《任务3三极管》PPT课件.pptVIP

3 1半导体三极管 半导体三极管又称晶体三极管 简称三极管 一般简称晶体管 或双极型晶体管 它是通过一定的制作工艺 将两个PN结结合在一起的器件 两个PN结相互作用 使三极管成为一个具有控制电流作用的半导体器件 三极管可以用来放大微弱的信号和作为无触点开关 常用的三极管的结构有硅平面管和锗合金管两种类型 各有PNP型和NPN型两种结构 a 平面型 NPN b 合金型 PNP e发射极 b基极 c集电极 集电区 基区 发射区 集电区 发射区 基区 一 结构和符号 平面型 NPN 三极管制作工艺 在N型硅片 集电区 氧化膜上刻一个窗口 将硼杂质进行扩散形成P型 基区 再在P型区上刻窗口 将磷杂质进行扩散形成N型的发射区 引出三个电极即可 合金型三极管制作工艺 在N型锗片 基区 两边各置一个铟球 加温铟被熔化并与N型锗接触 冷却后形成两个P型区 集电区接触面大 发射区掺杂浓度高 三极管的结构示意图和符号 三极管从应用的角度讲 种类很多 根据工作频率分为高频管 低频管和开关管 根据工作功率分为大功率管 中功率管和小功率管 常见的三极管外形如图所示 常见的三极管外形 部分三极管的外型 以NPN型三极管为例讨论 三极管中的两个PN结 三极管若实现放大 必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证 不具备放大作用 二 电流分配原则及放大作用 1 放大条件 1 内部条件 发射区高掺杂 基区做得很薄 通常只有几微米到几十微米 而且掺杂较少 集电结面积大 2 外部条件 发射结必须加正向电压 正偏 集电结必须加反向电压 反偏 2 三极管中载流子运动过程 1 发射发射区的电子越过发射结扩散到基区 基区的空穴扩散到发射区 形成发射极电流IE 基区多子数目较少 空穴电流可忽略 2 复合和扩散电子到达基区 少数与空穴复合形成基极电流IBN 复合掉的空穴由VBB补充 多数电子在基区继续扩散 到达集电结的一侧 三极管中载流子的运动 3 收集集电结反偏 有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流ICN 其能量来自外接电源VCC 另外 集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流 用ICBO表示 三极管中载流子的运动 三极管的电流分配关系 IEP ICBO IE IC IB IEN IBN ICN IC ICN ICBO IE IEN IEP ICN IBN IEp 一般要求ICN在IE中占的比例尽量大 一般可达0 95 0 99 三极管的电流分配及放大关系式为 IE IB IC IC IB 为电流放大倍数 其范围约为 20 200 NPN PNP IE 1 IB 一组三极管电流关系典型数据 1 任何一列电流关系符合IE IB IC IB IC IE IC IE 2 当IB有微小变化时 IC较大 说明三极管具有电流放大作用 3 在表的第一列数据中 IE 0时 IC 0 001mA ICBO ICBO称为反向饱和电流 4 在表的第二列数据中 IB 0时 IC 0 01mA ICEO 称为穿透电流 三 特性曲线及主要参数 1 特性曲线 三极管的特性曲线是指三极管的各电极电压与电流之间的关系曲线 它反映出三极管的特性 它可以用专用的图示仪进行显示 也可通过实验测量得到 以NPN型硅三极管为例 其常用的特性曲线有以下两种 1 输入特性曲线IB f UBE 它是指一定集电极和发射极电压UCE下 三极管的基极电流IB与发射结电压UBE之间的关系曲线 实验测得三极管的输入特性曲线如下图所示 b 当uCE 1V时 uCB uCE uBE 0 集电结已进入反偏状态 开始收集电子 基区复合减少 同样的uBE下IB减小 特性曲线右移 a 当uCE 0V时 相当于发射结的正向伏安特性曲线 工作压降 硅管UBE 0 6 0 8V 锗管UBE 0 2 0 3V 死区电压 硅管0 5 0 7V 锗管0 1 0 3V 2 输出特性曲线IC f UCE 它是指一定基极电流IB下 三极管的集电极电流IC与集电结电压UCE之间的关系曲线 实验测得三极管的输出特性曲线如下图所示 动画 输出特性 IC mA 当UCE大于一定的数值时 IC只与IB有关 IC IB 且 IC IB 此区域称为线性放大区 此区域中UCE UBE 集电结正偏 IB IC UCE 0 3V称为饱和区 此区域中 IB 0 IC ICEO UBE 死区电压 称为截止区 输出特性三个区域的特点 1 放大区发射结正偏 集电结反偏 IC IB 对NPN型的三极管 有电位关系 UC UB UE 有发射结电压UBE 0 7V 对NPN型锗三极管 有UBE 0 2V 2 饱和区发射结正偏 集电结正偏 即UCE UBE IB IC UCE的值很小 称此时的电压UCE为三极管的饱和压降 用UCES表示 一般硅三极管的UCES约为0 3V 锗三极管的UCES约为0 1V 三极管的集电极和发射极近似短接 三极管类似于一个开关导通 3 截止区UBE 死区电压 IB 0 IC ICEO 0 三极管的集电极和发射极之间电阻很大 三极管相当于一个开关断开 三极管作为开关使用时 通常工作在截止和饱和导通状态 作为放大元件使用时 一般要工作在放大状态 2 三极管的主要参数 三极管的参数有很多 如电流放大系数 反向电流 耗散功率 集电极最大电流 最大反向电压等 这些参数可以通过查半导体手册来得到 三极管的参数是正确选定三极管的重要依据 下面介绍三极管的几个主要参数 1 共发射极电流放大系数 它是指从基极输入信号 从集电极输出信号 此种接法 共发射极 下的电流放大系数 2 极间反向电流 集电极基极间的反向饱和电流ICBO 集电极发射极间的穿透电流ICEO 3 极限参数 集电极最大允许电流ICM 集电极最大允许功率损耗PCM 反向击穿电压 3 温度对三极管特性的影响 同二极管一样 三极管也是一种对温度十分敏感的器件 随温度的变化 三极管的性能参数也会改变 下面两图为三极管的特性曲线受温度的影响情况 温度对三极管输入特性的影响 温度升高1oC UBE减小约2 2 5mV 具有负的温度系数 若UBE不变 则当温度升高时 iB将增大 正向特性将左移 反之亦然 温度对三极管输出特性的影响 温度升高 IC增大 增大 温度每升高1oC 要增加0 5 1 0 温度上升时 输出特性曲线上移 温度对ICBO的影响 a ICBO是集电结外加反向电压平衡少子的漂移运动形成的 b 温度升高10oC ICBO增加约一倍 c 硅管的ICBO比锗管小得多 所以受温度的影响也小得多 思考 如何判断三极管的极性 1 目测判别三极管极性 B E C 当黑 红 表笔接触某一极 红 黑 表笔分别接触另两个极时 万用表指示为低阻 则该极为基极 该管为NPN PNP 2 实验判别三极管极性 1 判定基极和管型 判别三极管c e电极的原理图 基极确定后 比较B与另外两个极间的正向电阻 较大者为发射极E 较小者为集电极C 2 判定集电极c和发射极e 四 特殊三极管 1 光电三极管光电三极管又叫光敏三极管 是一种相当于在三极管的基极和集电极之间接入一只光电二极管的三极管 光电二极管的电流相当于三极管的基极电流 从结构上讲 此类管子基区面积比发射区面积大很多 光照面积大 光电灵敏度比较高 因为具有电流放大作用 在集电极可以输出很大的光电流 光电三极管有塑封 金属封装 顶部为玻璃镜窗口 陶瓷 树脂等多种封装结构 引脚分为两脚型和三脚型 一般两个管脚的光电三极管 管脚分别为集电极和发射极 而光窗口则为基极 下图所示为光电三极管的等效电路 符号和外形 光电三极管的符号 等效电路和外形 2 光耦合器 光耦合器是把发光二极管和光电三极管组合在一起的光 电转换器件 图所示为光耦合器的一般符号 光耦合器的一般符号 3 达林顿管 复合管 达林顿管是指两个或两个以上的三极管按一定方式连接而成的管子 电流放大系数及输入阻抗都比较大 达林顿管分为普通达林顿管和大功率达林顿管 主要用于音频功率放大 电源稳压 大电流驱动 开关控制等电路 四种常见的复合管结构 3 2共射放大电路 一 放大的概念 电子学中放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号 这里所讲的主要是电压放大电路 电压放大电路可以用有输入口和输出口的四端网络表示 如图 Au 1 放大体现了信号对能量的控制作用 放大的信号是变化量 2 放大电路的负载所获得的随信号变化的能量要比信号本身所给出的能量大得多 这个多出的能量由直流电源提供 3 基本放大电路的组成原则 1 直流通路 静态 发射结正偏 集电结反偏 以使BJT工作在放大区 2 交流通路 动态 信号电路应畅通 保证有ui输入 uo输出 3 BJT的正向运用只能将B和E作为输入端 否则无放大功能 二 三极管在放大电路中的三种连接方式 三极管的三种连接方式 三 共射放大电路 耦合电容 电解电容 有极性 大小为10 F 50 F 作用 隔离输入输出与电路直流的联系 同时能使信号顺利输入输出 1 静态分析 直流通路 是指UCC单独作用 ui 0 时 电路中只有直流量流过的通路 画直流通路有两个要点 电容视为开路 电感视为短路 估算电路的静态工作点Q时必须依据直流通路 共射电路的直流通路 用图解法分析放大器的静态工作点 UCE UCC ICRC 直流负载线 与IB所决定的那一条输出特性曲线的交点就是Q点 IB UCEQ ICQ 2 动态分析 交流通路 是指ui单独作用 UCC 0 时 电路中交流分量流过的通路 画交流通路时有两个要点 耦合电容视为短路 直流电压源UCC 内阻很小 忽略不计 视为短路 相当于接地 计算动态参数Au Ri Ro时必须依据交流通路 共射电路的交流通路 当输入为微变信号时 对于交流微变信号 三极管可用微变等效电路来代替 这样就把三极管的非线性问题转化为线性问题 rce很大 一般忽略 ib 三极管的微变等效电路 e b c b e c rbe ib 交流通道 微变等效电路 各点波形 uo比ui幅度放大且相位相反 3 用图解法分析放大器的交流信号 交流量ic和uce有如下关系 这条直线通过Q点 称为交流负载线 交流负载线 IB 过Q点作一条直线 斜率为 交流负载线 直流负载线 UCEQ uo 可输出的最大不失真信号 1 合适的静态工作点 4 非线性失真与Q点的关系 uo 2 Q点过低 信号进入截止区 截止失真 顶部失真 思考 如何改善 uo 3 Q点过高 信号进入饱和区 饱和失真 截止失真和饱和失真统称 非线性失真 底部失真 注意 对于PNP管 由于是负电源供电 失真的表现形式 与NPN管正好相反 思考 如何改善 四 工作点稳定的共射放大电路 Q点的影响因素有很多 如电源波动 偏置电阻的变化 管子的更换 元件的老化等等 不过最主要的影响则是环境温度的变化 三极管是一个对温度非常敏感的器件 随温度的变化 三极管参数会受到影响 具体表现在以下几个方面 1 温度升高 三极管的反向电流增大2 温度升高 三极管的电流放大系数 增大3 温度升高 相同基极电流IB下 UBE减小 三极管的输入特性具有负的温度特性 温度每升高1 UBE大约减小2 2mV 分压偏置式的工作点稳定电路 IC IE UE UBE IB IC 实际应用中 为保证Q点的稳定 要求电路 I1 IBQ一般对于硅材料的三极管 I1 5 10 IBQ 射极偏置电路的温度性能较稳定 Re的反馈抑制作用 静态工作点也较稳定 允许BJT的 在一定范围内选择 增大后 ICQ增不多 rbe增得多 故Au增不多 利于批量生产和调试 思考 下图偏置电路 热敏电阻Rt具有负温度系数 问能否起到稳定静态工作点的作用 能 不能 3 3射极输出器 共集 特点 同相放大 放大倍数约为1 输入电阻大 输出电阻小 RB 570k RE 5 6k RL 5 6k 100UCC 12V 2 输入输出同相 输出电压跟随输入电压 故称电压跟随器 结论 输出电压与输入电压近似相等 电压未被放大 但是电流放大了 即输出功率被放大了 射极输出器的输出电阻很小 带负载能力强 射极输出器的输入电阻很大 从信号源取得的信号大 3 4 讨论 1 将射极输出器放在电路的输入级 可以提高输入电阻 2 将射极输出器放在电路的输出级 可以降低输出电阻 提高带负载能力 3 4共基放大电路 共基放大电路在宽频或高频状态下 性能较好 一 复合管放大电路 1 复合管的组成及其电流放大系数 组成原则 各管工作于放大区 且各极电流有合适的通路 第一只管子的射极 或集电极 接第二只管子的基极 3 5晶体管放大电路的派生电路 2 复合管共射放大电路 Home 复合管共射放大电路特点 电压放大倍数基本不变 电流放大倍数增加 减小了对信号源驱动电流的要求 输入电阻增加 3 复合管共集放大电路 复合管共集放大电路特点 电压跟随特点不变 电流放大倍数增加 输入电阻显著增加 输出电阻显著减小 耦合 耦合方式 1 直接耦合 2 阻容耦合 3 变压器耦合 4 光电耦合 2 6多级放大电路 为获得足够大的放大