晶体管电路配置和 Spice仿真

大多数电路仿真都涉及晶体管，无论是作为分立元件还是在集成电路中。因此，了解 Spice 如何对晶体管建模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、有效和反向。晶体管具有由直流偏置定义的工作点或静态点。只要工作点落在特定的工作区域内，晶体管就会按照该特定状态中定义的方式执行。但如果工作点跨入另一个区域，晶体管的操作就会发生变化。

开发晶体管模型是为了定义这些区域的范围，并选择可以维持操作的最佳或最优工作点或静态 (Q) 点。

通常，晶体管模型有两类。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) 具有三种共模配置：

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，并从集电极获取输出。在共基极电路中，直流电流从集电极流向发射极，再从集电极流向基极。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，再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。一个重要的特性是它使输出相对于输入反相，如果反相级的数量为偶数，则这种效应就会被消除。

共发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。一个困难在于，在共发射极配置中，放大器可能具有高增益，但由于制造变化、温度和偏置电流，该增益往往是不可预测的。自动增益可以处理这些变化，但随之而来的是，共发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，发射极退化是通过在发射极和公共信号源之间放置一个电阻来实现的，该电阻通常接地或连接到电源轨之一。 (通常的做法是通过减少增益来增强稳定性。)

由于米勒效应，共发射极放大器通常表现出低带宽，这适用于反相放大器。任何寄生基极-集电极电容都会显示为基极和接地之间的较高电容。米勒效应也可以通过发射极简并来最小化。另一个策略是降低连接到底座的信号源的输出阻抗。

普通发射器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接近本底噪声的条件下运行。

公共集电极 配置也称为射极跟随器。它通常用作电压缓冲器。这里，基极连接到输入，发射极通过接地或连接到电源轨之一来连接到输出。

射极跟随器标签来自这样一个事实：电路的输出来自射极电阻。因此，该器件的常见应用是用作阻抗匹配电路，因为其输入阻抗高于其输出阻抗。它与逻辑门一起广泛应用于数字电路中。

由于射极跟随器电压增益大约比基极低 0.6V，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。与共发射极电路一样，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，集电极是输出。由于基极接地，因此输入输出共用。与其他两种配置相比，共基极配置的使用频率较低，因为它具有低输入阻抗和高输出阻抗，而这通常是不希望的。然而，它出现在高频应用中，因为基极将输入和输出分开，从而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反相，因此输入和输出波形同相，并且放大器是非反相的。共基极放大器应用有限的原因之一是其低输入阻抗。共基极输出可以很高，因此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。然而，电压增益可以在 100 到 2,000 之间。这一切都取决于偏置电阻。

一旦确定了大信号模型，就使用小信号模型。当向晶体管施加小信号时，它会根据所施加信号的幅度使工作点沿着 IV 特性曲线远离偏置点。电路通常被设置为使得与直流工作点的偏差使晶体管改变其工作模式，例如从有源区域进入截止区域。

小信号模型通常是双端口结构，通常包含 H 参数、混合 pi 模型或 T 模型。 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二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。 Hybrid-pi(也称为 Giacoletto)模型表示使用小信号基极-发射极电压和集电极-发射极电压作为自变量以及小信号基极电流和集电极电流作为因变量的 BJT。 T 或传输模型使用与混合 pi 模型类似的关系，但通常排列不同。通过使用矩阵代数运算，将一种类型参数转换为另一种类型参数通常很简单。

包含寄生元件的典型功率 MOSFET 模型。电感通常由封装的引线键合产生。寄生电容通常是由于半导体本身的几何特征造成的。晶体管的大信号和小信号分析都需要选择模型，指定已知值或固定值，并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，因此需要留出寄生电路元件的余量。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，寄生元件可能没有被很好地定义，特别是对于最先进的晶体管，如 GaN 或 SiC 功率器件，更特别是在高速开关时。例如，功率器件中的寄生电感通常主要是由半导体本身及其封装之间的引线键合造成的。设备制造商继续尝试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设备中看到的值。因此，可能需要进行大量的实验才能准确表征现代半导体的寄生效应。