双极性晶体管等效电路的教学实践.docx

第18卷第4 期2004年7月常熟高专学报Journal of ChangshuCollegeVol.18No.4July.2004Ξ双极性晶体管等效电路的教学实践徐惠钢,郭文华(常熟理工学院物理系,江苏常熟215500)摘要 : 为分析双极性晶体管放大电路而引入的众多双极性晶体管等效模型加重了初学者负担。本文介绍了一种从双极性晶体管物理结构出发推导出高频低频等效电路以简化分析手段、突出教学目的的教学尝试,同时利用仿真软件的辅助分析加深初学者对工程近似概念的理解。关键词: 等效电路;双极性晶体管;物理结构;工程近似中图分类号 : TN722文献标识码 :A文章编号 : 1008 - 2794 (2004) 04 - 0031 -031问题的提出在模拟电子技术课程教学中,为了讲清楚双极性晶体管(三极管)放大电路的工作原理、分析其性能指 标,需要引入三极管的模型。在各种教科书中[1～7] ,采用的模型有:三极管直流模型、h参数模型、混合π模 型、放大区内折线化模型、埃伯尔斯-莫尔模型、T型等效电路模型、Y参数模型以及在此基础上的各种简化 模型。这些模型从总体上可以分为两类[4],一类是从四端网络观点导出的等效电路,一类是通过对三极管放 大过程模拟而导出的等效电路。其中应用最多的两种模型:用于低频小信号分析的h参数模型和用于高频 小信号分析的混合π模型分属于这两类。这些模型的引入,有些有助于学生更好地理解、分析三极管放大电路,有些适合于不同工作条件下分析 电路。但与此同时,众多的模型,特别是这些模型引入的角度不同、应用的场合不同,使同学们在学习时有些 无所适从,不知道如何选择模型以及为何选择该种模型,只好被动地接受。如果初学时了解掌握这些模型需 要牵扯学生的一些注意力,这就反而模糊了引入三极管模型的最初目的———分析三极管放大电路的性能。另外对同学们而言,工程近似的方法是模拟电子技术不同于以往所学课程的重要特点之一,在模型的简 化过程中就体现了这个概念。但教材在简化过程中往往简单描述为:某量一般远远小于(或远大于)某量因 而可以忽略 因为同学们在学习过程中还没有感性的认识 ,对三极管的内部参数还没有数量的认识,所以 不能真正理解这种近似,也只好被动地接受。这些都不利于学生自主思考,主动学习。2解决问题的思路针对这个问题,我们提出了这样的解决思路:避免采用过多模型,不贪多贪全,以够用就好为原则,教学 中主要引入h参数模型和混合π模型;避免事先没有学过电路原理这门先导课的不足,导出这两个模型时尽 量从三极管放大过程模拟出发,并注意整个课程的衔接和连贯性;近似简化模型的过程结合典型数据的实例Ξ 收稿日期 :2004 - 04 - 22作者简介:徐惠钢(1969 —) ,男,江苏常熟人,讲师,博士研究生.32常熟高专学报2004年进行,使同学们对实际的三极管参数建立感性认识并强化工程近似的概念。实际教学过程中,首先在二极管高频模型的基础上建立三极管的物理结构概念,然后构建物理模型,在 此基础上导出混合π模型,再对混合π模型进行简化、单向化得到简化模型,进一步推到得到h参数模型。 在此过程中结合典型数值分析推导、计算的合理性,并要求学生在课后利用PSPICE软件验证。3模型的分析与推导教学实施中采用的教材是康华光主编的电子技术基础第四版[ 2 ],分析推导过程中所引用的模型示意图 限于篇幅,不一一列出,读者可参见所附文献。3.1二极管结构模型在分析PN结的基础上,根据二极管结构得到图1 模型。 图中rP和rN为体电阻,rPN为结电阻,C为极间电容,其中结电阻的值要比体电阻大很多。3.2三极管结构示意图图 1 二极管结构模型在二极管结构模型基础上,很自然可以得到三极管结构示意图[1],从三极管物理结构上分析,它是由两 个PN结组成的,因此也由体电阻、结电阻、极间电容构成。由于对三极管三个区的掺杂浓度、宽度、面积的 要求不同,模型中的参数不是对称的,而总的来说结电阻的值要比体电阻大,据此可以简化模型,用结电阻代 替极间电阻。3.3混合π高频小信号模型在三极管物理模型基础上,结合放大器的对能量控制作用 的本质,引入混合π高频小信号模型。其中受控电流源gmV·b′e反映了输入信号对输出信号的控制作用 ,电流源内阻rce的值较 大,约为100kΩ;rbb′表示基区电阻,一般在50～300Ω;发射极小 信号电阻rb′e较小,折合到基极回路约为几千欧,而发射极电容cb′e大多在几十皮法;集电极的结电阻rb′c 的值很大,一般在100kΩ～10MΩ之间,cb′c约在几皮法范围。因此,当rce与负载并联时一般可忽略,rb′c是与cb′c并联的,在高频时rb′c可忽略,在低频时两者都可以看作开路。这样,就得到了一个高频简化模型, 见图2。