模电 电子线路线性部分第五版 主编 冯军 谢嘉奎第二章课件.ppt

第2章晶体三极管 概述 2 1放大模式下晶体三极管的工作原理 2 2晶体三极管的其他工作模式 2 3埃伯尔斯 莫尔模型 2 4晶体三极管伏安特性曲线 2 5晶体三极管小信号电路模型 2 6晶体三极管电路分析方法 2 7晶体三极管的应用原理 概述 三极管结构及电路符号 发射极E 基极B 集电极C 发射极E 基极B 集电极C 发射结 集电结 第2章晶体三极管 三极管三种工作模式 发射结正偏 集电结反偏 放大模式 发射结正偏 集电结正偏 饱和模式 发射结反偏 集电结反偏 截止模式 注意 三极管具有正向受控作用 除了满足内部结构特点外 还必须满足放大模式的外部工作条件 三极管内部结构特点 1 发射区高掺杂 相对于基区 2 基区很薄 3 集电结面积大 第2章晶体三极管 2 1放大模式下三极管工作原理 2 1 1内部载流子传输过程 IEn IEp IBB ICn ICBO IE IC IB 第2章晶体三极管 发射结正偏 保证发射区向基区发射多子 发射区掺杂浓度 基区掺杂浓度 减少基区向发射区发射的多子 提高发射效率 基区的作用 将发射到基区的多子 自发射结传输到集电结边界 基区很薄 可减少多子传输过程中在基区的复合机会 保证绝大部分载流子扩散到集电结边界 集电结反偏且集电结面积大 保证扩散到集电结边界的载流子全部漂移到集电区 形成受控的集电极电流 第2章晶体三极管 三极管特性 具有正向受控作用 即三极管输出的集电极电流IC 主要受正向发射结电压VBE的控制 而与反向集电结电压VCE近似无关 注意 NPN型管与PNP型管工作原理相似 但由于它们形成电流的载流子性质不同 结果导致各极电流方向相反 加在各极上的电压极性相反 第2章晶体三极管 观察输入信号作用在哪个电极上 输出信号从哪个电极取出 此外的另一个电极即为组态形式 2 1 2电流传输方程 三极管的三种连接方式 三种组态 共发射极 共基极 共集电极 放大电路的组态是针对交流信号而言的 第2章晶体三极管 共基极直流电流传输方程 直流电流传输系数 直流电流传输方程 共发射极直流电流传输方程 直流电流传输方程 其中 第2章晶体三极管 若忽略ICBO 则 第2章晶体三极管 ICEO的物理含义 ICEO指基极开路时 集电极直通到发射极的电流 因为IB 0 所以IEp IEn ICn IE ICn ICBO 因此 第2章晶体三极管 三极管的正向受控作用 服从指数函数关系式 2 1 3放大模式下三极管的模型 数学模型 指数模型 IS指发射结反向饱和电流IEBS转化到集电极上的电流值 它不同于二极管的反向饱和电流IS 式中 第2章晶体三极管 放大模式直流简化电路模型 VBE on 为发射结导通电压 工程上一般取 第2章晶体三极管 三极管参数的温度特性 温度每升高1 C 增大0 5 1 即 温度每升高1 C VBE on 减小 2 2 5 mV 即 温度每升高10 C ICBO增大一倍 即 第2章晶体三极管 2 2晶体三极管的其他工作模式 2 2 1饱和模式 E结正偏 C结正偏 结论 三极管失去正向受控作用 第2章晶体三极管 饱和模式直流简化电路模型 若忽略饱和压降 三极管输出端近似短路 即三极管工作于饱和模式时 相当于开关闭合 第2章晶体三极管 2 2 2截止模式 E结反偏 C结反偏 若忽略反向饱和电流 三极管IB 0 IC 0 即三极管工作于截止模式时 相当于开关断开 截止模式直流简化电路模型 第2章晶体三极管 2 3埃伯尔斯 莫尔模型 埃伯尔斯 莫尔模型是三极管通用模型 它适用于任何工作模式 其中 第2章晶体三极管 2 4晶体三极管伏安特性曲线 伏安特性曲线是三极管通用的曲线模型 它适用于任何工作模式 第2章晶体三极管 输入特性曲线 VCE一定 类似二极管伏安特性 VCE增加 正向特性曲线略右移 由于VCE VCB VBE WB 注 VCE 0 3V后 曲线移动可忽略不计 因此当VBE一定时 VCE VCB 复合机会 IB 曲线右移 第2章晶体三极管 输出特性曲线 饱和区 VBE 0 7V VCE 0 3V 特点 条件 发射结正偏 集电结正偏 IC不受IB控制 而受VCE影响 VCE略增 IC显著增加 输出特性曲线可划分为四个区域 饱和区 放大区 截止区 击穿区 第2章晶体三极管 放大区 VBE 0 7V VCE 0 3V 特点 条件 说明 第2章晶体三极管 在考虑三极管基区宽度调制效应时 电流IC的修正方程 基宽WB越小 调制效应对IC影响越大 则 VA 越小 考虑上述因素 IB等量增加时 输出曲线不再等间隔平行上移 第2章晶体三极管 截止区 VBE 0 5V VCE 0 3V 特点 条件 发射结反偏 集电结反偏 IC 0 IB 0 严格说 截止区应是IE 0即IB ICBO以下的区域 因为IB在0 ICBO时 仍满足 第2章晶体三极管 击穿区 特点 VCE增大到一定值时 集电结反向击穿 IC急剧增大 集电结反向击穿电压 随IB的增大而减小 注意 IB 0时 击穿电压为V BR CEO IE 0时 击穿电压为V BR CBO V BR CBO V BR CEO 第2章晶体三极管 三极管安全工作区 最大允许集电极电流ICM 若IC ICM 造成 反向击穿电压V BR CEO 若VCE V BR CEO 管子击穿 VCE V BR CEO 最大允许集电极耗散功率PCM PC ICVCE 若PC PCM 烧管 PC PCM IC ICM 第2章晶体三极管 放大电路小信号作用时 在静态工作点附近的小范围内 特性曲线的非线性可忽略不计 近似用一段直线来代替 从而获得一线性化的电路模型 即小信号 或微变 电路模型 2 5晶体三极管小信号电路模型 三极管作为四端网络 选择不同的自变量 可以形成多种电路模型 最常用的是混合 型小信号电路模型 第2章晶体三极管 混合 型电路模型的引出 第2章晶体三极管 混合 型小信号电路模型 若忽略rb c影响 整理后即可得出混合 型电路模型 电路低频工作时 可忽略结电容影响 因此低频混合 型电路模型简化为 第2章晶体三极管 小信号电路参数 rbb 基区体电阻 其值较小 约几十欧 常忽略不计 rb e三极管输入电阻 约千欧数量级 跨导gm表示三极管具有正向受控作用的增量电导 rce三极管输出电阻 数值较大 RL rce时 常忽略 第2章晶体三极管 简化的低频混 电路模型 由于 因此 等效电路中的gmvb e 也可用 ib表示 注意 小信号电路模型只能用来分析叠加在Q点上各交流量之间的相互关系 不能分析直流参量 第2章晶体三极管 由于交流信号均叠加在静态工作点上 且交流信号幅度很小 因此对工作在放大模式下的电路进行分析时 应先进行直流分析 后进行交流分析 2 6晶体三极管电路分析方法 第2章晶体三极管 即分析交流输入信号为零时 放大电路中直流电压与直流电流的数值 2 6 1直流分析法 图解法 即利用三极管的输入 输出特性曲线与管外电路所确定的负载线 通过作图的方法进行求解 要求 已知三极管特性曲线和管外电路元件参数 优点 便于直接观察Q点位置是否合适 输出信号波形是否会产生失真 第2章晶体三极管 1 由电路输入特性确定IBQ 写出管外输入回路直流负载线方程 VBE IB 图解法分析步骤 在输入特性曲线上作直流负载线 找出对应交点 得IBQ与VBEQ 2 由电路输出特性确定ICQ与VCEQ 写出管外输出回路直流负载线方程 VCE IC 在输出特性曲线上作直流负载线 找出负载线与特性曲线中IB IBQ曲线的交点 即Q点 得到ICQ与VCEQ 第2章晶体三极管 例1已知电路参数和三极管输入 输出特性曲线 试求IBQ ICQ VCEQ Q 输入回路直流负载线方程VBE VBB IBRB VBEQ IBQ 输出回路直流负载线方程VCE VCC ICRC IB IBQ Q ICQ VCEQ 第2章晶体三极管 工程近似法 估算法 即利用直流通路 计算静态工作点 直流通路是指输入信号为零 耦合及旁路电容开路时对应的电路 分析步骤 确定三极管工作模式 用相应简化电路模型替代三极管 分析电路直流工作点 只要VBE 0 5V E结反偏 截止模式 假定放大模式 估算VCE 若V E 0 3V 放大模式 若V E 0 3V 饱和模式 第2章晶体三极管 例2已知VBE on 0 7V VCE sat 0 3V 30 试判断三极管工作状态 并计算VC 解 假设T工作在放大模式 因为VCEQ 0 3V 所以三极管工作在放大模式 VC VCEQ 4 41V 第2章晶体三极管 例3若将上例电路中的电阻RB改为10k 试重新判断三极管工作状态 并计算VC 解 假设T工作在放大模式 因为VCEQ 0 3V 假设不成立 所以三极管工作在饱和模式 第2章晶体三极管 例4已知VBE on 0 7V VCE sat 0 3V 30 试判断三极管工作状态 并计算VC 解 所以三极管工作在截止模式 VBE on 第2章晶体三极管 2 6 2交流分析法 小信号等效电路法 微变等效电路法 分析电路加交流输入信号后 叠加在Q点上的电压与电流变化量之间的关系 在交流通路基础上 将三极管用小信号电路模型代替得到的线性等效电路即小信号等效电路 利用该等效电路分析Av Ri Ro的方法即小信号等效电路法 交流通路 即交流信号流通的路径 它是将直流电源短路 耦合 旁路电容短路时对应的电路 第2章晶体三极管 小信号等效电路法分析步骤 画交流通路 直流电源短路 耦合 旁路电容短路 用小信号电路模型代替三极管 得小信号等效电路 利用小信号等效电路分析交流指标 计算微变参数gm rb e 注意 小信号等效电路只能用来分析交流量的变化规律及动态性能指标 不能分析静态工作点 第2章晶体三极管 例5已知ICQ 1mA 100 vi 20sin t mV C k 画电路的交流通路及交流等效电路 计算vo 第2章晶体三极管 图解法 确定静态工作点 方法同前 画交流负载线 画波形 分析性能 过Q点 作斜率为 1 R L的直线即交流负载线 其中R L RC RL 分析步骤 图解法直观 实用 容易看出Q点设置是否合适 波形是否产生失真 但不适合分析含有电抗元件的复杂电路 同时在输入信号过小时作图精确度降低 第2章晶体三极管 例6输入正弦信号时 画各极电压与电流的波形 IBQ ICQ VCEQ 第2章晶体三极管 Q点位置与波形失真 由于PNP管电压极性与NPN管相反 故横轴vCE可改为 vCE 消除截止失真 升高Q点 减小RB 增大IBQ 第2章晶体三极管 2 7晶体三极管应用原理 2 7 1电流源 利用三极管放大区iB恒定时iC接近恒流的特性 可构成集成电路中广泛采用的一种单元电路 电流源 该电流源不是普通意义上的电流源 因它本身不提供能量 电流源电路的输出电流I 由外电路中的直流电源提供 I 只受IB控制 与外电路在电流源两端呈现的电压大小几乎无关 就这个意义而言 将其看作为电流源 第2章晶体三极管 放大器的作用就是将输入信号进行不失真的放大 2 7 2放大器 放大原理 利用ib对ic的控制作用实现放大 第2章晶体三极管 电源VCC提供的功率 放大实质 三极管集电极上的功率 负载电阻RC上的功率 第2章晶体三极管 注意 放大器放大信号的实质 是利用三极管的正向受控作用 将电源VCC提供的直流功率 部分地转换为输出功率 电源VCC不仅要为三极管提供偏置 保证管子工作在放大区 同时还是整个电路的能源 电源提供的功率PD除了转换成负载上有用的输出功率PL外 其余均消耗在晶体三极管上 PC 三极管仅是一个换能器 第2章晶体三极管 顺时针与逆时针方向三极管个数相等