Multisim仿真在BJT教学中的应用
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作者:郭家 郭向伟 杨有贞
摘 要 三极管有FET（场效应三极管）和BJT（双极型三极管）两大类型，双极型三极管一直是模拟电子技术教学中的重难点。Multisim作为常用的EDA软件，具有元器件容易查找、连线简单等优点。在剖析BJT特性的基础上，利用Multisim对其动静态工作过程进行仿真分析，辅助普通本科电类专业学生对双极型三极管特性及功能的理解。
关键词 BJT;Multisim;仿真;电极电流;电路;电类专业
中图分类号：TP391.9 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2019）19-0046-04
1 BJT特性及I-V曲线
BJT俗称半导体三极管，虽然如今场效应三极管已成为应用最广泛的电子器件，但BJT仍然是一种重要的电子器件，在某些应用领域（如汽车电子仪器、无线系统射频电路）仍具有一定优势。本节首先分析BJT的结构、载流子传输过程和电流分配关系，然后对BJT的I-V特性曲线进行分析。
BJT结构 BJT根据构成形式的不同，分为NPN型BJT和PNP型BJT，NPN型BJT结构示意图如图1所示，均包含发射区、基区、集电区，特点分别为：基区宽度很薄，而且掺杂浓度很低，这样可以使载流子更容易穿过基区，且在基区复合掉的载流子数量很少;发射区掺杂浓度很高，载流子更容易从发射区扩散到基区，形成电流;集电区面积很大，有利于有效地收集载流子。BJT的外特性与这三个区域的特点密切相关。
BJT载流子传输过程 BJT的电流放大作用是由其内部载流子的定向运动体现出来的。要实现电流放大作用，对于NPN管，必须保证基极电压大于发射极电压（即发射结正偏），基极电压小于集电极电压（即集电结反偏）;对于PNP管，必须保证发射极电压大于基极电压（即发射结正偏），基极电压大于集电极电压（即集电结反偏）。由此可知，只要BJT工作在放大区，基极电压的大小位于发射极与集电极之间，且与基极电压相差0.3 V或者0.7 V的电极为发射极，如果基极电压大于发射极电压，则为NPN管;如果发射极电压大于基极电压，则为PNP管。图2所示为NPN型BJT发射结加正偏电压，集电结加反偏电压时，载流子的传输过程[1]。
1）发射极电流IE的形成。针对图2所示NPN管，当基极电压大于发射极电压时，即发射结正偏时，由于发射区是N型半导体，多数载流子是自由电子且在发射区掺杂浓度较高，浓度的差异导致部分自由电子将穿过发射结扩散（扩散运动是自然界固有现象）到基区，多子电子的扩散形成电流IEN，方向与电子的运动方向相反。另外，在此过程中，基区为P型半导体，多数载流子是空穴，空穴也要扩散到发射区，想成电流IEP，IEN和IEP共同构成由发射结正偏电压控制的发射（极）结电流IE。由于基区很薄且掺杂浓度很低，因此基区空穴形成的扩散电流IEP很小，在近似计算过程中可忽略不计，IE受VBE控制的过程可近似由方程（1）表述：
其中，IES为发射结反向饱和电流。
2）基极复合电流IBN的形成。由于发射区掺杂浓度很高且基区很薄、掺杂浓度低，扩散到基区的自由电子，大部分进一步向集电区扩散，很少部分与基区P型半导体的空穴复合，形成很小的基区复合电流IBN。另外，由于集电区为N型半导体，多子也是自由电子，因此，发射区的自由电子多数扩散到集电结边界。至于到底有多少发射区的自由电子扩散到集电区，由集电极所加电压决定。
3）集电极电流IC的形成。放大状态下，集电极电压大于基极电压，即集电结加反偏电压，耗尽层的内电场被加强，这个内电场将吸引集电结附近由发射区扩散的自由电子穿过基区离子层而进一步向集电区运动，形成漂移电流ICN。当集电结反偏电压确定时，漂移电流ICN的大小由发射结电压控制，发射结电压越大，基区复合电流越大，导致漂移到集电区的自由电子数越少，漂移电流ICN越小;发射结电压越小，基区复合电流越小，导致漂移到集电区的自由电子数越多，漂移电流ICN越大，表达形式如式子（2）所示。
另外，当集电结加反偏电压时，基区和集电区本来固有的少子自由电子和空穴也要发生漂移运动，形成集电结的反向饱和电流ICBO，ICBO的方向与ICN一致，均与电子的运动方向相反。由于基区为P型半导体，本来掺杂浓度都很低，其多子空穴浓度较低，其少子自由电子的浓度更低，因此，集电结的反向饱和电流ICBO通常很小，在近似计算过程中完全可以忽略不计。ICN和ICBO一起构成集电极电流IC，表達形式如式子（3）所示。
BJT的电流分配关系 由式子（1）-（3）可见，BJT的基极电流为：
由BJT载流子传输过程的分析可知，发射区的多子自由电子大部分通过漂移运动形成电流ICN，只有小部分在基区参与复合，形成电流IBN。定义ICN与IE的比值为，则的取值范围应该是小于1但是接近1。
由载流子传输过程的分析可知，联立（3）（5）可得：将式子（4）代入式子（6）可得：其中，ICEO表示基极开路（Open，和下标O对应）时，集电极（C）到发射极（E）之间的反向饱和电流，在部分参考书及文献中也叫穿透电流。由上述分析过程可知，其值很小，当在近似计算过程中将其忽略时，式子（7）可简化为：
由式子（4）及式子（7）可得：以上分析结果即是BJT应用过程中三个电极间的电流分配关系，需要说明的是文章以NPN管为例，其电流分配结果同样适用于PNP管。
BJT的I-V特性曲线 BJT的I-V曲线能够使学生快速且印象深刻地掌握BJT的工作特性，文章以NPN管共射极连接（图3）时的I-V特性曲线为例，对BJT的输入输出曲线进行分析总结。
1）输入特性曲线。特性曲线如图4所示，横轴变量为vBE，竖轴变量为iB，描述了当输出电压vCE为某一数值（即以vCE为参考变量）时，输入电流iB与输入电压vBE之间的关系。图中三条曲线代表vCE分别为0 V、1 V、10 V时的输入特性。当vCE较小，集电结正偏或微小反偏时，集电结空间电荷区形成的内电场对自由电子的吸引能力较弱，此时基区的复合作用较强，所以在vBE相同的情况下，vCE越小，iB越大。随着vCE的增加，在vCE为1 V左右时，对于硅管，集电极上的反偏电压达到0.3 V，此时集电极对自由电子的吸引能力增加，导致iC增加，iB减小。同时，集电结空间电荷区变宽，进一步导致基区宽度变窄，基区复合运动减少，iB减小。通常将vCE变化引起基区有效宽度变化，致使基极电流iB变化的效应称为基区宽度调制效应[2]。 由图4可知，vCE=10 V和vCE=1 V的特性曲线比较接近，这是因为当vCE增大到1 V以后，集电极吸引电子的能力已足够强，如果保持vBE不变，即保持发射区扩散到基区的自由电子数目不变，此时集电极已经能够把扩散到基区的绝大部分自由电子吸引到集电区，以至于vCE继续增加，iB也不再明显减小。
2）输出特性曲线。输出特性曲线如图5所示，横轴为vCE，竖轴为iC，描述了当输入电流iB为某一数值时，输出集电极电流iC与电压vCE间的关系。
BJT工作在放大区时，发射结正偏电压大于开启电压，而集电结反偏，其输出特性曲线的特点是各条曲线几乎与横轴平行，但随着vCE增加，各条曲线略向上倾斜。这说明在该区域内，iC主要受iB控制。此时，vCE对iC的影响由基区宽度调制效应产生，即vCE增加，集电结内电场宽度增加，基区有效宽度减小，发射区扩散到基区的自由电子与基区空穴的复合机会减少，导致iC增加，即电流放大倍数略有增加，各条输出特性曲线略向上翘。
BJT工作在饱和区时，vCE较小，发射结正向偏置，集电结也正向偏置或者微小反向偏置，在该区域内，集电极收集载流子的能力较弱。这时，即使iB增加，iC也增加不多，或者基本不变，不再服从电流分配关系，但iC随vCE的增加会迅速上升。
截止区是指集电结反向偏置，发射结上偏置电压小于PN结的开启电压，发射极电流iC=0所对应的区域。
需要说明的是：NPN管和PNP管分析过程一致，只是两者的电压电流方向相反。文章以NPN管共射极电路为例，分析BJT特性曲线，其特性曲线处于坐标轴的第一象限;PNP管共射极特性曲线的形状和NPN一致，只是处于第三象限。当BJT输出特性曲线较平缓，且各条曲线间距近似一致时，上述直流电流分配关系同样适用于动态交流信号。
2 BJT放大电路的分析方法
BJT作為非线性放大器件，有两种分析方法：图解法和小信号模型法。
图解分析法 利用BJT的输入和输出电路方程和电流分配关系，可以求解当电路仅有直流信号时的直流负载线，和电路仅有交流信号时的交流负载线，将交直流负载线画在输出特性曲线上，即可直观地对BJT放大电路的静态及动态工作情况进行全面分析。
以图6所示固定偏置共射极放大电路为例，由电路的直流通路负载方程和交流通路的负载方程可求出交直流负载线，如图7所示。图解分析法的难点在于如何区分交直流负载线。图①曲线为交流负载线，②为直流负载线，区分交直流负载线重点在于理解其斜率的求解过程及大小判断，直流负载线的斜率为-1/RC，交流负载线的斜率为-1/（RC//RL）。
小信号模型（微变等效电路）分析法 小信号模型是BJT教学过程中的重难点。BJT是一个非线性器件，在输入为中低频小信号时，可以把BJT在静态工作点附近小范围内的I-V特性曲线近似地用直线代替，这时可用一个线性化的小信号模型代替BJT，从而将BJT放大电路当作线性电路来分析，简化分析过程。经过长期实践，H参数小信号模型被广泛采用[1-2]，如图8所示。当信号源信号为中低频小信号时，分析过程可以采用小信号模型等效替换放大电路中的三极管。需要强调的是，小信号模型中研究的电压、电流都是动态参数，是变化的量，因此不能用小信号模型来求解电路的直流参数，即静态工作点;但小信号模型参数与直流参数有关，它们都是在静态工作点的基础上求得的。
3 静态工作点估算仿真分析
Multisim仿真软件在电路分析中应用广泛，具有器件查找方便、电路搭建简单等优点。文章以基极分压式射极偏置电路为例，首先进行静态工作点的仿真分析，如图9所示。
由基极分压射极偏置电路原理可知，通过调节滑动变阻器R1，即可改变电路静态工作点参数;而输出端如果从集电极引出，则最终电路的输出信号是交流信号在直流信号上的叠加。因此，在静态工作点设置过程中需要让集电极直流电压近似为电源电压的一半，这样能够实现输出电压有最大的不失真幅度。需要说明的是：从能量损耗的角度出发，在保证输出波形不失真的前提下，静态工作点越低，放大电路能量损耗越小。
4 动态特性仿真分析
动态特性仿真模型如图10所示，动态特性的分析主要包含输入输出电阻和增益。
输入电阻的求解方法 在信号源和输入端之间串联一个电阻R2，流过R2的电流和流过输入电阻的电流相等，则根据分压原理可知：
以此即可求出输入电阻。
输出电阻的求法 首先测量不接负载（开路）时的输出电压Uo，此时输出开路，所以输出电阻无分压;然后接上一个已知负载RL，测量UL，则根据分压原理可知：
以此即可求出输出电阻。
增益的求解方法 可以利用示波器直接观察读数求解。文章所示例子对应的示波器输出如图11所示;或者画出小信号等效电路模型，列电路方程求解。
5 结语
文章以辅助BJT教学为目的，首先对BJT的特性进行分析，然后利用Multisim软件对基极分压式的射极偏置电路进行仿真分析，辅助普通本科电类专业学生对双极型三极管特性及功能的理解。
参考文献
[1]康华光，陈大钦，张林.电子技术基础：模拟部分[M].北京：高等教育出版社，2013：158-213.
[2]华成英，童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2015：78-126.
[3]王鲁云，于海霞.模拟电路实验综合教程[M].北京：清华大学出版社，2017：1-236.
[4]郭永新.电子学实验教程[M].北京：清华大学出版社，
2017：1-166.
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