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晶体管电路配置和 Spice
在最近的一篇文章中，我们回顾了 Spice 电路模拟器的基础知识。大多数电路模拟都涉及晶体管，无论是作为分立元件还是在集成电路中。因此，了解 Spice 如何建模晶体管的一些基础知识很有用。
晶体管可能有多种状态，通常是饱和、截止、激活和反向。晶体管有一个工作点或静态点，由直流偏置定义。只要工作点在特定工作区域内，晶体管就会按照该特定状态定义的方式运行。但如果工作点跨越到另一个区域，晶体管的工作方式就会发生变化。
开发晶体管模型是为了定义这些区域的范围，并选择最佳或最优工作点或静态（Q）点，并围绕该点维持操作。
通常，晶体管有两类模型。大信号模型用于根据晶体管的配置确定其直流偏置。例如，双极结型晶体管 (BJT) 有三种共模配置：
在共发射极中，直流电流从集电极流向发射极，从基极流向发射极。交流信号施加到基极，输出从集电极获取。在共基极电路中，直流电流从集电极流向发射极，从集电极流向基极。交流信号输入施加到发射极，输出从集电极获取。在共集电极电路中，直流电流从基极流向集电极，从集电极流向发射极。交流信号输入施加到基极，输出从发射极获取。
共发射极是三种基本配置中最常用的一种。它的一个重要特性是，它会将输出相对于输入进行反相，如果反相级数为偶数，则不会产生这种效果。
共射极电路存在两个常见问题，这两个问题都可以通过适当的电路设计来缓解。一个困难是，在共射极配置中，放大器可能具有高增益，而由于制造差异、温度和偏置电流，增益往往不可预测。自动增益可以处理这些差异，但与此同时，共射极配置中的晶体管可能会进入截止或振荡状态，并且输出可能会出现削波。
其他困难包括低输入动态范围和高失真。然而，这些问题可以通过发射极退化来解决，通过在发射极和公共信号源之间放置一个电阻器来故意实现，该电阻器通常接地或连接到其中一个电源轨。（通过削减增益来增强稳定性是一种常见的做法。）
由于米勒效应，共射极放大器通常表现出较低的带宽，这适用于反相放大器。任何寄生基极-集电极电容都会表现为基极和地之间的较高电容。米勒效应也可以通过使用发射极退化来最小化。另一个策略是降低连接到基极的信号源的输出阻抗。
共发射极经常用作无线电通信中的低噪声放大器，例如电视和互联网接入卫星天线、医疗仪器和电子测试设备，这些设备通常必须在本底噪声附近工作。
共集电极 配置也称为射极跟随器。它通常用作电压缓冲器。在此，基极连接到输入，而射极通过接地或连接到电源轨之一连接到输出。
射极跟随器的名称源于电路的输出来自射极电阻的事实。因此，该器件的常见应用是作为阻抗匹配电路，因为它的输入阻抗高于其输出阻抗。与逻辑门结合，它广泛用于数字电路。
由于射极跟随器的电压增益大约比基极低 0.6 V，因此共集电极晶体管被视为射极跟随器。它用于电流增益和阻抗匹配，而不是传统的电压增益。与共射极电路一样，输入阻抗明显超过输出阻抗。
共基极 配置经常用作电流缓冲器或电压放大器。电路输入馈送到发射极端子，集电极为输出。由于基极接地，因此输入和输出共用基极配置。与其他两种配置相比，共基极配置使用较少，因为它的输入阻抗低，输出阻抗高，这通常是不受欢迎的。然而，它在高频应用中很常见，因为基极将输入和输出分开，最大限度地减少了振荡。
在共基极配置中，发射极和集电极之间没有相位反转，因此输入和输出波形同相，放大器为非反相。共基极放大器应用有限的一个原因是其输入阻抗低。共基极输出可能很高，因此它被称为电流缓冲器或电流跟随器。通常，共基极放大器的电流增益 (alpha) 接近 1。但是，电压增益可以在 100 到 2,000 之间。这完全取决于偏置电阻。
一旦确定了大信号模型，就可以使用小信号模型。当将小信号施加到晶体管时，它会根据施加信号的幅度，沿着 IV 特性曲线将工作点移离偏置点。电路通常设置为这种与直流工作点的偏差会使晶体管改变其工作模式，例如从有源区进入截止区。
小信号模型通常是双端口结构，通常由 H 参数、混合 pi 模型或 T 模型组成。H（或混合）参数使用 Z（或阻抗/开路）参数、Y（导纳/短路）参数、电压比和电流比来表示双端口网络中电压和电流之间的关系。H 参数有助于描述难以测量 Z 或 Y 参数的电路（例如晶体管）的输入输出质量。混合 pi（也称为 Giacoletto）模型使用小信号基极-发射极电压和集电极-发射极电压作为独立变量，小信号基极电流和集电极电流作为因变量来表示 BJT。T 或传输模型使用与混合 pi 模型类似的关系，但通常排列方式不同。通过使用矩阵代数运算，通常可以直接将一种类型参数转换为另一种类型参数。
包含寄生元件的典型功率 MOSFET 模型。电感通常由封装的引线接合引起。寄生电容通常由半导体本身的几何特征引起。
晶体管的大信号和小信号分析都需要选择模型、指定已知或固定值，以及用数学方法求解未知参数的方程。然而，现代电路通常以足够高的速度运行，因此需要考虑寄生电路元件。正确的 Spice 程序可以通过包括内部电容、电阻、增益变化等来提高晶体管模型的准确性。
但问题是，寄生元件可能没有得到很好的定义，特别是对于最先进的晶体管，例如 GaN 或 SiC 功率器件，在高速切换时更是如此。例如，功率器件中的寄生电感通常主要是由半导体本身与其封装之间的引线键合引起的。器件制造商继续尝试各种封装选项以减少此类寄生效应，但由于这项工作仍在进行中，Spice 中的寄生模型可能无法反映实际器件中的值。因此，可能需要进行大量实验才能准确表征现代半导体的寄生特性。
晶体管可能有多种状态，通常是饱和、截止、激活和反向。晶体管有一个工作点或静态点，由直流偏置定义。只要工作点在特定工作区域内，晶体管就会按照该特定状态定义的方式运行。但如果工作点跨越到另一个区域，晶体管的工作方式就会发生变化。
开发晶体管模型是为了定义这些区域的范围，并选择最佳或最优工作点或静态（Q）点，并围绕该点维持操作。
通常，晶体管有两类模型。大信号模型用于根据晶体管的配置确定其直流偏置。例如，双极结型晶体管 (BJT) 有三种共模配置：
在共发射极中，直流电流从集电极流向发射极，从基极流向发射极。交流信号施加到基极，输出从集电极获取。在共基极电路中，直流电流从集电极流向发射极，从集电极流向基极。交流信号输入施加到发射极，输出从集电极获取。在共集电极电路中，直流电流从基极流向集电极，从集电极流向发射极。交流信号输入施加到基极，输出从发射极获取。
共发射极是三种基本配置中最常用的一种。它的一个重要特性是，它会将输出相对于输入进行反相，如果反相级数为偶数，则不会产生这种效果。
共射极电路存在两个常见问题，这两个问题都可以通过适当的电路设计来缓解。一个困难是，在共射极配置中，放大器可能具有高增益，而由于制造差异、温度和偏置电流，增益往往不可预测。自动增益可以处理这些差异，但与此同时，共射极配置中的晶体管可能会进入截止或振荡状态，并且输出可能会出现削波。
其他困难包括低输入动态范围和高失真。然而，这些问题可以通过发射极退化来解决，通过在发射极和公共信号源之间放置一个电阻器来故意实现，该电阻器通常接地或连接到其中一个电源轨。（通过削减增益来增强稳定性是一种常见的做法。）
由于米勒效应，共射极放大器通常表现出较低的带宽，这适用于反相放大器。任何寄生基极-集电极电容都会表现为基极和地之间的较高电容。米勒效应也可以通过使用发射极退化来最小化。另一个策略是降低连接到基极的信号源的输出阻抗。
共发射极经常用作无线电通信中的低噪声放大器，例如电视和互联网接入卫星天线、医疗仪器和电子测试设备，这些设备通常必须在本底噪声附近工作。
共集电极 配置也称为射极跟随器。它通常用作电压缓冲器。在此，基极连接到输入，而射极通过接地或连接到电源轨之一连接到输出。
射极跟随器的名称源于电路的输出来自射极电阻的事实。因此，该器件的常见应用是作为阻抗匹配电路，因为它的输入阻抗高于其输出阻抗。与逻辑门结合，它广泛用于数字电路。
由于射极跟随器的电压增益大约比基极低 0.6 V，因此共集电极晶体管被视为射极跟随器。它用于电流增益和阻抗匹配，而不是传统的电压增益。与共射极电路一样，输入阻抗明显超过输出阻抗。
共基极 配置经常用作电流缓冲器或电压放大器。电路输入馈送到发射极端子，集电极为输出。由于基极接地，因此输入和输出共用基极配置。与其他两种配置相比，共基极配置使用较少，因为它的输入阻抗低，输出阻抗高，这通常是不受欢迎的。然而，它在高频应用中很常见，因为基极将输入和输出分开，最大限度地减少了振荡。
在共基极配置中，发射极和集电极之间没有相位反转，因此输入和输出波形同相，放大器为非反相。共基极放大器应用有限的一个原因是其输入阻抗低。共基极输出可能很高，因此它被称为电流缓冲器或电流跟随器。通常，共基极放大器的电流增益 (alpha) 接近 1。但是，电压增益可以在 100 到 2,000 之间。这完全取决于偏置电阻。
一旦确定了大信号模型，就可以使用小信号模型。当将小信号施加到晶体管时，它会根据施加信号的幅度，沿着 IV 特性曲线将工作点移离偏置点。电路通常设置为这种与直流工作点的偏差会使晶体管改变其工作模式，例如从有源区进入截止区。
小信号模型通常是双端口结构，通常由 H 参数、混合 pi 模型或 T 模型组成。H（或混合）参数使用 Z（或阻抗/开路）参数、Y（导纳/短路）参数、电压比和电流比来表示双端口网络中电压和电流之间的关系。H 参数有助于描述难以测量 Z 或 Y 参数的电路（例如晶体管）的输入输出质量。混合 pi（也称为 Giacoletto）模型使用小信号基极-发射极电压和集电极-发射极电压作为独立变量，小信号基极电流和集电极电流作为因变量来表示 BJT。T 或传输模型使用与混合 pi 模型类似的关系，但通常排列方式不同。通过使用矩阵代数运算，通常可以直接将一种类型参数转换为另一种类型参数。
包含寄生元件的典型功率 MOSFET 模型。电感通常由封装的引线接合引起。寄生电容通常由半导体本身的几何特征引起。
晶体管的大信号和小信号分析都需要选择模型、指定已知或固定值，以及用数学方法求解未知参数的方程。然而，现代电路通常以足够高的速度运行，因此需要考虑寄生电路元件。正确的 Spice 程序可以通过包括内部电容、电阻、增益变化等来提高晶体管模型的准确性。
但问题是，寄生元件可能没有得到很好的定义，特别是对于最先进的晶体管，例如 GaN 或 SiC 功率器件，在高速切换时更是如此。例如，功率器件中的寄生电感通常主要是由半导体本身与其封装之间的引线键合引起的。器件制造商继续尝试各种封装选项以减少此类寄生效应，但由于这项工作仍在进行中，Spice 中的寄生模型可能无法反映实际器件中的值。因此，可能需要进行大量实验才能准确表征现代半导体的寄生特性。
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