翻译 晶体管的导纳特性1

晶体管的导纳特性 第四章中通过史密斯圆图对导纳做了简单的介绍。阻抗的倒数称为导纳,其表达式为: Y =G±jB, 其中G为阻抗的倒数称为电导，B为电抗的倒数称为电纳。G和jB都为关于并联原件阻抗（Z =R±jX）的表示。 利用晶体管的导纳特性不仅可以分析晶体管的频率特性以及确定晶体管的偏置电压。同时可利用电纳特性表示输出端满足的一定条件。导纳特性可应用于晶体管谐振回路的，控制最大增益和工作的稳定性。简而言之，这为电路设计者提供了一个晶体管模型，在设计中可充分利用其特性设计特定的电路。 晶体管作为两端口网络 晶体管有三个端口，三个端口分别称为发射极、基极和集电极。如图5-11所示为发射极，它是输入和输出的公共端。如图5-11A所示为共发射极电路。晶体管的发射极接地且发射极为输入和输出网络的公共端和输出端口。 图5-11三极管的三种组态 综上所述为了方便对三极管的理解可将三极管描述为两端口网络，分别为输入端和输出端。如图5-12晶体管二端口网络框图 图5-12晶体管二端口网络框图 通过二端口描述晶体管的工作状态可更直观完整的在输出端观察其晶体管的工作特性。 两端口网络的导纳Y参数 晶体管二端口参数可以用来全面地描述晶体管的在某一频率和偏置点的工作方式和工作特点。同时考虑三极管是否工作在线性工作区。利用框图5-12的输入输出关系可得到关于变量Y（导纳）的特征曲线。 根据图5-12可得到变量Y特性：     （eq 5-1） （eq 5-2） （eq 5-3） （eq 5-4） 其中： yi为输入短路导纳。 yr为反向传输短路导纳。 yf为正向传输短路导纳。 yo为输出短路导纳。 短路是指V1和V2的负端在交流通路中都接地，但是不适于直流通路中，短路分析只适于分析交流信号。在交流通路中实现V1和V2的负端接地一般采用的是在公共端与地之间并联一个大电容。如公式eq 5-1，为了保证yi处于工作状态，首先必须在电路的输出端并接一个大电容使得V2等于零。在输入端输入电压已知信号V1，测得其产生的电流I1。I1和V1之比和他们之间的相位关系就是电路的输入短路导纳。导纳的表达形式一般为G±jB。同样的，通过利用开路的方法和输入电压V1可测得电流I2。利用公式（eq 5-2）可以求得反向传输短路导纳yr。利用同样的方法可以分别求得yf和yo。 因为对三极管进行了二端口模型的定义，所以可利用短路的方法来求解导纳参数。如框图5-12所示，通过框图可以很明显的得出I1可以根据输入电压V1来求解得到，但是框图不能反映电流I1和输出电压V2的关系。根据晶体管的内部反馈(Rb_c and Cc)可得到电流I1和输出电压V2的关系。表达式为： I1 = yiV1 + yrV2          (Eq. 5-5) 通过表达式可以看出电流I1与输入导纳、负反馈导纳、输入电压和输出电压的关系。值得注意的是当假设V2等于零的时候I1只与电路输入电压和输入导纳有关系。换言之，输入导纳可根据输入电压V1和测得的电流I1来求得。同理，假设V1等于零可以求得yr。 输出电流表达式为： I2 = yf V1 + yoV2          (Eq. 5-6) 等式5-3和5-4可通过假设V1或者V2等于零代入等式5-6得到。 晶体管生产商通常会将晶体管的导纳参数提供给设计者，在电路设计中起到参考作用。但是在高频段晶体管的导纳参数很难通过测量得到。在高频段，输入信号频率太高而无法的达到短路的状态从而得不到导纳参数。第一章讲过，电容在频率很高的情况下不能被视为短路而是有一定的电抗。在引入这个电容电抗后，使得电路无法达到上面所说的短路状态即端口电压不可能为零，这使得测量结果无效。短路端的高阻抗使得测量结果误差更大。当然还有其他的方法来使公共端在特定的频率点短路。但是这些方法大多都比较难实现，同时也有很多不足之处。这些方法在输入信号频率很高时无法真正实现公共端接地短路。近年来，在高频特性晶体管的应用和分析中引入S参数已成为总的发展趋势。 S参数介绍 S参数在高频或射频电路的设计中起到非常重要的作用。大多数高频晶体管生产厂家都会将高频晶体管的S参数提供给设计者。相对导纳参数Y来说S参数比较容易测量得到，这使得S参数得到越来越广泛的应用。S参数简单易懂、方便快捷同时提供了大量信息使晶体管特性一目了然。 导纳参数Y利用输入输出电压和电流描述双端口网络的工作状态，S参数利用归一化思想来反映网络中各个端口的工作状态。此外，利用S参数对双端口电路进行分析时不需要使电路的输入输出公共端接地短路。相反而是利用阻抗特性对双端口网络系统进行分析。在大多数系统分析中，采用50欧姆的纯电阻。50欧姆的电阻对输出的要求比Y参数测量的短路要求更容易控制，较易于测量。此外待测电路双端口网络负载为50欧姆时，如果电路工作则系统是稳定的，反之则为不工作。利用短路来分析系统的方法并不适于所有情况，对于有源器件来讲往往不允许短路接地应用于其端口。这容易使得输出电路不稳定。比如晶体管电路，当电路不稳定时无法得到测量结果。S参数比较容易测量得到也简便易懂使得S参数广泛应用于放大器和振荡器的设计。 传输线基础 为了更好的理解S参数的概念，首先要对传输线理论有有一定的了解。这些对传输系统的分析方法较为广泛的应用于各种书籍中。但是,要能够通过信号在传输系统传递过程中对传输线原理有更形象的了解。如图5-13： 图5-13传输系统中的输入信号和反馈信号 电压，电流和或功率自电源阻抗Zs传输到负载阻抗Zl。传输过程中应考虑到干扰和反馈，和传输过程中的传输线特性阻抗Zo。如果负载阻抗Zl等于Zo则输入信号完全加载到负载上，没有反馈。反之，当负载阻抗Zl不等于Zo，输入信号无法全部加载到负载上有一部分通过反馈的形式反馈到输入信号源上。如果电源阻抗等于Zo时，负载端的反馈信号将会全部加载到信号源上不能进行下一次的反馈。当然，当如果电源阻抗不等于Zo时，负载输出部分反馈到输入端，输入端传输到负载上，整个过程不断重复(无损压缩输电线路)。Zo Zl Zs三者的不匹配程度可以得到信号反馈的程度。反馈信号与输入信号的比值称为反馈系数。只是一个衡量传输线和输出端阻抗之间的匹配质量。反馈系数利用一个复数式表示，表示幅度和相位的变化： =反馈系数 =ρ∠θ                  (Eq. 5-7) 根据传输电路的特征阻抗与输出阻抗的匹配可以得到当输出回路阻抗增大时，反馈信号会变小。利用式(Eq. 5-7)可知反馈系数将会减小。当传输电路的特征阻抗与输出阻抗完全匹配时没有反馈信号此时反馈系数为零。当负载阻抗为零时即负载短路时负载接收的信号将完全反馈回输入端，此时反馈系数为1称为完全失配。因此反馈系数的值在0和1之间。如果要实现反馈系数大于1即反馈信号大于输入信号。为了实现这种情况相关的负载必须是信号源。这个概念对于振荡器的设计有很大的帮助，但是反馈系数大于1时对于放大器的输入回路是非常不利的。 在第四章讲到，反馈系数可以通过阻抗的形式进行表达。例如，如图5-13所示为电路负载的反馈系数可表示为：     当Zl等于Zo时根据（eq5-8）可得反馈系数为零。相反当Zl等于零时反馈系数为1。因此，公式（eq5-8）体现了上面我们讨论的概念。 通常方程5-8表达传输线特性阻抗。分解方程5-8的分子分母可得到： 其中Zn为归一化负载阻抗。 公式5-9与第四章的描述史密斯圆图的方程是一样的。事实上反馈系数可直接在史密斯圆图直接描绘，也可以通过负载电阻直接读出反馈系数，不需要通过方程5-8和5-9来计算得到。反过来也是如此，给定一个特定的特征传输线阻抗和负载阻抗，反馈系数可直接通过图直接读取得到。不用计算也可以得到，如例5-1. 如例5-1中一旦你熟悉与图表，通过查表在三十秒内就可得到结果。显然，一个替代的解决办法是使用公式5-8或5-9计算得到。