2晶体三极管(56-2008.3).ppt

线性电子电路 文凤 书山有路勤为径学海无崖苦作舟 第二章晶体三极管 第二章晶体三极管 2 0概述 2 2晶体三极管的其它工作模式及其电路模型 2 4晶体三极管伏安特性曲线 2 3埃伯尔斯 莫尔模型 2 7晶体三极管的应用原理 2 1放大模式下晶体三极管的工作原理及电路模型 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 第二章晶体三极管 2 0概述 晶体三极管又称双极型晶体管 BipolarJunctionransistor BJT 简称三极管 一 三极管的种类很多 按材料分 硅三极管和锗三极管 无论那种类型的三极管 都是由两个靠得近且背靠背排列的PN结组成 按排列方式不同 三极管分为NPN和PNP管 按功率分 小功率 中功率和大功率管等 按结构分 NPN型管和PNP型管 按频率分 高频管和低频管 第二章晶体三极管 N N P 集电结Jc 发射结Je 发射极e 集电极c 基极b 发射区 集电区 基区 P 发射区 N 基区 P 集电区 发射极e 基极b 集电极c 三极管结构示意图及电路符号 NPN管 PNP管 三极管内部结构特点 发射区高掺杂 基区很薄 集电结面积大 结构示意图 电路符号 第二章晶体三极管 从结构看 从电路符号看 无论是NPN还是PNP管 都有两个PN结 三个区 三个电极 除了发射极上的箭头方向不同外 其他都相同 但箭头方向都是由P指向N 即PN结的正向电流方向 三 三极管的工作状态及其外部工作条件 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 最常用 用于开关电路中 在黑板上结合例子讲解 第二章晶体三极管 总结 在放大电路中三极管主要工作于放大状态 即要求 发射结正偏 正偏压降近似等于其PN结的导通压降 集电结反偏 反偏压降远远大于其导通电压才行 对NPN管各极电位间要求 对PNP管各极电位间要求 Ve Vb Vc Ve Vb Vc 管子类型判别例子 黑板 放大模式下的工作原理 第二章晶体三极管 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 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 总结 2 1工作在放大状态下的三极管 IEn IBp ICBO IBn ICn IE IC IB 常用Icn和IE的比值 来衡量管子的质量 且令 Je正偏 以扩散运动为主 Jc反偏 以漂移运动为主 第二章晶体三极管 表示 受发射结电压控制的基极电流IB对集电极电流IC的控制能力 第二章晶体三极管 三极管特性 具有正向受控作用 在放大状态下的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 第二章晶体三极管 2 1 2放大模式下三极管的模型 三极管的正向受控作用 服从指数函数关系式 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 第二章晶体三极管 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 黑板上举例 第二章晶体三极管 三极管参数的温度特性 温度每升高1 C 增大 0 5 1 温度每升高1 C UBE on 减小 2 2 5 mV 温度每升高10 C ICBO增大一倍 因而温度对三极管的影响集中体现在对集电极电流的影响 第二章晶体三极管 2 2晶体三极管的其它工作模式 2 2 1饱和模式 发射结Je正偏 集电结Jc正偏 三极管失去正向受控作用 即三极管的集电极电流IC不再受基极电流IB控制 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 具体电路分析 第二章晶体三极管 2 2 2截止模式 JE结反偏 JC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 具体电路分析 第二章晶体三极管 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 第二章晶体三极管 2 4晶体三极管伏安特性曲线 可由图示仪直接测出 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 三极管有三种组态 以共发射极为例 第二章晶体三极管 观察输入信号作用在那个电极上 输出信号从那个电极取出 此外的另一个电极即为组态形式 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 返回特性曲线 第二章晶体三极管 输入特性曲线 UCE一定 类似二极管伏安特性 UCE增加 正向特性曲线略右移 由于UCE UCB UBE WB 注 UCE 0 3V后 曲线移动可忽略不计 因此当UBE一定时 UCE UCB 复合机会 IB 曲线右移 返回特性曲线 第二章晶体三极管 输出特性曲线 饱和区 输出特性曲线可划分四个区域 返回特性曲线 条件 特点 放大区 条件 特点 截止区 条件 特点 发射结正偏 集电结正偏 IC受UCE影响 不受IB控制 UCE略增 IC显著增加 发射结正偏 集电结反偏 IC受IB控制 不受VCE控制 发射结反偏 集电结反偏 IC 0 IB 0 击穿区 0 反向击穿电压U BR CEO IC mA 饱和区 放大区 截止区 击穿区 U BR CEO 结合讲三极管的放大原理 安全工作区 第二章晶体三极管 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 返回特性曲线 饱和区 VBE 0 7V VCE 0 3V 第二章晶体三极管 放大区 VBE 0 7V VCE 0 3V 特点 条件 返回输出特性曲线 说明 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 第二章晶体三极管 返回输出特性曲线 第二章晶体三极管 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 返回输出特性曲线 第二章晶体三极管 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 返回输出特性曲线 第二章晶体三极管 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U BR CEO 若UCE U BR CEO 管子击穿 UCE U 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 返回输出特性曲线 第二章晶体三极管 2 5晶体三极管小信号电路模型 放大电路小信号运用时 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 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 第二章晶体三极管 混合 型电路模型的引出 混合 电路模型 第二章晶体三极管 混合 型小信号电路模型 若忽略rb c影响 整理即可得出混 电路模型 电路低频工作时 可忽略结电容影响 因此低频混 电路模型简化为 简化混合 电路模型 小信号参数 第二章晶体三极管 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 返回电路模型 第二章晶体三极管 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 返回 2 6晶体三极管电路分析方法 第二章晶体三极管 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 第二章晶体三极管 2 6 1直流分析法 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 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 第二章晶体三极管 图解法分析步骤 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 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 第二章晶体三极管 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 返回 第二章晶体三极管 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 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 第二章晶体三极管 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 第二章晶体三极管 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 所以三极管工作在饱和模式 第二章晶体三极管 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 返回 第二章晶体三极管 2 6 2交流分析法 小信号等效电路法 微变等效电路法 用来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 第二章晶体三极管 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 第二章晶体三极管 例5已知ICQ 1mA 100 vi 20sin t mV 试画出图示电路的交流通路及交流等效电路 并计算vo 第二章晶体三极管 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 第二章晶体三极管 例6输入正弦信号时 画各极电压与电流的波形 IBQ ICQ VCEQ Q点位置与波形失真 第二章晶体三极管 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 第四章放大器基础 Q ICQ VCEQ Q点在中点 动态范围最大 输出波形不易失真 Q点升高 不失真动态范围减小 输出易饱和失真 Q点降低 不失真动态范围减小 输出易截止失真 Q Q 返回失真 第二章晶体三极管 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IO 由外电路中的直流电源提供 IO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 第二章晶体三极管 2 7 2放大器 放大器的作用就是将输入信号进行不失真的放大 放大原理 利用ib对ic的控制作用实现放大 第二章晶体三极管 放大实质