第02次课 20091127(三极管).ppt

1 1 3稳压二极管的伏安特性及其模型 稳压二极管是一种特殊的二极管 是利用二极管的反向击穿特性 在制造时对反向击穿电压的大小进行控制 从而生产出不同稳定电压VZ的稳压二极管 伏安特性 工作在反向击穿特性上 注意稳压电压 稳压电流的方向 稳定电压VZ 最大允许耗散功率PZ max 最大稳定电流IZ max 最小稳定电流IZ min 反向击穿区的起始电流 IZ min 0 主要参数 稳压二极管正常工作时的两端电压 超过这一限值 稳压管会因过热而烧毁 例1 1 3 设稳压管的稳定电压VZ 6V 正常工作时的稳定电流IZ 10mA 稳压管允许功耗PZ max 150mW 试分析当VI 12V RL 600 时 限流电阻R应选择多大 并分析这一阻值能否保证电路安全 稳压管典型电路 解 稳压管是否会超过IZ max 当负载开路时 稳压管电流最大 稳压管的小信号模型 前面讨论的是在一定的条件下 稳压管的电压是多少 电流有多大 这些都属于大信号问题 此时稳压管等效为一个电压源 实际上还有另外一个问题 例如 当输入电压变化时 稳压管的电压变化多少 电流变化多大 或者 稳压管的电流变化时 稳压管的电压变化多少 虽然稳压管正常工作时两端的电压基本不变 但实际上还是会有很小的变化 因此这是一个小信号问题 需用微变等效电路来求解 稳压管等效为一个动态电阻 动态电阻rz rz愈小 则击穿特性愈陡 稳压特性愈好 稳压管电压变化量与电流变化量之比称为动态电阻 动态电阻又称为交流电阻 用小写小下标表示 稳压管的动态电阻很小 通常在几 至几十 之间 直流电阻与交流电阻的区别 直流电阻是指二极管两端所加电压与其电流之比 通常用RD来表示 交流 动态 电阻是电压变化量与电流变化量之比 通常用rd来表示 实际上 二极管除了直流电阻外 也有相类似的动态 交流 电阻 例 已知VI 12V VZ 6V rZ 20 1 当RL 2k 时 求各支路电流IR IZ IL 2 当RL由开路变化至2k 时 输出电压VO变化多少 1k 解 2 是小信号问题先画出微变等效电路 1k 1 是大信号问题 1 2 4双极型三极管 一 三极管的结构与工作原理 双极型三极管常称为三极管 也称为晶体管 双极型晶体管 BJT 三极管由2个背靠背的PN结组成 分为NPN型 PNP型 三极管又分为硅三极管 锗三极管 NPN型三极管 箭头表示发射结正偏时的实际电流方向 采用平面管制造工艺 在N 型底层上形成两个PN结 c Collector集电极b base基极e emitter发射极 工艺特点 e区掺杂浓度高 b区薄 c结面积大 PNP型三极管 正常工作时 电流从b极流出 在P 型底层上形成两个PN结 4 三极管工作原理 avi 载流子运动 以NPN管为例 发射区向基区大量注入电子 多子 新注入的电子小部分被基区的多子 空穴 复合 大部分注入的电子被拉入集电区 集电结反偏 少子形成反向饱和电流ICBO 条件 放大状态 发射结正偏 VBE 0 集电结反偏 VCB 0 三极管内部结构特点 发射区掺杂浓度远大于集电区 以尽可能多提供载流子 基区很薄 且掺杂浓度低 以减小载流子的复合机会 集电区结面积较大 以利于收集载流子 为了使三极管有电流放大作用 对三极管的器件结构有要求 三极管的电流控制作用 定义 称为共射极直流电流放大系数 ICEO称为穿透电流 其值较小 也常可忽略 定义 称为共基极直流电流放大系数 ICBO称为集电结反向饱和电流 其值很小 常可忽略 对于PNP型三极管 无论是NPN管 还是PNP管 输入电流对输出电流都具有控制作用 因此三极管是一种电流控制器件 不仅具有电流控制能力 并且还具有电流放大作用 一定条件下 输入电流与输出电流成线性关系 小结 四种工作状态 发射结正偏 集电结反偏 放大工作状态 发射结反偏 集电结反偏 截止工作状态 发射结正偏 集电结正偏 饱和工作状态 发射结反偏 集电结正偏 倒置工作状态 在模拟电路中 三极管主要工作在放大状态 在数字电路中 三极管主要工作在截止和饱和状态 倒置工作状态应用较少 二 三极管的伏安特性曲线 1 共射极输入特性 基极电流iB与发射结电压vBE之间的关系 与PN结正向伏安特性曲线相似 当vCE 1时 输入伏安特性基本不变 集电极电流iC与集 射间电压vCE之间的关系 2 共射极输出特性 输出特性曲线族 截止区饱和区放大区 发射结反偏 集电结反偏 截止区 硅0 5V 锗0 1V 等效电路 发射结正偏 集电结反偏 放大区 等效电路 特征是iC仅受iB控制 与vCE的大小无关 具有恒流特性 发射结正偏 集电结正偏 饱和区 其特征是iC随vCE下降而减小 当vCE不变时 若增大iB 则iC基本不变 三极管失去放大能力 当集电结零偏 vCB 0 时称为临界饱和 VCES称饱和压降 ICS称集电极饱和电流 IBS称基极临界饱和电流 当iB IBS时 三极管进入深饱和 等效电路 临界饱和 VCES 0 7V深度饱和 VCES 0 3V 饱和区模型 vBE vCE为负值 PNP型三极管 iB iC的实际流向与NPN型管相反 横坐标为 vBE vCE 例 判断放大电路中三极管的类型 材料 电极 解 三极管工作在放大区的特点是 硅管 VBE 0 7V 锗管 VBE 0 2V NPN管 VC VB VE PNP管 VC VB VE ceb PNP锗管 例1 1 5 设双极型硅三极管 50 计算IBQ ICQ VCEQ 并确定三极管工作状态 1 VBB 15V 2 VBB 30V 3 VBB 15V 第22页 1 若VBB 15V 解 三极管工作在放大区 2 若VBB 30V 上述计算是在假定三极管工作在放大区的前提下进行的 但VCEQ 0 7V表明三极管事实上无法工作在放大区 只能处于饱和区 按饱和区重新计算 3 若VBB 15V 三极管工作在截止区 三 三极管的主要参数 1 电流放大倍数 共射极直流电流放大倍数 共射极交流电流放大倍数 典型值为20 200 共基极直流电流放大倍数 共基极交流电流放大倍数 典型值为0 95 0 995 集电结反向饱和电流ICBO是指发射极开路 集电极与基极之间加反向电压时的反向饱和电流 A级 与单个PN结的反向电流一样 主要取决于温度和少子浓度 穿透电流ICEO是指基极开路 集电极与发射极之间加反向电压时 从集电极穿过基区流入发射极的反向饱和电流 ICEO是衡量三极管性能稳定与否的重要参数之一 其值愈小愈好 ICBO和ICEO与温度密切相关 2 极间反向电流 集电极最大允许电流ICM当iC超过ICM时 电流放大倍数 将显著下降 集电极最大允许功耗PCMPCM表示集电结上允许的耗散功率的最大值 主要由管子所允许的温升及散热条件决定 当超过PCM时 管子可能烧毁 反向击穿电压超过反向击穿电压时 管子将发生击穿 反向击穿电压的大小不仅与管子本身的特性有关 还与外电路的接法有关 3 极限参数 安全工作区 由三极管的三个极限参数 PCM ICM和V BR CEO 在输出特性曲线上可画出安全工作区 SOA 4 温度