大多數(shù)電路仿真都涉及晶體管，無(wú)論是作為分立元件還是在集成電路中。因此，了解 Spice 如何對(duì)晶體管建模的一些基礎(chǔ)知識(shí)很有用。

晶體管可能有多種狀態(tài)，通常是飽和、截止、有效和反向。晶體管具有由直流偏置定義的工作點(diǎn)或靜態(tài)點(diǎn)。只要工作點(diǎn)落在特定的工作區(qū)域內(nèi)，晶體管就會(huì)按照該特定狀態(tài)中定義的方式執(zhí)行。但如果工作點(diǎn)跨入另一個(gè)區(qū)域，晶體管的操作就會(huì)發(fā)生變化。

開發(fā)晶體管模型是為了定義這些區(qū)域的范圍，并選擇可以維持操作的最佳或最優(yōu)工作點(diǎn)或靜態(tài) (Q) 點(diǎn)。

通常，晶體管模型有兩類。大信號(hào)模型用于根據(jù)晶體管的配置確定其直流偏置。例如，雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 具有三種共模配置：

在共發(fā)射極中，直流電流從集電極流向發(fā)射極，從基極流向發(fā)射極。交流信號(hào)施加到基極，并從集電極獲取輸出。在共基極電路中，直流電流從集電極流向發(fā)射極，再?gòu)募姌O流向基極。交流信號(hào)輸入施加到發(fā)射極，輸出從集電極獲取。在共集電極電路中，直流電流從基極流向集電極，再?gòu)募姌O流向發(fā)射極。交流信號(hào)輸入施加到基極，輸出從發(fā)射極獲取。

共發(fā)射極是三種基本配置中最常用的。一個(gè)重要的特性是它使輸出相對(duì)于輸入反相，如果反相級(jí)的數(shù)量為偶數(shù)，則這種效應(yīng)就會(huì)被消除。

共發(fā)射極電路存在兩個(gè)常見問題，這兩個(gè)問題都可以通過適當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)來(lái)緩解。一個(gè)困難在于，在共發(fā)射極配置中，放大器可能具有高增益，但由于制造變化、溫度和偏置電流，該增益往往是不可預(yù)測(cè)的。自動(dòng)增益可以處理這些變化，但隨之而來(lái)的是，共發(fā)射極配置中的晶體管可能會(huì)進(jìn)入截止或振蕩狀態(tài)，并且輸出可能會(huì)出現(xiàn)削波。

其他困難包括低輸入動(dòng)態(tài)范圍和高失真。然而，這些問題可以通過發(fā)射極退化來(lái)解決，發(fā)射極退化是通過在發(fā)射極和公共信號(hào)源之間放置一個(gè)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該電阻通常接地或連接到電源軌之一。 (通常的做法是通過減少增益來(lái)增強(qiáng)穩(wěn)定性。)

由于米勒效應(yīng)，共發(fā)射極放大器通常表現(xiàn)出低帶寬，這適用于反相放大器。任何寄生基極-集電極電容都會(huì)顯示為基極和接地之間的較高電容。米勒效應(yīng)也可以通過發(fā)射極簡(jiǎn)并來(lái)最小化。另一個(gè)策略是降低連接到底座的信號(hào)源的輸出阻抗。

普通發(fā)射器經(jīng)常用作無(wú)線電通信中的低噪聲放大器，例如電視和互聯(lián)網(wǎng)接入衛(wèi)星天線、醫(yī)療儀器和電子測(cè)試設(shè)備，這些設(shè)備通常必須在接近本底噪聲的條件下運(yùn)行。

公共集電極 配置也稱為射極跟隨器。它通常用作電壓緩沖器。這里，基極連接到輸入，發(fā)射極通過接地或連接到電源軌之一來(lái)連接到輸出。

射極跟隨器標(biāo)簽來(lái)自這樣一個(gè)事實(shí)：電路的輸出來(lái)自射極電阻。因此，該器件的常見應(yīng)用是用作阻抗匹配電路，因?yàn)槠漭斎胱杩垢哂谄漭敵鲎杩?。它與邏輯門一起廣泛應(yīng)用于數(shù)字電路中。

由于射極跟隨器電壓增益大約比基極低 0.6V，因此共集電極晶體管被視為射極跟隨器。它用于電流增益和阻抗匹配，而不是傳統(tǒng)的電壓增益。與共發(fā)射極電路一樣，輸入阻抗明顯超過輸出阻抗。

共基極 配置經(jīng)常用作電流緩沖器或電壓放大器。電路輸入饋送到發(fā)射極端子，集電極是輸出。由于基極接地，因此輸入輸出共用。與其他兩種配置相比，共基極配置的使用頻率較低，因?yàn)樗哂械洼斎胱杩购透咻敵鲎杩梗@通常是不希望的。然而，它出現(xiàn)在高頻應(yīng)用中，因?yàn)榛鶚O將輸入和輸出分開，從而最大限度地減少了振蕩。

在共基極配置中，發(fā)射極和集電極之間沒有反相，因此輸入和輸出波形同相，并且放大器是非反相的。共基極放大器應(yīng)用有限的原因之一是其低輸入阻抗。共基極輸出可以很高，因此被稱為電流緩沖器或電流跟隨器。通常，共基極放大器的電流增益 (alpha) 接近 1。然而，電壓增益可以在 100 到 2,000 之間。這一切都取決于偏置電阻。

一旦確定了大信號(hào)模型，就使用小信號(hào)模型。當(dāng)向晶體管施加小信號(hào)時(shí)，它會(huì)根據(jù)所施加信號(hào)的幅度使工作點(diǎn)沿著 IV 特性曲線遠(yuǎn)離偏置點(diǎn)。電路通常被設(shè)置為使得與直流工作點(diǎn)的偏差使晶體管改變其工作模式，例如從有源區(qū)域進(jìn)入截止區(qū)域。

小信號(hào)模型通常是雙端口結(jié)構(gòu)，通常包含 H 參數(shù)、混合 pi 模型或 T 模型。 H(或混合)參數(shù)使用Z(或阻抗/開路)參數(shù)、Y(導(dǎo)納/短路)參數(shù)、電壓比和電流比來(lái)表示二端口網(wǎng)絡(luò)中電壓和電流之間的關(guān)系。 H 參數(shù)有助于描述難以測(cè)量 Z 或 Y 參數(shù)的電路(例如晶體管)的輸入輸出質(zhì)量。 Hybrid-pi(也稱為 Giacoletto)模型表示使用小信號(hào)基極-發(fā)射極電壓和集電極-發(fā)射極電壓作為自變量以及小信號(hào)基極電流和集電極電流作為因變量的 BJT。 T 或傳輸模型使用與混合 pi 模型類似的關(guān)系，但通常排列不同。通過使用矩陣代數(shù)運(yùn)算，將一種類型參數(shù)轉(zhuǎn)換為另一種類型參數(shù)通常很簡(jiǎn)單。

包含寄生元件的典型功率 MOSFET 模型。電感通常由封裝的引線鍵合產(chǎn)生。寄生電容通常是由于半導(dǎo)體本身的幾何特征造成的。晶體管的大信號(hào)和小信號(hào)分析都需要選擇模型，指定已知值或固定值，并用數(shù)學(xué)方法求解未知參數(shù)的方程。然而，現(xiàn)代電路通常以足夠高的速度運(yùn)行，因此需要留出寄生電路元件的余量。正確的 Spice 程序可以通過包括內(nèi)部電容、電阻、增益變化等來(lái)提高晶體管模型的準(zhǔn)確性。

但問題是，寄生元件可能沒有被很好地定義，特別是對(duì)于最先進(jìn)的晶體管，如 GaN 或 SiC 功率器件，更特別是在高速開關(guān)時(shí)。例如，功率器件中的寄生電感通常主要是由半導(dǎo)體本身及其封裝之間的引線鍵合造成的。設(shè)備制造商繼續(xù)嘗試封裝選項(xiàng)以減少此類寄生效應(yīng)，但由于這項(xiàng)工作仍在進(jìn)行中，Spice 中的寄生模型可能無(wú)法反映實(shí)際設(shè)備中看到的值。因此，可能需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)才能準(zhǔn)確表征現(xiàn)代半導(dǎo)體的寄生效應(yīng)。