晶体三极管特性课件

二极管开关的通断是受两端电压极性控制 三极管开关的通断是受基极b控制 1 三极管的三种工作区域 三 晶体三极管开关特性 饱和区 放大区 截止区 饱和区 iC受vCE显著控制的区域 该区域内vCE的数值较小 一般vCE 0 7V 硅管 此时发射结正偏 集电结正偏或反偏电压很小 截止区 iC接近零的区域 相当iB 0的曲线的下方 此时 发射结反偏 集电结反偏 放大区 iC平行于vCE轴的区域 曲线基本平行等距 此时 发射结正偏 集电结反偏 电压大于0 7V左右 硅管 1 三极管的三种工作区域 饱和区 放大区 截止区 三极管工作在放大区 三极管放大条件 放大特点 基极电流IB对集电极电流IC有很强的控制作用 IC IB 从特性曲线上可以看出 在相同的VCE条件下 IB有很小的变化量 IB IC就有很大的变化量 IC 2 三极管的三种工作状态 放大状态 三极管有放大能力 ic ib 三极管工作在饱和区 饱和区VCE比较小 也就是IC受VCE显著控制区 即将输出曲线直线上升和弯曲部分划为饱和区 三极管饱和条件 基极电位高于发射级 集电极电位 2 三极管的三种工作状态 饱和状态 ib IBS 三极管饱和特点 当VCE减少到一定程度后 集电结收集载流子的能力减弱 造成发射结 发射有余 集电结收集不足 集电极电流IC不再服从IC IB的规律 三极管饱和时的等效电路 2 三极管的三种工作状态 硅管0 7V 锗管0 3V 硅管0 3V 锗管0 1V 不考虑管压降时的等效电路 等效于开关闭合 三极管工作在截止区 IB 0曲线以下 发射结 集电结均反偏 VBE 0 VBC 0 三极管相当于开路 三极管截止等效电路 所以可以利用三极管饱和 截止状态作开关 三极管截止条件 2 三极管的三种工作状态 截止状态 等效于开关断开 三极管PN结四种偏置方式组合 根据VCC和RC值 在输出特性曲线上画一条负载线 当Vi 0时 三极管截止 工作在特性曲线A点 当ib 60 A时 iC ib 50X60 3mA T临界饱和 当ib 60 A时 iC几乎不变 三极管进入饱和区 临界饱和时基极电流 饱和时集电极电流 例 共发射极电路 首先求出基极电流 然后求出临界饱和时基极电流 三极管工作在饱和状态 大的越多 饱和的越深 三极管工作在放大状态 三极管工作在截止状态 如何判断三极管工作状态 理想情况下 饱和 截止动作瞬时完成 三极管开关和二极管开关一样 都存在开关惰性 三极管在作开关运用时 三极管饱和及截止两种状态不是瞬时完成 因为三极管内部存在着电荷建立和消散过程 Vi Vb2时 T饱和 Vi Vb1时 T截止 2 三极管开关惰性 Vi Vb1时 T截止ib 0ic 0 实际情况下 输入由 Vb2上跳到 Vb1 T由止 放大 饱和 输入由 Vb2下跳到 Vb1 由饱和 放大 止 需要经历四个时间 延迟时间 ic由0上升到0 1icmax 上升时间 ic由0 1icmax上升到0 9icmax 存储时间 ic由Icmax下降到0 9icmax 下降时间 ic由0 9icmax下降到0 1icmax T由截止 导通需要的时间 tON td tr T由导通 截止需要的时间 tOff ts tf 三极管开关惰性 用基区电荷分布图说明 当输入 发射结由 反偏 正偏所需时间td 正向偏压 基极驱动电流 发射区扩散到基区电子数 集电极收集的电子数 由小到大变化 当基区的电子浓度增加到4时 发射结正偏后 集电极电流达到临界饱和 ICS 基区中电子积累所需时间 tr 三极管由截止进入饱和过程 电子浓度 开关惰性形成的原因 临饱 放大 正偏 IB IBS时 发射结发射有余 集电极收集不足 过剩电子在基区积累 如4 5 这段时间就是存储时间ts 当ib继续增加 电子浓度 分析输入信号由 希望基极驱动电流ib1很大 加速三极管由截止向饱和转变 缩短上升时间tr 减少延迟时间 提高工作速度 虽然ib1增加带来td tr减小 同时也会使ts增加 要求驱动电流不是常数 而是前大后小 前大加速建立 后小不过分饱和 开关惰性形成的原因 正偏 放大 临饱 深饱 电子浓度 当输入 三极管由饱和进入截止过程 由于基区电子不能立即消失 T仍然饱和 其转变过程是 随正偏压的减小 基区存储的电子逐渐减小 5 4区间中电子积累从深饱和 浅饱和 临界饱和 放大 截止 分析输入信号由 希望基极驱散电流ib2很大 加速三极管由饱和向截止状态转变 同样ib2增加带来tf减小 同时也会使td增加 即 三极管截止时 反偏电压越大 转向正偏时间越长 因此 要求驱动电流也不是常数 而是前大后小 前大快速驱散 后小不过分截止 开关惰性形成的原因 深饱 临饱 放大 正偏 结论 把三极管由截止 饱和的基极电流ib1叫做正向驱动电流 把三极管由饱和 截止的基极电流ib2叫做反向驱散电流 这样一个前大后小的基极驱动电流很难选取 但可以利用电容C上的电压不能突变的特性 近似实现 这个电容叫做加速电容 开关惰性形成的原因 R1 R2 外加负偏压 VBB及Vi共同决定三极管工作状态 保证三极管在开关方波的作用下可靠工作于饱和 截止两种状态 那么如何保证三极管可靠工作 就依靠合理选择基极偏置电阻来保证 设计问题 当Vi 0时 希望T截止先假设T止再看是否止 画截止等效电路 1V 三极管截止条件 Vbe 0 令 Vbe 1VT可靠截止 当Vi E时 希望T饱和 先假设T饱和再判是否饱和 画饱和等效电路 三极管截止条件 ib IBS 四 晶体三极管反相器 1 反相器工作原理及设计方法 即 三极管一定饱和 元件选择 T 先选择开关管 再根据手册给出ICM确定RC VCC VBB根据工作条件确定 C1根据开关管截至频率确定 反相器的优点 输出振幅比较大 饱和时VO 0 截止时 VO VCC 三极管饱和时 Vces 0 3V所以功耗小 对 的一致性要求底 只要满足 晶体三极管反相器 反相器的基本功能是将输入信号反相输出 输出信号应保持与输入信号形状一致 但由于三极管本身存在 开关时间 分布电容及寄生电容的影响 使输出波形产生一定畸变 只能采取措施 使这种畸变尽可能减小至容许范围之内 常用方法 采用加速电容 增加钳位二极管 VCL 钳位电压 VCL VCC DCL 钳位二极管 CO 输出端分布电容及负载电容之和 当 Vi VIL T止 DCL导 VO VCL VCC以 RCCO向CO充电 负载变化 稳定输出 当 Vi VIH T饱和 CO放电 rCESCO 由于RC rCESCO快速放电 DCL对下降沿影响小 当 Vi从 T由饱和变为截至 由于电容上的电压不能突变 又以大时常数RCO充电 充电速度比较慢 当充至VO VCL DCL导通 VO被钳位于VCL 2 提高反相器开关速度的方法 VCL VCC R1 R2 VBB RC 反相器负载有两种情况 流进反相器的电流叫灌流负载 记做iOI 流出反相器的电流叫拉流负载 记做iop 如何衡量反相器带负载能力 反相器在正常工作条件下 饱和状态 VO 0 3V 反相器所允许最大灌电流IOCM是多少 截止状态 VO VCL 反相器所允许最大拉电流IOPM是多少 3 反相器带负载的能力 三极管饱和时 VO Vces 0 3V DCL止 iDCL 0 流入集电极电流 IBS iC iRC iOI 由饱和条件iB IBS知 IBS 增加使三极管饱和深度减少 有可能引起三极管退出饱和 所以 灌电流的增加 不应破坏三极管的饱和条件 即 iC IC iRC iOI iB iC iB 分饱和 截止两种状态讨论 1 反相器带灌流负载的能力 三极管饱和时带灌流负载的能力 RC VCC R1 vi vo R2 VBB C1 DCL VCL 三极管截至时 iC 0DCL导通VO VCL 流入钳位二极管电流 iDCL iRC iOI 灌电流的增加不可能烧坏钳位二极管 三极管饱和时所允许的最大灌电流 ICM VCC RC I0IM iB iRC 三极管截至时带灌流负载的能力 RC VCC R1 vi vo R2 VBB C1 DCL VCL 三极管饱和时 DCL止 iDCL 0 拉电流 iOP iRC iC 由饱和条件iB IBS知 iop的增加引起iC的减少 iC的减少又引起iB的减少 三极管的饱和深度加深 所以拉电流的增加 不破坏三极管的饱和状态iop的增加 最大将iC拉到0 所以 最大拉电流 IOPM iRC 0 VCC RC 仍然分饱和 截止两种状态讨论 2 反相器带拉流负载的能力 三极管饱和时带拉流负载的能力 RC VCC R1 vi vo R2 VBB C1 DCL VCL 三极管截至时 DCL导通 iC 0 VO VCL iRC iDCL iOP 拉电流iOP增加到一定程度使iDCL减小到0 D失去钳位作用 因此三极管截至时 最大拉电流以钳位二极管不失去钳位作用为原则 IOPM iRC VCC VCL RC 即 iDCL不能为0 三极管截至时带拉流负载的能力 RC VCC R1 vi vo R2 VBB C1 DCL VCL 1 当 30 T能否可靠饱和或截止 2 在输入为高电平时 保证T可靠饱和 值最小等于多少 3 在输入为低电平时 保证可T靠截止 VBB值最小等于多少 题意分析 先判导和止 再判饱和否 截至条件 发射结 集电结均反偏 VBE 0 饱和条件 发射结 集电结均正偏 VBE 0 练习题 解 1 先假定T截止 画出T截止等效电路 满足截止条件T截止 目的是判