二晶体管PPT课件.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 1 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 2 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 3 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 4 第一节双极型晶体管 三极管示意图 2 1 1工作原理 5 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 6 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 7 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 8 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 9 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 10 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 BipolarJunctionTransistor 二 内部载流子的运动 2 1 1工作原理 11 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 12 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 13 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 14 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 15 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 16 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 17 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 18 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 19 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 20 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 21 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 22 实验线路 输出特性 23 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 24 工作压降 硅管vBE 0 6 0 7V 锗管vBE 0 2 0 3V 死区电压 硅管0 5V 锗管0 2V 25 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 26 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 27 28 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 29 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 30 此区域中vCE vBE 集电结正偏 iB iC 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 31 2 1 2晶体管的静态特性曲线 此区域中 iB 0 iC ICEO vBE 死区电压 称为截止区 特点 二 共射输出特性曲线 32 2020 1 7 33 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 vCE vBE iB iC vCE 0 3V 3 截止区 vBE 死区电压 iB 0 iC ICEO 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 34 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 35 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 36 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 37 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 38 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 30 A 20 A 10 A 不同温度下的输出特性曲线 0 A 39 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 40 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 41 例 VCE 6V时 iB 40 A iC 1 5mA iB 60 A iC 2 3mA 在以后的计算中 一般作近似处理 42 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 43 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 44 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 45 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 46 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 47 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 48 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 49 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5 10V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 50 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 51 3 最大集电极允许功耗PCM PCM iC vCE 与散热条件有关 硅管的最高结温小于150 C 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 52 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 53 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 54 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 55 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 56 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 57 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 1V0 3V3V 2 0 3V0 7V1V 3 2V5V1V 解 1 b 1V e 0 3V c 3V 硅管 放大 2 e 0 3Vc 0 7Vb 1V 硅管 饱和 3 e 2Vc 5Vb 1V 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 58 2 PNP管 1 0 2V0V 0 1V 2 3V 0 2V0V 3 1V1 2V 2V 解 1 b 0 2Ve 0Vc 0 1V 锗管饱和 2 c 3Vb 0 2Ve 0V 锗管放大 3 b 1Ve 1 2Vc 2V 锗管放大 PNP管 c极电位低于e极 否则反向应用 很小 59 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 60 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 61 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 62 例 5