ要比ωa低得多，但增益－带宽之积接近于ωa 。 4、最高振荡频率fM 和高频优值 fT （ωT）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， β 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， β 1 ，但负载电阻Rc可以比 rb 大得多，所以仍有GP 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β 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/ωCc 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/ωCc 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 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ωa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τE变得很小，ωa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