三极管特性曲线分析

1 目录 一、三极管特性曲线分析1 1.1 三极管结构1 1.2 三极管输入特性曲线2 1.3 三极管输出特性曲线2 二、三极管应用举例 3 2.1 三极管在放大状态下的应用.3 2.2 三极管在开关状态下的应用.3 三、线性电路和非线性电路4 3.1 线性电路理论.4 3.2 非线性电路理论5 3.3 线性电路的分析应用举例.6 3.4 非线性电路的分析应用举例.7 四、数字电路和模拟电路.8 4.1 数字电路.8 4.2 模拟电路.8 4.3 数字电路和模拟电路区别与联系.9 五、总结与体会9 六、参考文 献.10 1 三极管输入输出曲线分析 谈线性电路与非线性电路 摘 要： 三 极 管 是 电 路 分 析 中 非 常 重 要 的 一 个 元 器 件。 本 文 主 要 分 析 了 三 极 管 输 入 输 出 特 性 曲 线， 介 绍 了 线 性 电 路 和 非 线 性 电 路 的 理 论 在 分 析 工 具 的 不 同 3 之 处。 同 时， 线 性 电 路 和 非 线 性 电 路 在 分 析 电 路 时 各 有 着 不 同 的 用 处。 最 后， 介 绍 了 数 字 电 路 及 模 拟 电 路 区 别 与 联 系。 关键词：三极管；数字电子技术；模拟电子技术 一、 三极管特性曲线分析 1.1 三极管结构 双极结型三极管是由两个 PN 结背靠背构成。三极管按结构不同一般可分为 PNP 和 NPN 两种。 图 1-1 三极管示意图及符号 PNP 型三极管和 NPN 型三极管具有几乎等同的电流放大特性，以下讨论主要介绍 NPN 型三极管工作原理。NPN 型三极管其两边各位一块 N 型半导体，中间为一块很薄的 P 型半 导体。这三个区域分别为发射区、集电区和基区，从三极管的三个区各引出一个电极，相 应的称为发射极（E ） 、集电极（C）和基极（B） 。虽然发射区和集电区都是 N 型半导体，但 5 是发射区的掺杂浓度比集电区的掺杂浓度要高得多。另外在几何尺寸上，集电区的面积比 发射区的面积要大。由此可见，发射区和集电区是不对称的。 双极型三极管有三个电极：发射极（E） 、集电极（C） 、基极（B） ，其中两个可以作为 输入，两个可以作为输出，这样就有一个电极是公共电极。三种接法就有三种组态：共发 射极接法（CE） 、共基极接法（CC） 、共集电极接法（CB） 。这里只以共射接法为例分析其输 入输出曲线。 图 1-2 三极管三种组态 晶体三极管的输入特性和输出特性曲线描述了各电极之间电压、电流的关系。 1.2 三极管输入特性曲线 输入特性曲线描述了在管压降 一定的情况下，基极电流 与发射结压降CEUBi 之间的函数关系，即 。BEU()EBifu 图 1-3 三极管输入特性曲线 1.3 三极管输出特性曲线 输出特性曲线描述是基极电流 为一常量时，集电极电流 与管压降 之间的函BI CiCEu 数关系，即 。()BCEICifu 输出特性曲线可以分为三个工作区域，如下图所 示： 在饱和区内，发射结和集电结均处于正向偏置。 1. 死区 2. 线性区 3. 非线性区 U ce =0V 时，发射极与集电极短路，发射结与集电结均正偏，实际上是两个二极管并联 的正向特性曲线。 当 ，1CEV 时,，集电结已0cbeb 进入反偏状态，开始 收1CEU 集载流子，且基区复合减少， 特性 曲线将向右稍微移动一些, I C / I B 增大。但 U ce 再增加时，曲线右移很 不明显。 主要随 增大而增大，对 的影响不明显，即当 增大时， 随之增大，但 增大CiEuBi BEuBiCi 不大。在饱和区， 和 之间不再满足电流传输方程，即不能用放大区中的 来描述 和Ci 的关系，三极管失去放大作用。 Bi 在放大区内，发射结正向偏置，集电结反向偏置，各输出特性曲线近似为水平的直线， 表示当 一定时， 图 1-4 三极管输出特性曲线i 的值基本上不随 而变化。CCEu 此时表现出 对 的控制作用， 。三极管在放大电路中主要工作在这个区域BiCBI 中。 一般将 的区域称为截止区，由图可知， 也近似为零。在截止区，三极管的发0bICI 射结和集电结都处于反向偏置状态。 二、 三极管应用举例 三极管在电路中有着非常重要的应用地位。 2.1 三极管在放大状态下的应用 分压式电流负反馈放大电路是各种电子设备 中经常采用的一种弱信号放大电路，其核心部件 就是三极管，当三极管工作在放大状态，那么在 通电过程中，三极管静态时的工作电压必须满足 发射极正偏，集电极反偏，而且随着输入信号的 变化，各种电压或电流都能随着发生相应的变化， 图 2-1 分压式电流负反馈放 大电路 不能出现信号的失真现象。 2.2 三极管在开关状态下的应用 三极管的开关特性在数字电路中应用广泛， 是数字电路最基本的开关元件。当处于开状态 时,三极管为处于饱和状态,UceUbe，Uce 间的 电压很小,一般小于 PN 结正向压降 (0.7V).当处 于关状态时,基极电流 Ib 为 0.Uce1V 时为放大 状态 。右图是共射型三极管典型电路，同时参 考三极管输出特性曲线进行分析。 三极管是以基极电流 作为输入，操控整个 图 2-2 共射型三极管电路Bi 三极管的工作状态。若三极管是在截止区， 趋近于 0 ( 亦趋近于 0)，C 极与 E 极间BiBEV 约呈断路状态， = 0， 。 CiECV 若三极管是在线性区， 的值适中 ( )， ，呈比例放大，Bi.7EfeBIh 可被 操控。若三极管在饱和区， 很大，CEfeVRIhI 0.8EV 7 ， ， ，B-C 与 B-E 两接面均为正向偏压，C-E 间等同于0.2CEV0.6BCVCfeBIh 一个带有 0.2 V 电位落差的通路，可得 ， 与 无关了，因此时的(0.2)/CCIVRIB 大过线性放大区的 值， 是必然的。三极管在截止态时 C-E 间如同断路，BI fe 在饱和态时 C-E 间如同通路 (带有 0.2 V 电位降)，因此可以作为开关。控制此开关的是 ，BI 也可以用 作为控制的输入讯号。下图显示三极管开关的通路、断路状态，及其对应的B 等效电路。 图 2-3 截止态如同断路 图 2-4 饱和态如同通路 三、线性电路和非线性电路 是否满足叠加定理和齐次性是线性电路和非线性电路之间最主要的区别。 3.1 线性电路理论 线性电路是指完全由线性元件、独立源或线性受控源构成的电路。线性就是指输入和输 出之间关系可以用线性函数表示。齐次，非齐次是指方程中有没有常数项，即所有激励同 时乘以常数 k 时，所有响应也将乘以 k。 线性电路的最基本的特性是它具有叠加性和齐次性。电路的叠加性是指在有几个电源共 同作用下的线性电路中，通过每一个元件的电流或其两端的电压，可以看成是由每一个电 源单独作用时在该元件上所产生的电流或电压的代数和。线性电路的齐次性是指当激励信 号（如电源作用）增加或减小倍时，电路的响应（即在电路其它各电阻元件上所产生的 电流和电压值）也将增加或减小倍。叠加性和齐次性是线性电路独有的特性，这两个定 理也简化了线性电路分析的过程。叠加性和齐次性可表示如下： 图 3-1 线性电路的叠加性 图 3-2 线性电路的齐次性 图 3-3 线性电路叠加性和齐次性的综合特性 在线性电路中，由多个独立电源共同作用所引起的响应等于这些独立电源分别单独作 用时所引起的响应的代数和，所以对电路的分析比较简单，小信号和大信号作用下的结果 基本一致。分析线性电路时，我们采用戴维南定理和诺顿定理进行分析。戴维南定理是指 任一线性有源单口网络，可用一个电压源串联一个阻抗来代替，电压源的电压等于该网络 端口的开路电压，而等效阻抗则等于该网络中全部独立源为零值时从端口看进去的阻抗。 由这一电压源和等效阻抗组成的等效电路，称为戴维南等效电路。诺顿定理是指一个有源 线性单口网络，可用一个电流源并联一个等效阻抗来代替，电流源等于该网络端口的短路 电流，等效阻抗等于该网络中全部独立源为零值时从端口看进去的阻抗。电流源和等效阻 抗并联的电路，称为诺顿等效电路。 图 3-4 戴维南定理 图 3-5 诺顿定理 3.2 非线性电路理论 当电路中至少含有一个非线性电路元件时（例如非线性电阻元件、非线性电感元件等） ， 其运动规律就要由非线性微分方程或非线性算子来描述，我们称这样的电路为非线性电路。 一百多年以来，人们对电路理论的研究，取得的较多成果在于线性电路理论方面。而 事实上自然界是千变万化的，绝大多数行为均是非线性的，电路也是如此。 与线性电路相比，非线性电路较为复杂，有其独特的地方。 首先，非线性电路不满足叠加定理，所以在线性电路中一系列行之有效的分析方法在 非线性电路中就不在适用。 其次，非线性系统的解不一定存在。非线性电路的特性一般是由一组非线性代数方程 来描述。对实际系统来说，它在一定初始条件下的解应该存在且唯一。但当我们去求解这 9 组方程时，方程可能有多个解，也有可能没有解。因此，在求解之前，应对系统的解得性 质进行判断。若解肯本不存在，求解它就没有任何意义。 再者，对线性系统来说，一般存在一个平衡状态，我们很容易判断系统的平衡状态是 否为稳定的。但非线性系统一般存在多个平衡态，其中有些平衡态是稳定的，有些平衡态 可能不是稳定的。 当我们在考察非线性电路的性质时，定性分析法是非常重要的方法。定性分析法设计 的数学工具有微分方程定性理论、稳定性理论、泛函分析中的不动点定理等。其侧重于电 路解的特性、解的全局性和渐进性。除了定性分析法，近似解析法也是比较常见的方法。 分析仅含有二端非线性电阻的非线性动态电路时，可以采用分段线性化方法，用较简单的 分段线性函数来逼近非线性电阻的电压电流非线性关系，从而可以用解析的方法求出较简 单的非线性电路的解，并能定量的考察一些参数变化对电路响应的影响。 分析电路时，无论是线性还是非线性电路，实验方法是很重要的研究方法。电路理论 分析正确与否，应该以事实为准则。除了理论分析和物理实验外，我们还可以采用电路的 数字仿真方法。 3.3 线性电路的分析应用举例 一阶 RC 电路是典型的线性电路，通常由一个电容器和一个电阻器组成。RC 电路可组 成简单的有源滤波器，低通滤波器或者高通滤波器。下面简单介绍下有 RC 有源电路组成 的滤波器。 一阶 RC 低通滤波器如图所示，电压传输系数为： 11oi HUjCAu fjRRj 令 ，则 ，此时 图 3-6 RC 低通滤波器1/H/2f ， ，处于滞后状态。2(/)UAf arctn/Hf 当 时， 。01uA 当 时， ,Hf:0u: 上述电路的频率特性可用特定的渐近线波特图来表示，其幅频和相频波特图如下： 图 3-7 RC 低通滤波器的幅聘波特图和相频波特图 由幅频特性图可知，用渐近线代替实际幅频特性时最大误差发生在转折频率 处，Hf 在 处偏差为 -3dB。由相频特性图可知，用渐近线代替实际相频特性时最大误差发Hf 生在转折频率 及 处。0.1Hf0Hf 3.4 非线性电路的分析应用举例 理想二极管是我们在电子线路系列课程中 接触的第一个非线性理想器件，也是最为简单 的非线性器件。理想二极管是实际二极管的理 想化模型，具有单向导电性。在通常的电压电 流参考方向下，理想二极管正偏时导通，且电 压为 0，电流为任意正值；反偏时截止，电流 为 0，电压为任意负值，其伏安特性曲线如右： 图 3-8 理想二极管伏安特性曲 线 二极管可用做整流电路、滤波电路等。 单相半波整流电路是典型的整流电路，是一种除去半周、下半周的整流方法。半波整 流以“牺牲”一半交流为代价而换取整流效果，电流利用率低。 单相半波直流电压 在一个周期内的平均值为0u 00122sin()0.45UtdU 图 3-9 单相半波整流电路 图 3-10 输入输出电压波形 单相半波整流电路结构简单，只利用了电源的半个周期，整流输出电压低、脉动幅度 较大，变压器利用率低。为了克服这些缺点，可以采用全波整流电路。全波整流电路是由 四个二极管连接电桥的方式，因此也称为单相桥式整流电路。 11 图 3-11 全波整流电路 全波整流电路输出电压的平均值为 0122sin()0.9UtdU 负载电阻 RL 中电流的平均值为 0.9LLIR 通过每个二极管的平均电流是负载电流平 均值的一半，即 012DI 每个二极管承受的最高反向电压和半波整 流电路相同，即 图 3-12 电压和电流波形RMU 四、数字电路和模拟电路 4.1 数字电路 数字电路是指用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路。 数字信号是数字形式的信号，它的特点是离散的、不连续的。用数字信号传送信息的 通信就叫做数字通信。现代电子计算机输入、输出的信号以及所处理的信号都是离散信号。 数字电路的特点如下：1.数字电路同时具有算术运算和逻辑运算功能；2. 数字电路以二 进制作为基础，实现简单，可靠性强，抗干扰能力大；3. 集成度高、体积小、功耗低是数 字电路不同于模拟电路的优点之一。 数字电路广泛应用在电子记分计时、灯光的控制、雷达、电子计算机等科学技术领域。 在数字电路中，计数器属于时序电路，主要由具有记忆功能的触发器构成。这些触发器有 RS 触发器、T 触发器、 D 触发器等，可以和 LED 屏相连接显示产品的工作状态。 4.2 模拟电路 模拟电路是涉及连续函数形式模拟信号的电子电路。 模拟信号的特点是它连续地“模拟”着信息的变化，信号的波形的时间上是连续的。 以电话为例，在电话通信中，传送的信息是发话人的声音。声音是由振动发出的。声波通 过送话器转变成跟随声音的强弱变化而变化的电信号，这个信号就是“模拟信号” 。原始的 电话、传真、电视的信号都是模拟信号。 模拟电路的应用非常广泛，如语音放大电路、有源滤波器、波形发生电路等。 4.3 数字电路和模拟电路的区别与联系 简单的来说，模拟和数字的区别主要有以下几个方面，数字信号只有两种状态 “0” “1”，模拟信号可以有很多种不同状态，所以数字信号的抗干扰能力比模拟信号要强。数 字信号可以看做是被量化的模拟信号。从频域上看，数字信号的频域范围比较小，而模拟 信号频带范围宽。 从本质上说，模拟电路和数字电路并非完全割裂的，它们是相互统一、相互依存、相 互转化的。例如我们把一个正 i 型安伯送到一个电压放大器进行线性放大，在输出端得到 一个成比例的正弦波。如果加大输入信号的幅值或者加大放大器的电压放大倍数，输出的 正弦波就会出现上、下削顶的失真现象，变为梯形波。这时，若不断加大放大倍数，则输 出波形将变成方波。此时我们就实现了从连续地正弦波到离散的信号的转变，完成了模拟 信号到数字信号的转换。所以说，数字电路和模拟电路没有优劣之分，在本质上是统一的。 五、总结与体会 1948 年，晶体管的发明给当时的电子工业带来了前所未有的冲击，成为了今日电子时 代的开端。之后随着以计算机为代表的电子技术的飞速发展，三极管不仅在计算机、手机 和消费电子产品中得到广泛应用，还被广泛用于汽车、航空、家用电器以及数千种日用设 备的电子控制中。 三极管用途广泛，几乎所有的电子电路都要用到三极管。在上学期的模电学习中，我 了解到三极管在各种电路中的重要作用。例如三极管可以用作电流放大、电阻电容变换电 路，在某些电路中可以用作稳压恒流的作用。 电路的学习中，要做到理论联系实际，理论与实践相结合。在课堂上，我们学习到的 是比较浅显易懂的知识，如三极管的线性与非线性是其很重要的两个性质。在解决三极管 问题时，我们不应该单一的将问题孤立化，可以联系到三