Multisim仿真在BJT教學(xué)中的應(yīng)用

郭家 郭向偉 楊有貞

摘? 要 三極管有FET（場(chǎng)效應(yīng)三極管）和BJT（雙極型三極管）兩大類型，雙極型三極管一直是模擬電子技術(shù)教學(xué)中的重難點(diǎn)。Multisim作為常用的EDA軟件，具有元器件容易查找、連線簡單等優(yōu)點(diǎn)。在剖析BJT特性的基礎(chǔ)上，利用Multisim對(duì)其動(dòng)靜態(tài)工作過程進(jìn)行仿真分析，輔助普通本科電類專業(yè)學(xué)生對(duì)雙極型三極管特性及功能的理解。

關(guān)鍵詞 BJT;Multisim;仿真;電極電流;電路;電類專業(yè)

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）19-0046-04

1 BJT特性及I-V曲線

BJT俗稱半導(dǎo)體三極管，雖然如今場(chǎng)效應(yīng)三極管已成為應(yīng)用最廣泛的電子器件，但BJT仍然是一種重要的電子器件，在某些應(yīng)用領(lǐng)域（如汽車電子儀器、無線系統(tǒng)射頻電路）仍具有一定優(yōu)勢(shì)。本節(jié)首先分析BJT的結(jié)構(gòu)、載流子傳輸過程和電流分配關(guān)系，然后對(duì)BJT的I-V特性曲線進(jìn)行分析。

BJT結(jié)構(gòu)? BJT根據(jù)構(gòu)成形式的不同，分為NPN型BJT和PNP型BJT，NPN型BJT結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，均包含發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)，特點(diǎn)分別為：基區(qū)寬度很薄，而且摻雜濃度很低，這樣可以使載流子更容易穿過基區(qū)，且在基區(qū)復(fù)合掉的載流子數(shù)量很少;發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高，載流子更容易從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)，形成電流;集電區(qū)面積很大，有利于有效地收集載流子。BJT的外特性與這三個(gè)區(qū)域的特點(diǎn)密切相關(guān)。

BJT載流子傳輸過程? BJT的電流放大作用是由其內(nèi)部載流子的定向運(yùn)動(dòng)體現(xiàn)出來的。要實(shí)現(xiàn)電流放大作用，對(duì)于NPN管，必須保證基極電壓大于發(fā)射極電壓（即發(fā)射結(jié)正偏），基極電壓小于集電極電壓（即集電結(jié)反偏）;對(duì)于PNP管，必須保證發(fā)射極電壓大于基極電壓（即發(fā)射結(jié)正偏），基極電壓大于集電極電壓（即集電結(jié)反偏）。由此可知，只要BJT工作在放大區(qū)，基極電壓的大小位于發(fā)射極與集電極之間，且與基極電壓相差0.3 V或者0.7 V的電極為發(fā)射極，如果基極電壓大于發(fā)射極電壓，則為NPN管;如果發(fā)射極電壓大于基極電壓，則為PNP管。圖2所示為NPN型BJT發(fā)射結(jié)加正偏電壓，集電結(jié)加反偏電壓時(shí)，載流子的傳輸過程[1]。

1）發(fā)射極電流IE的形成。針對(duì)圖2所示NPN管，當(dāng)基極電壓大于發(fā)射極電壓時(shí)，即發(fā)射結(jié)正偏時(shí)，由于發(fā)射區(qū)是N型半導(dǎo)體，多數(shù)載流子是自由電子且在發(fā)射區(qū)摻雜濃度較高，濃度的差異導(dǎo)致部分自由電子將穿過發(fā)射結(jié)擴(kuò)散（擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是自然界固有現(xiàn)象）到基區(qū)，多子電子的擴(kuò)散形成電流IEN，方向與電子的運(yùn)動(dòng)方向相反。另外，在此過程中，基區(qū)為P型半導(dǎo)體，多數(shù)載流子是空穴，空穴也要擴(kuò)散到發(fā)射區(qū)，想成電流IEP，IEN和IEP共同構(gòu)成由發(fā)射結(jié)正偏電壓控制的發(fā)射（極）結(jié)電流IE。由于基區(qū)很薄且摻雜濃度很低，因此基區(qū)空穴形成的擴(kuò)散電流IEP很小，在近似計(jì)算過程中可忽略不計(jì)，IE受VBE控制的過程可近似由方程（1）表述：

其中，IES為發(fā)射結(jié)反向飽和電流。

2）基極復(fù)合電流IBN的形成。由于發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高且基區(qū)很薄、摻雜濃度低，擴(kuò)散到基區(qū)的自由電子，大部分進(jìn)一步向集電區(qū)擴(kuò)散，很少部分與基區(qū)P型半導(dǎo)體的空穴復(fù)合，形成很小的基區(qū)復(fù)合電流IBN。另外，由于集電區(qū)為N型半導(dǎo)體，多子也是自由電子，因此，發(fā)射區(qū)的自由電子多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)邊界。至于到底有多少發(fā)射區(qū)的自由電子擴(kuò)散到集電區(qū)，由集電極所加電壓決定。

3）集電極電流IC的形成。放大狀態(tài)下，集電極電壓大于基極電壓，即集電結(jié)加反偏電壓，耗盡層的內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)，這個(gè)內(nèi)電場(chǎng)將吸引集電結(jié)附近由發(fā)射區(qū)擴(kuò)散的自由電子穿過基區(qū)離子層而進(jìn)一步向集電區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成漂移電流ICN。當(dāng)集電結(jié)反偏電壓確定時(shí)，漂移電流ICN的大小由發(fā)射結(jié)電壓控制，發(fā)射結(jié)電壓越大，基區(qū)復(fù)合電流越大，導(dǎo)致漂移到集電區(qū)的自由電子數(shù)越少，漂移電流ICN越小;發(fā)射結(jié)電壓越小，基區(qū)復(fù)合電流越小，導(dǎo)致漂移到集電區(qū)的自由電子數(shù)越多，漂移電流ICN越大，表達(dá)形式如式子（2）所示。

另外，當(dāng)集電結(jié)加反偏電壓時(shí)，基區(qū)和集電區(qū)本來固有的少子自由電子和空穴也要發(fā)生漂移運(yùn)動(dòng)，形成集電結(jié)的反向飽和電流ICBO，ICBO的方向與ICN一致，均與電子的運(yùn)動(dòng)方向相反。由于基區(qū)為P型半導(dǎo)體，本來摻雜濃度都很低，其多子空穴濃度較低，其少子自由電子的濃度更低，因此，集電結(jié)的反向飽和電流ICBO通常很小，在近似計(jì)算過程中完全可以忽略不計(jì)。ICN和ICBO一起構(gòu)成集電極電流IC，表達(dá)形式如式子（3）所示。

BJT的電流分配關(guān)系? 由式子（1）-（3）可見，BJT的基極電流為：

由BJT載流子傳輸過程的分析可知，發(fā)射區(qū)的多子自由電子大部分通過漂移運(yùn)動(dòng)形成電流ICN，只有小部分在基區(qū)參與復(fù)合，形成電流IBN。定義ICN與IE的比值為，則的取值范圍應(yīng)該是小于1但是接近1。

由載流子傳輸過程的分析可知，聯(lián)立（3）（5）可得：將式子（4）代入式子（6）可得：其中，ICEO表示基極開路（Open，和下標(biāo)O對(duì)應(yīng)）時(shí)，集電極（C）到發(fā)射極（E）之間的反向飽和電流，在部分參考書及文獻(xiàn)中也叫穿透電流。由上述分析過程可知，其值很小，當(dāng)在近似計(jì)算過程中將其忽略時(shí)，式子（7）可簡化為：

由式子（4）及式子（7）可得：以上分析結(jié)果即是BJT應(yīng)用過程中三個(gè)電極間的電流分配關(guān)系，需要說明的是文章以NPN管為例，其電流分配結(jié)果同樣適用于PNP管。

BJT的I-V特性曲線? BJT的I-V曲線能夠使學(xué)生快速且印象深刻地掌握BJT的工作特性，文章以NPN管共射極連接（圖3）時(shí)的I-V特性曲線為例，對(duì)BJT的輸入輸出曲線進(jìn)行分析總結(jié)。

1）輸入特性曲線。特性曲線如圖4所示，橫軸變量為vBE，豎軸變量為iB，描述了當(dāng)輸出電壓vCE為某一數(shù)值（即以vCE為參考變量）時(shí)，輸入電流iB與輸入電壓vBE之間的關(guān)系。圖中三條曲線代表vCE分別為0 V、1 V、10 V時(shí)的輸入特性。當(dāng)vCE較小，集電結(jié)正偏或微小反偏時(shí)，集電結(jié)空間電荷區(qū)形成的內(nèi)電場(chǎng)對(duì)自由電子的吸引能力較弱，此時(shí)基區(qū)的復(fù)合作用較強(qiáng)，所以在vBE相同的情況下，vCE越小，iB越大。隨著vCE的增加，在vCE為1 V左右時(shí)，對(duì)于硅管，集電極上的反偏電壓達(dá)到0.3 V，此時(shí)集電極對(duì)自由電子的吸引能力增加，導(dǎo)致iC增加，iB減小。同時(shí)，集電結(jié)空間電荷區(qū)變寬，進(jìn)一步導(dǎo)致基區(qū)寬度變窄，基區(qū)復(fù)合運(yùn)動(dòng)減少，iB減小。通常將vCE變化引起基區(qū)有效寬度變化，致使基極電流iB變化的效應(yīng)稱為基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)[2]。

由圖4可知，vCE=10 V和vCE=1 V的特性曲線比較接近，這是因?yàn)楫?dāng)vCE增大到1 V以后，集電極吸引電子的能力已足夠強(qiáng)，如果保持vBE不變，即保持發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的自由電子數(shù)目不變，此時(shí)集電極已經(jīng)能夠把擴(kuò)散到基區(qū)的絕大部分自由電子吸引到集電區(qū)，以至于vCE繼續(xù)增加，iB也不再明顯減小。

2）輸出特性曲線。輸出特性曲線如圖5所示，橫軸為vCE，豎軸為iC，描述了當(dāng)輸入電流iB為某一數(shù)值時(shí)，輸出集電極電流iC與電壓vCE間的關(guān)系。

BJT工作在放大區(qū)時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏電壓大于開啟電壓，而集電結(jié)反偏，其輸出特性曲線的特點(diǎn)是各條曲線幾乎與橫軸平行，但隨著vCE增加，各條曲線略向上傾斜。這說明在該區(qū)域內(nèi)，iC主要受iB控制。此時(shí)，vCE對(duì)iC的影響由基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)產(chǎn)生，即vCE增加，集電結(jié)內(nèi)電場(chǎng)寬度增加，基區(qū)有效寬度減小，發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的自由電子與基區(qū)空穴的復(fù)合機(jī)會(huì)減少，導(dǎo)致iC增加，即電流放大倍數(shù)略有增加，各條輸出特性曲線略向上翹。

BJT工作在飽和區(qū)時(shí)，vCE較小，發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)也正向偏置或者微小反向偏置，在該區(qū)域內(nèi)，集電極收集載流子的能力較弱。這時(shí)，即使iB增加，iC也增加不多，或者基本不變，不再服從電流分配關(guān)系，但iC隨vCE的增加會(huì)迅速上升。

截止區(qū)是指集電結(jié)反向偏置，發(fā)射結(jié)上偏置電壓小于PN結(jié)的開啟電壓，發(fā)射極電流iC=0所對(duì)應(yīng)的區(qū)域。

需要說明的是：NPN管和PNP管分析過程一致，只是兩者的電壓電流方向相反。文章以NPN管共射極電路為例，分析BJT特性曲線，其特性曲線處于坐標(biāo)軸的第一象限;PNP管共射極特性曲線的形狀和NPN一致，只是處于第三象限。當(dāng)BJT輸出特性曲線較平緩，且各條曲線間距近似一致時(shí)，上述直流電流分配關(guān)系同樣適用于動(dòng)態(tài)交流信號(hào)。

2 BJT放大電路的分析方法

BJT作為非線性放大器件，有兩種分析方法：圖解法和小信號(hào)模型法。

圖解分析法? 利用BJT的輸入和輸出電路方程和電流分配關(guān)系，可以求解當(dāng)電路僅有直流信號(hào)時(shí)的直流負(fù)載線，和電路僅有交流信號(hào)時(shí)的交流負(fù)載線，將交直流負(fù)載線畫在輸出特性曲線上，即可直觀地對(duì)BJT放大電路的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)工作情況進(jìn)行全面分析。

以圖6所示固定偏置共射極放大電路為例，由電路的直流通路負(fù)載方程和交流通路的負(fù)載方程可求出交直流負(fù)載線，如圖7所示。圖解分析法的難點(diǎn)在于如何區(qū)分交直流負(fù)載線。圖①曲線為交流負(fù)載線，②為直流負(fù)載線，區(qū)分交直流負(fù)載線重點(diǎn)在于理解其斜率的求解過程及大小判斷，直流負(fù)載線的斜率為-1/RC，交流負(fù)載線的斜率為-1/（RC//RL）。

小信號(hào)模型（微變等效電路）分析法? 小信號(hào)模型是BJT教學(xué)過程中的重難點(diǎn)。BJT是一個(gè)非線性器件，在輸入為中低頻小信號(hào)時(shí)，可以把BJT在靜態(tài)工作點(diǎn)附近小范圍內(nèi)的I-V特性曲線近似地用直線代替，這時(shí)可用一個(gè)線性化的小信號(hào)模型代替BJT，從而將BJT放大電路當(dāng)作線性電路來分析，簡化分析過程。經(jīng)過長期實(shí)踐，H參數(shù)小信號(hào)模型被廣泛采用[1-2]，如圖8所示。當(dāng)信號(hào)源信號(hào)為中低頻小信號(hào)時(shí)，分析過程可以采用小信號(hào)模型等效替換放大電路中的三極管。需要強(qiáng)調(diào)的是，小信號(hào)模型中研究的電壓、電流都是動(dòng)態(tài)參數(shù)，是變化的量，因此不能用小信號(hào)模型來求解電路的直流參數(shù)，即靜態(tài)工作點(diǎn);但小信號(hào)模型參數(shù)與直流參數(shù)有關(guān)，它們都是在靜態(tài)工作點(diǎn)的基礎(chǔ)上求得的。

3 靜態(tài)工作點(diǎn)估算仿真分析

Multisim仿真軟件在電路分析中應(yīng)用廣泛，具有器件查找方便、電路搭建簡單等優(yōu)點(diǎn)。文章以基極分壓式射極偏置電路為例，首先進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)的仿真分析，如圖9所示。

由基極分壓射極偏置電路原理可知，通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R1，即可改變電路靜態(tài)工作點(diǎn)參數(shù);而輸出端如果從集電極引出，則最終電路的輸出信號(hào)是交流信號(hào)在直流信號(hào)上的疊加。因此，在靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置過程中需要讓集電極直流電壓近似為電源電壓的一半，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)輸出電壓有最大的不失真幅度。需要說明的是：從能量損耗的角度出發(fā)，在保證輸出波形不失真的前提下，靜態(tài)工作點(diǎn)越低，放大電路能量損耗越小。

4 動(dòng)態(tài)特性仿真分析

動(dòng)態(tài)特性仿真模型如圖10所示，動(dòng)態(tài)特性的分析主要包含輸入輸出電阻和增益。

輸入電阻的求解方法? 在信號(hào)源和輸入端之間串聯(lián)一個(gè)電阻R2，流過R2的電流和流過輸入電阻的電流相等，則根據(jù)分壓原理可知：

以此即可求出輸入電阻。

輸出電阻的求法? 首先測(cè)量不接負(fù)載（開路）時(shí)的輸出電壓Uo，此時(shí)輸出開路，所以輸出電阻無分壓;然后接上一個(gè)已知負(fù)載RL，測(cè)量UL，則根據(jù)分壓原理可知：

以此即可求出輸出電阻。

增益的求解方法? 可以利用示波器直接觀察讀數(shù)求解。文章所示例子對(duì)應(yīng)的示波器輸出如圖11所示;或者畫出小信號(hào)等效電路模型，列電路方程求解。

5 結(jié)語

文章以輔助BJT教學(xué)為目的，首先對(duì)BJT的特性進(jìn)行分析，然后利用Multisim軟件對(duì)基極分壓式的射極偏置電路進(jìn)行仿真分析，輔助普通本科電類專業(yè)學(xué)生對(duì)雙極型三極管特性及功能的理解。

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