第三讲三极管及应用.pdf

第三讲 三极管及应用 双极性双极性结晶型晶体管结晶型晶体管 bipolar junction transistors 双极性反映了空穴和自由电子两种极性的载流子参与向相反极双极性反映了空穴和自由电子两种极性的载流子参与向相反极 性半导体层的注入过程性半导体层的注入过程 e - emitter b - base c - collector ecb iii majorityminority ccco iii 共基组态：基极是输入端和输出端的公共端共基组态：基极是输入端和输出端的公共端 ce ii be v0.7 共基组态，在放大区，集电极电流共基组态，在放大区，集电极电流i ic c和射基电流和射基电流i ie e的近的近 似关系为似关系为 如果晶体管在如果晶体管在“导通导通”状态，状态，b b- -e e结的结电压假设为结的结电压假设为 参数参数alpha () 在直流模式下：在直流模式下： 理想情况下理想情况下: a a = 1 实际情况下实际情况下: a a 的值在的值在 0.9和和 0.998之间之间 c ac e i i 在交流模式下：在交流模式下： 大多数情况下，交流参数大多数情况下，交流参数 的大小和直流参数的大小和直流参数 的大小非常接近，可以相互通用的大小非常接近，可以相互通用 ac dc c dc e i i 共基组态的电压放大原理共基组态的电压放大原理 v 50)k 5)(ma 10(r l i l v ma 10 i i l i e i c i 10ma 20 200mv i r i v i i e i 电压增益：电压增益： 250 200mv 50v i v l v v a 共基组态交流输入电阻非常小，通常在共基组态交流输入电阻非常小，通常在1010100100, ,共基组共基组 态交流输出电阻非常大，通常在态交流输出电阻非常大，通常在50k50k1m1m之间之间 共基组态的电压放大倍数的典型值在共基组态的电压放大倍数的典型值在5050250250之间之间 共基组态的电流放大倍数通常小于共基组态的电流放大倍数通常小于1 1 基本放大功能源于把一个电流基本放大功能源于把一个电流i i从一个低阻电路转移到了从一个低阻电路转移到了 高阻电路高阻电路 共射组态：射极是输入端和输出端的公共端共射组态：射极是输入端和输出端的公共端 理想电流状态理想电流状态 ie = ic + ib ic = a a ie 实际电路状态实际电路状态 ic = a a ie + icbo 参数参数beta ( ) b c dc i i 在直流模式下：在直流模式下： 在交流模式下：在交流模式下： ttanconsv b c ac ce i i 的典型值在的典型值在50400之间，并且多数在中间值上之间，并且多数在中间值上 并不完全相等，它们通常足够接近，因此经常相并不完全相等，它们通常足够接近，因此经常相 互使用互使用 dc ac 共集组态：共集组态： 主要用于阻抗匹配，有高的输入电阻和低输出电阻主要用于阻抗匹配，有高的输入电阻和低输出电阻 晶体管的规格说明书晶体管的规格说明书 最大额定值最大额定值 温度特性温度特性 电器特性电器特性 激活特性激活特性 截止特性截止特性 小信号特性小信号特性 激活特性和截止特性是指直流情况激活特性和截止特性是指直流情况 小信号特性包含交流工作的重要参数小信号特性包含交流工作的重要参数 ceoceo vv max 30v max c i20ma max c p 625mw d p 额定值降低因子额定值降低因子：温度高于：温度高于2525以后每升高以后每升高1 1 ，最大额定值必须降低，最大额定值必须降低5mw5mw internal construction of a fairchild transistor in a to-92 package. (courtesy fairchild camera and instrument corporation.) type q2t2905 texas instruments quad pnp silicon transistor: (a) appearance; (b) pin connections. (courtesy texas instruments incorporated.) 实战练习实战练习 设计要求：设计要求： 确定电源电压确定电源电压 电源电压为电源电压为15v 选择晶体管选择晶体管 npn 还是还是pnp 高频、低频高频、低频 小信号、大功率小信号、大功率 23c2458 23c2458的部分特性的部分特性 确定发射极电流的工作点确定发射极电流的工作点 ie 为为1ma ie 的额定值的额定值150ma 小信号共发射极放小信号共发射极放 大电路的发射极电大电路的发射极电 流大小是流大小是0.1ma 至数毫安至数毫安 确定确定rc与与re的方法的方法 为了吸收基极为了吸收基极-发射极间电发射极间电 压压vbe随温度的变化，而使随温度的变化，而使 工作点稳定（集电极电流），工作点稳定（集电极电流）， re的直流压降必须在的直流压降必须在1v以以 上上 re 的压降为的压降为2v 确定确定rc与与re的方法的方法 re 为为2k rc 为为10k vce 为为3v pc = vce x ic = 3v x 1ma = 3mw 最好的办法是将集电极电位最好的办法是将集电极电位vc 设定在设定在vcc 与与 ve的中点的中点 rc 的值过小？的值过小？ rc 的值过大？的值过大？ 基极偏置电路的设计基极偏置电路的设计 vb为为2.6v 晶体管的基极流动的基极电流为晶体管的基极流动的基极电流为 集电极电流的集电极电流的1/hfe，假设，假设 hfe =200，则，则ib=0.005ma 有必要在有必要在r1，r2上流过比基极上流过比基极 电流大得多的电流，使得基极电电流大得多的电流，使得基极电 流能够忽略。流能够忽略。 r1，r2上流过的电流取上流过的电流取 0.1ma。 大得多取大得多取10以上就可以以上就可以 算得算得r1=124k，r2=26k 取取r1=100k，r2=22k 确定耦合电容确定耦合电容c1与与c2的方法的方法 c1与与c2是将基极或集电极的直流电压截去仅让交流成分是将基极或集电极的直流电压截去仅让交流成分 进行输入输出的耦合电容进行输入输出的耦合电容 c1与输入阻抗、与输入阻抗、c2与连接在输出端的负载电阻分别形成与连接在输出端的负载电阻分别形成 高通滤波器高通滤波器 确定耦合电容确定耦合电容c1与与c2的方法的方法 c1与与c2的值很小，则难于的值很小，则难于 通过低频通过低频 取取c1与与c2的值为的值为10uf 晶体管的基极电流极小，晶晶体管的基极电流极小，晶 体管本身的输入阻抗可以看体管本身的输入阻抗可以看 成非常大成非常大 r=r1/r2 fc=1/(2cr)=1/(2x 10uf x 18k)0.9hz 确定电源去耦电容确定电源去耦电容c3与与c4的方法的方法 旁路电容：旁路电容： c3与与c4 电源的去耦电容电源的去耦电容 降低电源对降低电源对gnd的交流阻抗的交流阻抗 当没有这个电容时，电路的交流特性变得很奇特，严当没有这个电容时，电路的交流特性变得很奇特，严 重时电路产生振荡重时电路产生振荡 电容的阻抗为电容的阻抗为1/(21/(2 f f c)c)：频率越高，阻抗应该越小。：频率越高，阻抗应该越小。 实际上因内部感抗成分等因素的影响，从图中可以看到实际上因内部感抗成分等因素的影响，从图中可以看到 ，从某个颇率开始，阻抗反而变高。，从某个颇率开始，阻抗反而变高。 在结构上，小容量的电容器在高的频率处，而大容量的在结构上，小容量的电容器在高的频率处，而大容量的 电容器则在较低的频率处，电容的阻抗变得最低。电容器则在较低的频率处，电容的阻抗变得最低。 在电源上并联如图所示的小容量的电容器在电源上并联如图所示的小容量的电容器c c3 3和大容量的和大容量的 电容器电容器c c4 4，在很宽的频率范降低电源对，在很宽的频率范降低电源对gndgnd的阻抗。的阻抗。 在低频电路中，去耦电容的安装位置不是问题，但在高在低频电路中，去耦电容的安装位置不是问题，但在高 频电路中，安装位置比什么都重要引线也要短频电路中，安装位置比什么都重要引线也要短 小容量的电容器是在高频情况降低阻抗用的，如果不配小容量的电容器是在高频情况降低阻抗用的，如果不配 置在电路近邻，则电容器的引线增长，由于引线本身的置在电路近邻，则电容器的引线增长，由于引线本身的 阻抗，电源的阻抗不能降低阻抗，电源的阻抗不能降低 在此，采用在此，采用c3=0.1uf的陶瓷电容器，的陶瓷电容器，c4=10uf的铝电的铝电 解电容器解电容器 通常小容量电容器是通常小容量电容器是0.01uf0.1uf的陶瓷电容器，大的陶瓷电容器，大 容量电容器是容量电容器是1100 uf的铝电解电容器的铝电解电容器 在这样低频率的电路中，即使没有小电容在这样低频率的电路中，即使没有小电容 c3 ，电路也，电路也 能正常工作。但是在高频电路中，比起大电容能正常工作。但是在高频电路中，比起大电容c4来，来， c3 起着更为重要的作用起着更为重要的作用 设计电路的输入阻抗设计电路的输入阻抗 设计电路的输出阻抗设计电路的输出阻抗 放大倍数与频率特性放大倍数与频率特性 放大倍数放大倍数4.4 低频范围频率特性：低频范围频率特性： fc1=0.8hz 高频截止频率高频截止频率 高频截止频率高频截止频率 fch=3.98mhz 高频晶体管高频晶体管 ft=550mhz 的的2sc2668 高频截止频率高频截止频率 fch=6.6mhz 提高放大倍数的手段提高放大倍数的手段 re=0 av=hfe rc/hie hie晶体管输入阻抗晶体管输入阻抗 hie和和rc的值几乎相等的值几乎相等 avhfe 噪声电压特性噪声电压特性 输入端与输入端与gnd短路短路 噪声电压：噪声电压：0.18uv 低电源电压、低损耗电流放大电路低电源电压、低损耗电流放大电路 两相信号发生电路两相信号发生电路 低通滤波器电路低通滤波器电路 高频增强电路高频增强电路 增强输出的电路增强输出的电路 共射极电路的输出阻抗共射极电路的输出阻抗 共发射极放大电路共发射极放大电路 缺点：输出阻抗高缺点：输出阻抗高 容易受到作为负载所接的电路的影响容易受到作为负载所接的电路的影响 改进：对输出进行强化（降低输出阻抗）改进：对输出进行强化（降低输出阻抗） 射极跟随器（射极跟随器（emitter follower） 定义：发射极跟随输入信号（基极电位）进行工作定义：发射极跟随输入信号（基极电位）进行工作 应用：由于输出阻抗低，可用在驱动电机和扬声器等应用：由于输出阻抗低，可用在驱动电机和扬声器等 阻抗低的负载电路上阻抗低的负载电路上 射极跟随器（射极跟随器（emitter follower） 与共发射极放大电路的不同：与共发射极放大电路的不同： 信号从发射极取出信号从发射极取出 没有集电极负载电阻没有集电极负载电阻rc 观察设计跟随器的波形 与输入相同的输出信号与输入相同的输出信号 不受负载电阻的影响不受负载电阻的影响 射极跟随器输出阻抗几乎为射极跟随器输出阻抗几乎为0 电路设计 射极跟随器电路的设计规格射极跟随器电路的设计规格 最大输出电压 5vp-p 最大输出电流 频率特性 输出阻抗 2.5ma(1k负载负载) 确定电源电压确定电源电压 考考 虑：虑： 5vp-p vce(sat) 确定电源电压：确定电源电压：15v 选择晶体管选择晶体管 在使用带有发射极负载电阻在使用带有发射极负载电阻re的射极跟随器，无信号时发射的射极跟随器，无信号时发射 极电流极电流ie（空载电流）有必要比最大输出电流大一些（空载电流）有必要比最大输出电流大一些 设计要求电流为设计要求电流为2.5ma 所以取所以取ie 10ma vcbo vceo最大额定值为最大额定值为15v以上以上 确定确定2sc2458（npn） 晶体管集电极损耗的计算晶体管集电极损耗的计算 如果将发射极的直流电位如果将发射极的直流电位ve设置在电源电压与设置在电源电压与gnd的中点，的中点， 就能取出最大的输出振幅就能取出最大的输出振幅 vb为为7.5v ve= vb -0.6=6.9v vce=15v-6.9v=8.1v pc = vce x ic = 8.1v x 10ma = 81mw 决定发射极电阻决定发射极电阻re的方法的方法 ve= vb -0.6=6.9v ie= 10ma re = ve / ie = 6.9v / 10ma 680 偏置电路的设计偏置电路的设计 偏置电压偏置电压vb设定在设定在7.5v，则，则 r1=r2 发射极电流发射极电流ie=10ma 晶体管的基极流动的基极电流为集电极晶体管的基极流动的基极电流为集电极 电流的电流的1/hfe，假设，假设 hfe =200，则，则 ib=10ma/200 =0.05ma 通常在基极偏置电路中有必要预先让基通常在基极偏置电路中有必要预先让基 极电流极电流10倍左右的电流流动倍左右的电流流动 取取r1=r2=10k 则则r1，r2上流过的电流为上流过的电流为0.75ma