ANALOG DESIGN ESSENTIALS · CHAPTER 02

射极跟随器:有限 β 与高频阻抗

从电路方程到教材结论 · 每步必要近似 · 原图与讲解可追溯

本组继承 共同模型与假设。含教材符号、近似或模型差异,请连同相应说明阅读。

BJT 高频输出阻抗:有限 β 与扩散电容

对应:0244。

先指定足够完整的模型

集电极接 AC 地;基极经 RSR_S 接地(测量输出阻抗时输入置零),忽略基区扩展电阻时:

gπ=1/rπ=gm/β,Yπ=gπ+sCπ,Cπ=CjE+gmτF.g_\pi=1/r_\pi=g_m/\beta,\quad Y_\pi=g_\pi+sC_\pi,\quad C_\pi=C_{jE}+g_m\tau_F.

CμC_\mu 是基极–集电极电容,CCEC_{CE} 是发射极对 AC 地电容。若要保留 rbr_b,将外部 RSR_S 换成 RS+rbR_S+r_b。

由基极与发射极 KCL:

[GS+Yπ+sCμ−Yπ−(gm+Yπ)gm+Yπ+go+sCCE][vbve]=[0it].\begin{bmatrix} G_S+Y_\pi+sC_\mu&-Y_\pi\\ -(g_m+Y_\pi)&g_m+Y_\pi+g_o+sC_{CE} \end{bmatrix} \begin{bmatrix}v_b\\v_e\end{bmatrix} =\begin{bmatrix}0\\i_t\end{bmatrix}.

因此

Ze(s)=N(s)D(s),N=GS+Yπ+sCμ,Z_e(s)=\frac{N(s)}{D(s)},\quad N=G_S+Y_\pi+sC_\mu, D=N(gm+Yπ+go+sCCE)−Yπ(gm+Yπ).D=N(g_m+Y_\pi+g_o+sC_{CE})-Y_\pi(g_m+Y_\pi).

这是本模型内完整式;用其二次多项式的判别式求复极点,用 D(sz)D(s_z) 检查相消。

零点与教材对照

sz=−GS+gπCπ+Cμ,fz=12π(RS∥rπ)(Cπ+Cμ).s_z=-\frac{G_S+g_\pi}{C_\pi+C_\mu},\qquad f_z=\frac1{2\pi(R_S\parallel r_\pi)(C_\pi+C_\mu)}.

这一式直接重现 0244 的零点。β→∞\beta\to\infty 才能把 RS∥rπR_S\parallel r_\pi 改成 RSR_S。

在 go=0g_o=0 下,常见的非退化相消条件来自 gm+Yπ(sz)=0g_m+Y_\pi(s_z)=0:

gm(Cπ+Cμ)+gπCμ−GSCπ=0.g_m(C_\pi+C_\mu)+g_\pi C_\mu-G_SC_\pi=0.

代入 Cπ=CjE+gmτFC_\pi=C_{jE}+g_m\tau_F、gπ=gm/βg_\pi=g_m/\beta:

τFgm2+gm(CjE+Cμ+Cμ/β−GSτF)−GSCjE=0.\tau_Fg_m^2+ g_m(C_{jE}+C_\mu+C_\mu/\beta-G_S\tau_F) -G_SC_{jE}=0.

令括号系数为 bb,可用正根

gm,cancel=−b+b2+4τFGSCjE2τF.g_{m,\rm cancel}=\frac{-b+\sqrt{b^2+4\tau_FG_SC_{jE}}}{2\tau_F}.

若扩散电容可忽略、β≫1\beta\gg1,才化为

gm,cancel≃CjERS(CjE+Cμ).g_{m,\rm cancel}\simeq\frac{C_{jE}}{R_S(C_{jE}+C_\mu)}.

哪些原图公式不能直接当精确值

0244 的 gmu≃(CjE+CCE)/[RS(CjE+Cμ)]g_{mu}\simeq(C_{jE}+C_{CE})/[R_S(C_{jE}+C_\mu)] 在 CCE≪CjEC_{CE}\ll C_{jE}、gmτF≪CjEg_m\tau_F\ll C_{jE}、β≫1\beta\gg1 时接近上式;任意保留 CCEC_{CE} 时并非完整模型的相消解。

原图的 gmr=(Cπ+CCE)/[RS(Cπ+Cμ)]g_{mr}=(C_\pi+C_{CE})/[R_S(C_\pi+C_\mu)] 也不能直接视为精确复极点区域中心。若冻结所有电容且取 β→∞,go=0\beta\to\infty,g_o=0,上一组推导的中心应为

gmr,frozen=Cπ+CCERSCμ.g_{mr,\rm frozen}=\frac{C_\pi+C_{CE}}{R_SC_\mu}.

这与原式分母不同。若让 CπC_\pi 随 gmg_m 变动,则需指定 τF,CjE,β\tau_F,C_{jE},\beta 再解判别式,不能只替换字母。此原图中心式列为模型/符号待厘清,未标成已证明。

感性阻抗

再忽略 gπ,go,Cμ,CCEg_\pi,g_o,C_\mu,C_{CE},可得

Ze=1+sRSCπgm+sCπ.Z_e=\frac{1+sR_SC_\pi}{g_m+sC_\pi}.

在 ω≪ωT=gm/Cπ\omega\ll\omega_T=g_m/C_\pi 展开:

Ze≃1gm+sCπgm(RS−1gm).Z_e\simeq\frac1{g_m} +s\frac{C_\pi}{g_m}\left(R_S-\frac1{g_m}\right).

若 gmRS≫1g_mR_S\gg1,等效电感 L≃RS/ωTL\simeq R_S/\omega_T,重现原图。

方法与限制

不另画 SFG:它是上一组模型增加 gπg_\pi 的版本,矩阵最容易核对。不能用「BJT 类似 MOS」而省掉有限电流增益 β、扩散电容及原图未交代的跨导扫描条件。符号检查涵盖矩阵、零点与相消条件,未确认的 gmrg_{mr} 式明列于差异表。

来源对照

幻灯片 PDF 页 书本页 讲解所在 PDF 页
0244 72 73 71, 72

Spectre 仿真结果

本推导组的代表模型已完成 Spectre 验证;覆盖范围以所列网表为准,未逐一搭建所有幻灯片电路。

线性 AC 1 · MOS 电路 0 · 极零 0 · 瞬态 0:所列检查全部通过。

案例:bjt_follower_z

查看本组波形、模型条件与 CSV → · 仿真 Markdown 解释

来源幻灯片与讲解定位(1 张)
原书幻灯片 0244
0244 · PDF 72/书本 73 · 原图及完整讲解