晶體管的頻率特性與混接等效電路第1頁/共32頁在低頻時(shí)，電流增益與工作頻率無關(guān)，但在達(dá)到一定的臨界頻率之后增益幅度下降。正向有源工作模式，晶體管小信號(hào)的共基極和共發(fā)射極電流增益定義為：一晶體管的頻率響應(yīng)第2頁/共32頁共發(fā)射極截止頻率共基極截止頻率特征頻率典型的電流增益與工作頻率關(guān)系ωThFE第3頁/共32頁ωa(也稱a截止頻率)是當(dāng)共基極電流放大系數(shù)a降到a0的0.707倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。a0低頻電流增益ω=ωa,a=

0.707a0此時(shí)a的分貝值下降3dB，所以ωa也稱為3-dB頻率。1、共基極截止頻率第4頁/共32頁ω

β(也稱β截止頻率)是當(dāng)共發(fā)射極電流放大系數(shù)β下降到低頻β0的0.707倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。此時(shí)β的分貝值下降3dB。式中：2、共發(fā)射極截止頻率ω

β

=ωa(1－a0)？第5頁/共32頁隨著頻率的增加，晶體管的共射極電流放大系數(shù)|β|降到1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。顯然，ωT

才能比較確切地反映出晶體管的高頻性能：當(dāng)頻率<ωT

時(shí)，β>l，晶體管有電流放大作用，當(dāng)頻率>ωT

時(shí)，β<1，晶體管就沒有電流放大作用了。所以特征頻率ωT

是判斷晶體管是否能起電流放大作用的一個(gè)重要依據(jù)，也是晶體管電路設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)。3、特征頻率（增益-帶寬乘積）共發(fā)射極工作的截止頻率即：帶寬取ω=ωT,

Ihfel

=1，有：第6頁/共32頁再由：說明：共發(fā)射極截止頻率ωβ要比ωa低得多，但增益－帶寬之積接近于ωa。第7頁/共32頁4、最高振蕩頻率fM和高頻優(yōu)值fT（ωT）僅僅反映了晶體管具有電流放大作用的最高頻率，但還不能表示具有功率放大能力的最高頻率，因?yàn)樵趂>fT時(shí)，β<1，但仍可能有功率放大作用。第8頁/共32頁頻率較高時(shí)，晶體管的輸入阻抗基本上等于基區(qū)電阻，故輸入功率為：負(fù)載上得到的功率(即輸出功率)為：功率放大倍數(shù)(功率增益)為：可見，雖然在f>fT時(shí)，β<1，但負(fù)載電阻Rc可以比rb大得多，所以仍有GP>1，即晶體管仍有功率放大能力。功率放大電路第9頁/共32頁但當(dāng)頻率繼續(xù)升高時(shí)，Rc的數(shù)值就不能取得太大了。這是因?yàn)橐玫阶畲蠊β瘦敵?，?fù)載阻抗必須與晶體管的輸出阻抗相等，這稱為阻抗匹配。頻率增加，集電結(jié)電容Cc減小，輸出阻抗變小，因此Rc的取值也要減小。同時(shí)，頻率更高時(shí)的β數(shù)值也要繼續(xù)下降，可能比1小得多，使得功率增益GP下降，頻率足夠高時(shí)，GP將小于1。1/ωCc第10頁/共32頁最佳功率增益:晶體管向負(fù)載輸出的最大功率與信號(hào)源供給晶體管的最大功率之比，即是晶體管輸入輸出阻抗各自匹配時(shí)的功率增益：集電結(jié)總電容，包括勢(shì)壘電容和其他寄生電容最高振蕩頻率fM：最佳功率增益為1對(duì)應(yīng)的頻率稱為晶體管的最高振蕩頻率fM。它反映了晶體管具有放大能力的極限。第11頁/共32頁晶體管的最高振蕩頻率主要決定于其內(nèi)部參數(shù)，即晶體管的輸入電阻、輸出電容及特征頻率等。當(dāng)晶體管輸入電阻rb較小，輸出阻抗1/ωCc較大時(shí)，fM>fT；相反，若rb較大，則fM可能低于fT。第12頁/共32頁高頻優(yōu)值：也稱為功率增益－帶寬積全面地反映了晶體管的頻率和功率性能，優(yōu)值越高，晶體管的頻率和功率性能越好，而且高頻優(yōu)值只決定于晶體管的內(nèi)部參數(shù)，因此它是高頻功率管設(shè)計(jì)和制造中的重要依據(jù)之一。第13頁/共32頁二影響頻率特性的因素1、基區(qū)渡越時(shí)間基區(qū)電流：有效速度dx=v(x)dt電子渡越基區(qū)所需要的時(shí)間xB小的時(shí)間意味著短的信號(hào)延遲或高的工作頻率第14頁/共32頁2、發(fā)射結(jié)過渡電容充電時(shí)間正向偏置的發(fā)射結(jié)電容CTE是偏置電壓的函數(shù)，但由于其與擴(kuò)散電容并聯(lián)，所以難以測(cè)量。此電容與結(jié)電阻re并聯(lián)，充電時(shí)間常數(shù)為：粗略估計(jì)值：根據(jù)該式在VR=0時(shí)計(jì)算電容值的4倍電阻值re：以IE取代I；以VE取代V，然后?。篸IE/dVE第15頁/共32頁3、集電結(jié)耗盡層渡越時(shí)間集電結(jié)的兩邊加上高的反向偏壓，使得耗盡層顯著加寬，增加了載流子渡越時(shí)間。由于電場(chǎng)很高，可以假設(shè)載流子已達(dá)到飽和速度。則載流子通過耗盡層的渡越時(shí)間為：耗盡層的總厚度第16頁/共32頁4、集電結(jié)電容充電時(shí)間集電結(jié)處在反向偏壓下，使得與結(jié)電容并聯(lián)的電阻很大，其結(jié)果充電時(shí)間常數(shù)由電容CTC和集電極串聯(lián)電阻rSC決定：對(duì)于重?fù)诫s的外延襯底，平面型外延晶體管的集電極電阻很小，因而充電時(shí)間可以忽略不計(jì)。但在集成晶體管中應(yīng)該計(jì)算。第17頁/共32頁截止頻率ωa等于從發(fā)射極到集電極的信號(hào)傳播中全部時(shí)間延遲的倒數(shù)，即：總結(jié)：當(dāng)發(fā)射極電流增加，發(fā)射結(jié)時(shí)間常數(shù)τE變得很小，ωa增加。說明：頻率特性的改變可以通過增加工作電流來實(shí)現(xiàn)。但如若容許電流無限增加，截止頻率終將要降低。？第18頁/共32頁在任何電子系統(tǒng)中，除了我們所需要的信號(hào)電壓或電流之外，時(shí)常還會(huì)有一些雜亂的、無規(guī)則的電流或電壓信號(hào)。這種雜亂的、無規(guī)則的電巨或電流的波動(dòng)稱為噪聲。當(dāng)噪聲信號(hào)通過耳機(jī)或揚(yáng)聲器的時(shí)候，就會(huì)聽見一片“沙沙聲”，使正常信號(hào)受到干擾。來源：外界引入；晶體管自身產(chǎn)生。輸出端含有信號(hào)和放大了的噪聲。1、噪聲三晶體管的噪聲第19頁/共32頁在電路里噪聲是一種干擾，在信號(hào)電流或電壓比噪聲大很多的情況下，噪聲的干擾影響不嚴(yán)重。但是，如果信號(hào)大小與噪聲相當(dāng)，甚至更弱，信號(hào)就會(huì)被噪聲所淹沒。因此晶體管噪聲特性的好壞，就決定了晶體管檢測(cè)微弱信號(hào)的能力。噪聲則相對(duì)小一些信號(hào)被噪聲淹沒第20頁/共32頁2、噪聲系數(shù)（1）噪聲的大小只有在與信號(hào)相比較時(shí)才有意義，在實(shí)際工作中常采用信號(hào)噪聲比(即信號(hào)功率與噪聲功率之比，簡稱信噪比)來衡量噪聲的大小在輸入信噪比相同的情況下，輸出端信噪比越大，晶體管噪聲特性越好。第21頁/共32頁（2）輸出端的信噪比要小于輸入端的信噪比。常用晶體管的輸入信號(hào)噪聲比同輸出信號(hào)噪聲比的比值來標(biāo)志晶體管的噪聲特性，這個(gè)比值就叫噪聲系數(shù)，用符號(hào)NF表示。晶體管的功率增益第22頁/共32頁在實(shí)際工作中，噪聲系數(shù)常常采用分貝(dB)為單位。以分貝為單位的噪聲系數(shù)定義為：放大了的輸入噪聲功率在晶體管本身的噪聲功率為零時(shí)，則NF＝1(或等于0dB)。但是，實(shí)際晶體管總是存在噪聲的。因此，NF總是大于1(或大于0dB)的。NF越大，說明晶體管的噪聲特性越差。第23頁/共32頁3、噪聲的來源(1)熱噪聲載流子要做熱運(yùn)動(dòng)，這種雜亂無章的熱運(yùn)動(dòng)疊加在載流子的有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)之上，就會(huì)引起電流的起伏，成為噪聲，這種噪聲稱為熱噪聲，由于熱噪聲是與載流子的熱運(yùn)動(dòng)直接聯(lián)系的，因此任何電子元件都有熱噪聲(只要溫度不等于0K)。研究表明，熱噪聲的大小與系統(tǒng)的電阻和溫度有關(guān)，電阻越大，溫度越高，產(chǎn)生的熱噪聲功率也就越大。熱噪聲有時(shí)又稱為白噪聲，由頻譜分析知，在熱噪聲中各種頻率成分的噪聲功率都是相同的。1、減小基區(qū)電阻rb

可以減小晶體管的熱噪聲2、降低溫度也可以使晶體管的熱噪聲減小第24頁/共32頁(2)散粒噪聲由于半導(dǎo)體中載流子的產(chǎn)生、復(fù)合過程有漲有落，參加導(dǎo)電的載流子數(shù)目將在其平均值附近起伏，這種由載流子數(shù)目起伏而引起的噪聲，稱為散粒噪聲。散粒噪聲的大小與流過晶體管的電流有關(guān)，電流越大，散粒噪聲也越大。大多數(shù)半導(dǎo)體的多數(shù)載流子密度都很大，所以多數(shù)載流子數(shù)目的起伏是不顯著的。如果半導(dǎo)體器件主要由多數(shù)載流子導(dǎo)電(如場(chǎng)效應(yīng)晶體管)，其散粒噪聲往往很小，因而可以忽略。但是，少數(shù)載流子的密度要比多數(shù)載流子小得多，使得少數(shù)載流子數(shù)目的變化十分顯著，所以當(dāng)器件的輸出電流與少數(shù)載流子的數(shù)目緊密相關(guān)時(shí)，散粒噪聲就不可忽略了。第25頁/共32頁(3)1/f

噪聲實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在半導(dǎo)體中還存在著一種影響很大的噪聲，叫做1/f噪聲。這種噪聲同頻率有關(guān)，頻率越低，噪聲越大。同表面狀態(tài)有關(guān)，因?yàn)榘雽?dǎo)體中一部分載流子要在表面產(chǎn)生和復(fù)合，這種產(chǎn)生和復(fù)合受表面狀態(tài)的影響比較大。如果表面處理不好，晶體管噪聲就會(huì)很大。低頻時(shí)影響比較嚴(yán)重，在高頻時(shí)可以不考慮。對(duì)于高頻晶體管來說，降低噪聲系數(shù)的辦法：①減小基極電阻，有效的方法是在基極接觸孔進(jìn)行濃硼擴(kuò)散；②提高特征頻率；②要求有足夠高的β值。第26頁/共32頁四混接π型等效電路為了計(jì)算小信號(hào)電路響應(yīng)，往往需要用簡單的等效電路來表示晶體管。最常用的等效電路如下：工作在共發(fā)射極電路中的正向有源模式晶體管特點(diǎn)：所有參數(shù)與晶體管中的物理過程有關(guān)。它基本代表基區(qū)貯存電荷的動(dòng)態(tài)增長變化對(duì)發(fā)射結(jié)外加電壓增長變化的依賴關(guān)系第27頁/共32頁表示了+ΔVE的改變導(dǎo)致ΔQB增加，從而使得ΔIC增