课件：第二章晶体管.ppt

模拟电路：对模拟量进行处理的电路，最基本的处理是放大。 放大：输入为小信号，有源元件控制电源使负载获得大信号，并保持线性关系。 有源元件：能够控制能量的元件。,模拟电路,电路的基本形式及它们之间的联系,抽样数据电路,模拟电路,数字电路,抽样电路,编码器,滤波器,解码器,抽样信号,数字信号,双极型晶体管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数。,双极型模拟集成电路中常用的基本单元电路的组成、工作原理、性能指标和分析计算方法：,三种基本组态放大电路,电流源电路,差放电路,功率放大电路,多级放大电路,内容提要,双极型晶体三极管，简称晶体管，常称三极管，具有三个电极。,称为双极型的原因：参与导电的有空穴和电子两种载流子。,由于由两个PN结构成，所以称为双极型晶体管。,特点：具有对信号进行放大的作用,从结构来看，可以分为NPN与PNP两种类型，其工作原理类似。,分类：按材料，按频率，按功率。,第一节 双极型晶体管,概 述,第一节 双极型晶体管,三极管示意图,2.1.1 工作原理,薄,高掺杂浓度,与基区的接触面积较大,NPN型三极管的结构,NPN管的电路符号,2.1.1 工作原理,一.结构特点,PNP型三极管的结构,PNP管的电路符号,一.结构特点,2.1.1 工作原理,薄,高掺杂浓度,与基区的接触面积较大,从组成结构上来看，三极管由两个背靠背的PN结构成,那么，能否反过来用两个PN结或者二极管构成三极管？,2.1.1 工作原理,一.结构特点,内部：发射区杂质浓度高；基区很薄且杂质浓度很低；集电区面积大。 外部：发射结加正向电压；集电结加反向电压。,二.放大状态工作条件,2.1.1 工作原理,1.发射过程,2.复合和扩散过程,3.收集过程,2.1.1 工作原理,二.内部载流子的运动,1）发射区向基区注入电流 IEN。,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBN ，多数扩散到集电结。,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IEN。,2）基区部分电子空穴复合，形成复合电流 IBN。,3）大量基区的非平衡少子电子被集电区收集，形成电流 ICN。,电流分配,以上看出，三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管。或BJT (Bipolar Junction Transistor)。,二.内部载流子的运动,2.1.1 工作原理,载流子,三.电流分配,2.1.1 工作原理,晶体管的正向控制作用是通过载流子的运动过程而实现的：发射结正偏电压控制 (和 )， (其中 )通过注入、扩散、收集而转化为 ，正是这种正向控制作用使晶体管具有了放大作用。,2.1.1 工作原理,四.三种基本连接方法,共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。,2.1.1 工作原理,共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示。,四.三种基本连接方法,2.1.1 工作原理,共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示。,四.三种基本连接方法,公共端,2.1.1 工作原理,五.电流传输关系,1、共基电流放大系数,共基极直流电流放大系数,共基极直流电流传输方程,2.1.1 工作原理,五.电流传输关系,1、共基电流放大系数,共基极直流电流传输方程,通常,只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，而与外加电压无关，一般取值为0.95-0.99,公共端,：穿透电流,：共发射极直流电流放大系数，一般为几十几百。,忽略 后，,2.1.1 工作原理,五.电流传输关系,2、共射电流放大系数,公共端,共集电极电流传输方程。,无论哪种连接方式，输入电流对输出电流皆有控制作用，这是能够实现信号放大的机理。,五.电流传输关系,3、共集电流放大系数,2.1.1 工作原理,三极管的电流放大作用,2.1.1 工作原理,三极管各极电流关系示例,静态特性曲线：指各极电压与电流之间的关系曲线。是晶体管内部载流子运动的外部表现，故也称外部特性。,对于不同的组态(共集、共基、共射)来说，均可以有：,用于描述输入电压与电流关系的输入特性曲线(族)。,用于描述输出电压与电流关系的输出特性曲线(族)。,特性曲线具有一定的离散性。,第一节 双极型晶体管,2.1.1 晶体管的静态特性曲线,当维持 恒定(作为参变量)时，基极电流 (输入电流)随 (输入电压)的变化曲线称为共发射极输入特性曲线,当 取不同的值时，可以画出一族输入特性曲线。,2.1.2晶体管的静态特性曲线,一.共射输入特性曲线,实验线路,输出特性,集电结进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减小。特性曲线右移,输入电路相当于两个并联的PN结,2.1.2晶体管的静态特性曲线,一.共射输入特性曲线,理想情况,工作压降： 硅管vBE0.60.7V,锗管vBE0.20.3V。,死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。,2.1.2晶体管的静态特性曲线,一.共射输入特性曲线,产生区别的原因在于基区调宽效应,vCE增大，复合减小，iB减小。,2.1.2晶体管的静态特性曲线,产生区别的原因在于基区调宽效应,vCE增大，复合减小，iB减小。,一.共射输入特性曲线,以输入电压 或电流 为参变量，集电极电流 (输出电流)随 (输出电压)的变化曲线为共发射极输出特性曲线,以输入电压为参变量时：,以输入电流为参变量时：,2.1.2晶体管的静态特性曲线,二.共射输出特性曲线,2.1.2晶体管的静态特性曲线,输出特性,此区域满足iC=iB称为线性区（放大区）。,当vCE大于一定的数值时，iC只与iB有关，iC=iB。,试验电路,特点,二.共射输出特性曲线,此区域中vCEvBE,集电结正偏，iBiC， vCE较小,称为饱和区。,例3,特点,2.1.2晶体管的静态特性曲线,二.共射输出特性曲线,vCE=vBE,2.1.2晶体管的静态特性曲线,此区域中 : iB0, iCICEO, vBE 死区电压，称为截止区。,特点,二.共射输出特性曲线,2019/4/19,33,可编辑,（1）放大区：发射结正偏，集电结反偏。,输出特性三个工作区域的特点:,(2) 饱和区：发射结正偏，集电结正偏。 即：vCEvBE ， iBiC，vCE0.3V,(3) 截止区： vBE 死区电压， iB0 ， iCICEO 0,输出特性,即： , 且 IC = IB,2.1.2晶体管的静态特性曲线,二.共射输出特性曲线,2.1.2晶体管的静态特性曲线,二.共射输出特性曲线,考虑到基区宽度调制效应和集电结反向击穿效应，输出特性如下：,2.1.2晶体管的静态特性曲线,二.共射输出特性曲线,输出特性斜率的倒数为晶体管的输出电阻：,关于 和 的关系,关于晶体管的反向应用,二.共射输出特性曲线,2.1.2晶体管的静态特性曲线,与二极管的伏安特性曲线类似，如果保持输入电流不变，当温度升高时，晶体管的输入特性曲线左移。,第一节 双极型晶体管,2.1.3 温度对晶体管特性的影响,0o,10o,不同温度下的输入特性曲线,100o,与二极管伏安特性曲线类似，温度升高时，反向饱和电流和反向穿透电流亦升高。,温度升高时， 值增大.,第一节 双极型晶体管,2.1.3 温度对晶体管特性的影响,30A,20A,10A,不同温度下的输出特性曲线, 0A,1、共发射极,直流电流放大倍数,第一节 双极型晶体管,2.1.4 晶体管的主要参数,一.电流放大系数,交流（短路）电流放大系数,2.1.4晶体管的主要参数,1、共发射极,一.电流放大系数,手册中常用hfe表示。,例：VCE=6V时：iB = 40 A, iC =1.5 mA； iB = 60 A, iC =2.3 mA。,在以后的计算中，一般作近似处理： =,2、共基极,直流电流放大倍数,交流电流放大系数,2.1.4晶体管的主要参数,一.电流放大系数,1、集电极基极反向电流：ICBO,发射极开路时的集电结反向漂移电流，一般很小。,2.1.4晶体管的主要参数,二.极间反向电流,2、集电极发射极电流ICEO,硅管比锗管的反向电流小，故温度稳定性比锗管好。,基极开路时的集电极电流。 ICEO=（1+ ）ICBO,ICEO,2.1.4晶体管的主要参数,二.极间反向电流,3、发射极基极反向电流IEBO,集电极开路时的发射结反向饱和电流。,2.1.4晶体管的主要参数,二.极间反向电流,1、集电极最大允许电流 ICM,三极管工作时不允许超过的最大集电极电流，如果超过，不但会使其性能变坏，而且可能损坏管子。,2.1.4晶体管的主要参数,三.极限参数,一般取下降至最高值的2/3时所对应的集电极电流为ICM。,2、反向击穿电压 V(BR）CBO 发射极开路时的集电极基极间的反向击穿电压。一般比较高，从几十伏到几千伏不等。,2.1.4晶体管的主要参数,三.极限参数,V （BR） CEO 基极开路时的集电极发射极间的击穿电压。比V(BR）CBO低。,2.1.4晶体管的主要参数,三.极限参数,2、反向击穿电压,V （BR）EBO 集电极开路时的发射极基极间的反向击穿电压。该电压一般比较低，约510V左右。,2.1.4晶体管的主要参数,三.极限参数,2、反向击穿电压,基射间接反偏压,基射间短接,基射间接电阻,基射间开路,射极开路,各击穿电压的关系,3、最大集电极允许功耗 PCM,PCM = iCvCE； 与散热条件有关。硅管的最高结温小于150C，一般工作在低于80度以内。,2.1.4晶体管的主要参数,三.极限参数,晶体管的安全工作范围由以上三者共同决定。,iCvCE=PCM,安全工作区,三极管的安全工作范围,过压区,过功率区,过流区,2.1.4晶体管的主要参数,三.极限参数,2.1.4晶体管的主要参数,四.高频参数,使 和 下降为 和 时的频率 和 称为晶体管的共基截止频率和共射截止频率。,交流工作时，由于存在结电容，所以频率愈高，电流放大倍数愈小，当 =1时的输入信号频率即fT 。,2、特征频率fT,2.1.4晶体管的主要参数,四.高频参数,请自行阅读课本,2.1.4晶体管的主要参数,五.硅管与锗管的比较,单个元件的参数精度不高，且受温度影响较大，但参数对称性及温度对称性较好。批量间差异较大。,集成电路工艺制造出的电阻阻值受限，应尽量避免使用高阻值电阻。常使用有源器件代替电阻，特别是大电阻。,不适于制造几十皮法以上的电容，电路中应尽量避免采用或少用电容。,无电感元件。,寄生参量影响严重。,第一节 双极型晶体管,2.1.5 集成电路中元器件的特点,例题,1、由电极电位判断三极管的工作状态。 在电路中，测得下述6组三极管三个极的电位： 1）NPN管：(1) 1V 0.3V 3V (2) 0.3V 0.7V 1V (3) 2V 5V 1V,解： (1) b1V;e 0.3V ;c 3V (硅管，放大）,(2) e0.3V c0.7V b1V (硅管，饱和),(3) e2V c5V b1V (硅管,截止） (锗管,截止）,（ NPN管 ，c极电位高于e极，否则反向应用,很小),2）PNP管：(1) -0.2V 0V -0.1V (2) -3V -0.2V 0V (3) 1V 1.2V -2V,解：,(1) b -0.2V e 0V c -0.1V（锗管 饱和）,(2) c -3V b -0.2V e0V （锗管 放大）,(3) b 1V e 1.2V c -2V （锗管 放大）,（ PNP管 ，c极电位低于e极，否则反向应用,很小),2、晶体管三个电极的电流方向如图2。 已知：I1=-1.2mA, I2=-0.03mA，I3=1.23mA。 确定晶体管类型、标出各电极并近似确定及。,解：b、c极的电流方向总是一致的， 是e极，管子是PNP型， c, b,图2,例3:图中管子的=100，RB=50K, Rc=1K,管子工作在什么状态？此时VCE=? RB多大时，管子工作在放大状态？,解：be结加正偏，管子导通，故其工作在放大或饱和。,管子工作在饱和状态;,VCE= 0.3v,管子工作在饱和状态,VCE不能为负，管子工作在饱和状态,要使管子工作在放大状态，需减小IB即增大RB。,输出特性,例： =50， VCC =12V， RB =70k， RC =6k