线性电子线路ch2.ppt

1 一 BJT的结构简介 BJT常称晶体管 种类很多 但从外形看 BJT都有三个电极 根据结构不同 BJT可分成两种类型 NPN型和PNP型 结构上可分成 三个区域 基区 发射区 集电区 三个电极 从三个区各自接出的一根引线就是BJT的三个电极 它们分别叫做发射极e 基极b和集电极c 两个PN结 发射结 集电结 模拟电子技术基础 2 制造工艺 1 发射区比基区 集电区掺杂浓度大 2 集电结面积比发射区的大 3 基区薄 几um 几十um 高频几um 低频几十um因此发射区 集电区并不是对称的 一 BJT的结构简介 PNP型三极管的结构 模拟电子技术基础 3 二 BJT的电流分配与放大作用 1 BJT内部载流子的传输过程 使发射区发射电子 集电区收集电子 必须具备的条件是 a 发射结加正向电压 正向偏置 Vbe 0 N N P VBB RB VCC RC b 集电结加反向电压 反向偏置 Vbc 0 模拟电子技术基础 4 1 发射区向基区注入电子 发射区的多数载流子扩散到基区 形成电流IEN基区空穴也扩散到发射区形成电流IEP总发射极电流IE IEN IEPIE IEN 三极管内部载流子的运动 模拟电子技术基础 5 三极管内部载流子的运动 2 集电区收集扩散过来的电子 集电结所加的是反向电压 可使电子很快地漂移过集电结为集电区所收集 形成集电极电流ICN 集电极电流IC ICN ICBO ICN 模拟电子技术基础 6 三极管内部载流子的运动 N N P VBB RB VCC IE IEN IEP ICBO ICN IC ICN ICBO ICN IEP RC IBN IEN IB 3 电子在基区中的扩散与复合电子在扩散过程中又会与基区中的空穴复合形成电流IBN 基区和集电区的少子都要向对方漂移 形成一个反向饱和电流ICBO 受温度影响很大 IB IEP ICN2 ICBO IEP IBN ICBO 模拟电子技术基础 7 2 电流分配关系 IE IEN IEP IENIB IBN IEP ICBO IBN ICBO IBNIC ICN ICBO ICN IE IC IB 模拟电子技术基础 8 各极电流之间关系式 共基极连接时输出电流Ic受输入电流Ib控制的电流传输方程 式中 称为共基极电流传输系数 CommonBaseCurrent 表示IE转化为Icn1的能力 显然 其值恒小于1 但十分接近于1 一般在0 98以上 且在IE的大变化范围内几乎保持恒值 通常ICBO很小 对于硅管 其值为 10 9 10 16 A 一般可忽略 因而电流传输方程可简化为 模拟电子技术基础 9 各极电流之间关系式 10 和IcEo的物理含义 实际上表示IB中受发射结电压控制的电流成分 IB IcBo 对集电极正向受控电流成分Icn1的控制能力 通常ICBO很小 可忽略 可表示IB对Ic的控制能力 11 讨论IcEo 它是基极开路 即IB 0 时由集电极直通到发射极的电流 当基极开路时 加在集电极和发射极间的正值电压VCE被分配到两个结上 即VCB为正值 集电结上加的是反偏 VBE为正值 发射结上加的是正偏 晶体三极管仍工作在放大模式 具有正向受控作用 至于IB 0 就是IB中的受控成分等于IcBo 其值被放大 和IcEo的物理含义 12 不论采用哪种连接方式 晶体三极管在正向受控作用下 且在较大电流变化范围内 a和 保持恒值 其输出电流与输入电流之间关系是线性的 因而有人将晶体三极管称为电流控制器件 实际上 就上述晶体三极管的作用原理来说 IE 或IB 是受发射结电压VBE控制的 且作为PN结 它们之间服从下式所示的指数关系 一 指数模型 一般模型 晶体三极管的指数模型 在形式上 它与晶体二极管的指数模型相似 它们的差别仅是Is的含义不同 13 二 简化电路模型 晶体三极管实质上仍是输出电流受输入发射结电压控制的非线性器件 在共发射极连接时 它的一般电路模型可由图描述 其输入端是一个二极管 输出端则是由 IB表示的受控电流源 在进行工程分析时 输人二极管还可进一步用二极管的简化电路模型表示 并忽略二极管的正向导通电阻 为发射结的正向导通电压 本教材中取其值为0 7V 14 饱和模式和截止模式 当两个结均加正偏 工作在饱和模式时 晶体三极管内部载流子传输过程可分解为两种方向相反的传输过程的叠加 一是假设发射结正偏 集电结零偏 相应产生载流子的正向传输 将发射结产生的正偏电流IF转移到集电极 FIF 另一是假设集电结正偏 发射结零偏 相应产生载流子的反向传输 将集电结产生的正偏电流IR转移到发射极 RIR 其中 F和 R分别为共基正向电流传输系数和反向电流传输系数 因此 合成的发射极电流IE和集电极电流IC分别为 一 饱和模式 15 在饱和模式下 IC和IE将同时受到两个结正偏电压的控制 已不再具有放大模式下的正向受控作用 且随着集电结正偏电压VBC的增大 IR增大 导致IC和IE迅速减小 同时 由于正 反向传输的载流子在基区中均有复合 且增加了IR中的空穴电流成分 由基区中多子空穴通过集电结而形成的 基极电流IB大于工作在放大模式下的数值 且其值随IR增大而迅速增大 因此 IC与IE之间或IC与IB之间均不满足放大模式下的电流传输方程 鉴于两个结均为正偏 且已失去正向受控作用 因而在饱和模式下 它们可近似用两个导通电压表示 分别为VBE SAT 和VBC SAT 称为饱和导通电压 SaturationTurn onVoltage 它们的数值稍大于放大模式下相应的导通电压 一 饱和模式 对于硅管 一般取VBE SAT VBE on 0 7VVBC SAT VBC on 0 4VVCE SAT 0 3V VBE SAT VCE SAT 16 截止模式 按这种模式工作时 两个结均为反偏 若忽略它们的反向饱和电流 则可近认为三极管的各级电流均为零 故简化的电路模型可以用两段开路线来代替 17 三 BJT的特性曲线 共发射极 共基极 共集电极 三极管的连接方式 18 三 BJT的特性曲线 1 输入特性 输入特性是指当集电极与发射极之间的电压vCE为某一常数时 输入回路中加在BJT基极与发射极之间的电压vBE与基极电流iB之间的关系曲线 用函数关系表示为 iB f vBE vCE 常数 1 共射极电路的特性曲线 19 共发射极连接时 VCE VCB VBE 其中发射结正偏 VBE约在0 7V附近变化 因此VCE中的大部分电压都加在集电结上 当VCE增大时 集电结上反偏电压VCB大 导致集电结阻挡层宽度增大 结果是基区的实际宽度WB减小 因而 由发射区注入的非平衡少子电子在向集电结扩散过程中与基区中多子空穴复合的机会减小 从而使IB减小 通常将VCE引起基区实际宽度变化而导致电流变化的效应称为基区宽度调制效应 共射极电路的特性曲线 当发射结为反偏时 基极反向饱和电流很小 但当VBE向负值方向增大到V BR BEO时 发射结击穿 基极反向电流迅速增大 V BR BEO称为发射结反向击穿电压 其值在 6V左右 相对于IB随VCE的变化来说 VCE通过基区宽度调制效应引起IB的变化毕竟是第二位的 在工程分析时 晶体三极管工作在放大模式下 VCE 0 3V 可以不考虑这种影响 近似认为输入特性曲线是一条不随VCE而移动的曲线 20 2 输出特性 输出特性是在基极电流iB一定的情况下 BJT的输出回路中 集电极与发射极之间的电压vCE与集电极电流iC之间的关系曲线 用函数表示为 iC f vCE iB 常数 三 BJT的特性曲线 21 一 放大区 ActiveRegion 在这个区域内 晶体三极管工作在放大模式 IB与IC之间满足直流传输方程 即IC IB ICEO 若设 为常数 则当IB等量增加时 输出特性曲线也将等间隔地平行上移 但是 由于基区宽度调制效应 当VCE增大时 基区复合减小 导致 和相应 略有增大 因而每条以IB为参变量的曲线都随VCE增大而略有上翘 22 例如 当Ic过小时 由于发射结阻挡层内载流子的复合以及寄生表面复合的影响 致使基极电流增大 从而造成 下降 当Ic过大时 由于发射区向基区注入的非平衡少子的浓度过大 可以和基区中的热平衡多子的浓度相比拟时 外电路必须向基区补充大量的平衡多子 才能保持基区的电中性 这些非平衡的多子向发射区注入 使IEP增加 导致a 将下降 从输出特性曲线来对 的进行讨论 严格说来 不是一个与Ic无关的恒定值 实际上 仅在Ic的一定范围内 随Ic的变化很小 可近似认为是常数 而超出这个范围时 将下降 纵向方面 横向方面 23 若参变量IB变为VBE 并将不同VBE的各条输出特性曲线向负轴方向延伸 它们将近似相交于公共点A上 对应的电压用VA表示 称为厄尔利电压 显然 其值大小可用来表示输出特性曲线 共发射极输出特性曲线上翘程度 VA 越大 上翘程度就越小 小功率管的 VA 值约为50 100V 从内部物理过程来说 其值与基区宽度有关 基区宽度越小 基区宽度调制效应对Ic的影响就越大 VA 也就相应越小 厄尔利电压 EarlyVoltage 24 厄尔利电压 EarlyVoltage 25 二 截止区 CutoffRegion 工程上 规定IB 0的区域称为截止区 严格来说截止区是指IE 0以下的区域 在IB 0减小到 ICBO时 VCE分配的发射结上电压为正偏电压 三极管工作在放大区 IC随着IB变化 这时的ICEO很小可以忽落 26 三 饱和区 SaturationRegion 由于存在着体电阻和引线电阻 电流越大 其上产生的压降就越大 相应曲线开始饱和的VCE也就越大 因此 大功率管开始饱和的VCE大于小功率管 减小VCE 直到两个结都正偏 随着VCE的减小 IC的值迅速减小 直到为零 IC IB之间不在满足电流的传输方程 工程上一般VCE 0 3V为放大区和饱和区的分界限 27 四 击穿区 BreakdownRegion 随着VCE增大 加在集电结上的反偏电压VCB相应增大 当VCE增大到一定值时 集电结发生反向击穿 造成电流Ic剧增 集电结是轻掺杂的 产生的反向击穿主要是雪崩击穿 击穿电压较大 在基区宽度很小的三极管中 还会发生特有的穿通击穿 当VCE增大时 VCB相应增大 导致集电结阻挡层宽度增宽 直到集电结与发射结相遇 基区消失 这时发射区的多子电子将直接受集电结电场的作用 引起集电极电流迅速增大 呈现类似击穿的现象 28 2 共基极电路的特性曲线 三 BJT的特性曲线 29 四 BJT的主要参数 1 电流放大系数 共射极接法时的电流放大系数 对共基极接法的电流放大系数 也有直流放大系数 和交流放大系数 的区别 和 之间的关系是 30 1 共发射极直流电流放大系数 IC IB vCE const 四 BJT的主要参数 31 2 共发射极交流电流放大系数 IC IB vCE const 四 BJT的主要参数 32 4 共基极交流电流放大系数 IC IE VCB const 当BJT工作于放大区时 可以不加区分 四 BJT的主要参数 33 2 集电极发射极间的反向饱和电流ICEOICEO 1 ICBO ICEO 1 集电极基极间反向饱和电流ICBO发射极开路时 集电结的反向饱和电流 四 BJT的主要参数 34 1 集电极最大允许电流ICM 2 集电极最大允许功率损耗PCM PCM ICVCE 3 极限参数 35 3 反向击穿电压 V BR CBO 发射极开路时的集电结反向击穿电压 V BR EBO 集电极开路时发射结的反向击穿电压 V BR CEO 基极开路时集电极和发射极间的击穿电压 几个击穿电压有如下关系V BR CBO V BR CEO V BR EBO 3 极限参数 36 由PCM ICM和V BR CEO在输出特性曲线上可以确定过损耗区 过电流区和击穿区 输出特性曲线上的过损耗区和击穿区 37 建立小信号模型的意义 建立小信号模型的思路 当放大电路的输入信号电压很小时 就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替 从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理 由于三极管是非线性器件 这样就使得放大电路的分析非常困难 建立小信号模型 就是将非线性器件做线性化处理 从而简化放大电路的分析和设计 2 5BJT的小信号建模 38 1 H参数小信号模型 39 1 H参数小信号模型 IC IB vCE const ic ib 40 1 H参数小信号模型 41 2 小信号模型的应用注意事项 H参数都是小信号参数 即微变参数或交流参数 H参数都是微变参数 所以只适合对交流信号的分析 H参数与工作点有关 42 3 H参数的确定 一般用测试仪测出 rbe与Q点有关 可用图示仪测出 一般也用公式估算rbe 43 4 共射极连接方式的小信号分析 共发射极电路以发射极作为共同端 以基极为输入端 集电极为输出端 其信号放大的原理如下 VBB vi iB iC iE vo iC RL 44 从输入特性看 uBE是iB和uCE的函数uBE f1 iB uCE 从输出特性看 iC是iB和uCE的函数iC f2 iB uCE 5 h参数的导出 45 从输入特性看 uBE是iB和uCE的函数uBE f1 iB uCE 从输出特性看 iC是iB和uCE的函数iC f2 iB uCE 对两个表达式求全微分 i 输入r 反向传输f 正向传输o 输出e 共射接法 5 h参数的导出 46 1 uCE 常数 iB 常数的意义uCE 常数 duCE 0即输出端只有直流输出 没有交流输出 相当于输出端交流短路 iB 常数 diB 0即输入端只有直流电流输入 没有交流电流 相当于输入端交流开路 因为此时只有直流电流和电压 所以是在静态工作点附近的情况 6 参数的意义和求法 47 6 参数的意义和求法 2 短路输入阻抗 物理意义 反映了输入电压对输入电流iB的控制能力 几何意义 表示输入特性的Q点处的切线的斜率的倒数单位 102 103 在小信号的情况下是常数 常称为输入电阻 uBE 对输入的小交流信号而言 三极管相当于电阻hie rbe 48 6 参数的意义和求法 3 开路电压反馈系数 物理意义 反映了输出回路uCE对输入回路uBE影响的程度几何意义 在输入特性上表示Q点附近输入特性曲线横向的疏密 它是一个无量纲的量 10 4 49 6 参数的意义和求法 4 短路电流放大系数 物理意义 晶体管对电流的放大能力 即 几何意义 在输出特性上表示Q点附近输出特性曲线的纵向疏密 它是一个无量纲的量 10 102 50 6 参数的意义和求法 5 开路输出导纳 物理意义 反映了输出电压uCE对输出电流iC的控制能力几何意义 保持iB不变 有 uCE 则引起 iC 反映了输出特性曲线的倾斜程度 单位 西门子 S 10 102 S iC 51 6 参数的意义和求法 1 uCE 常数 iB 常数的意义 5 开路输出导纳 2 短路输入阻抗 3 开路电压反馈系数 4 短路电流放大系数 说明 由于四个参数的量纲各不相同 这种参数系统是不同量纲的混合 称为混合参数 h即英语中的 混合 在小信号的情况下 四个参数都可以看作是常数 52 很小 一般忽略 7 等效电路的引出 rce很大 一般忽略 53 8 注意的问题 1 电压源和电流源的性质 它们是虚构的 它们是受控源 它们的极性不能随意假定 2 等效电路只对微变成分等效 3 h参数是在Q点附近求出的 因此它们与Q点的位置有关 Q点不同 等效电路的参数也不同 54 考虑到基区的体电阻的 参数等效电路如图 高频工作时 结电容不能忽略 故高频等效电路的如图 55 2 6三极管电路分析法 基本知识 非线性 线性电路 vCE 1V 一 图解法 56 一 图解法确定Q点由基极回路 EC IBRB UBE由集电极回路 EC ICRC UBE由输入特性曲线 IB f1 UBE 由输出特性曲线 IC f2 UCE 1 基本步骤 1 把放大电路分为线性和非线性两部分 2 作出电路的非线性部分的伏安特性 即三极管的输入和输出特性曲线 3 作出电路的线性部分的伏安特性 即直流负载线 4 电路的线性部分与非线性部分的伏安特性曲线的交点即为Q点 图解法 57 先估算IB 然后在输出特性曲线上作出直流负载线 与IB对应的输出特性曲线与直流负载线的交点就是Q点 2 直流负载线 图解法 一 图解法确定Q点 直流负载线的特点 1 与横轴的截距为EC 2 与纵轴的截距为EC Rb或EC RC 3 与横轴的锐夹角为 tg 11 RC 58 3 电路参数的改变时对Q点的影响 图解法 一 图解法确定Q点 1 RB的影响若改变RB 就会改变偏流IBRB EC RB IB Q 2 RC的影响若改变RC 直流负载线的斜率会发生变化RC EC RC Q右移 59 3 电路参数的改变时对Q点的影响 图解法 一 图解法确定Q点 3 电源EC的影响改变EC 直流负载线发生平移EC Q RB RC EC的改变都对Q点的位置有影响 但RB的影响最大 故为了得到合适的Q点 常常调节RB 60 1 交流负载线 其中 图解法 二 动态分析 因为iC IC icuCE UCE uce同时uce uo icRL iC IC RL 则uCE UCE iC IC RL 或iC 1 RL uCE UCE ICRL RL 结论 1 交流负载线的斜率是 1 RL 与横轴的锐夹角为 tg 11 RL 2 iC IC时uCE UCE说明交流负载线通过Q点 61 交流负载线的作法 IB 方法1 过Q点作一条直线 斜率为 交流负载线 1 交流负载线 图解法 二 动态分析 62 交流负载线的作法 IB 方法2 过原点作一斜率为 1 RL 的辅助直线 再平行移动通过Q点即为交流负载线 交流负载线 1 交流负载线 图解法 二 动态分析 63 交流负载线的作法 IB 方法3 选择两个特殊的点 静态工作点 与横轴的交点 与横轴的交点的作法 令iC 0 由交流负载方程得uCE UCE ICRL 1 交流负载线 图解法 二 动态分析 64 IB 说明 1 当有交流信号输入时 电路的瞬时工作状态将沿着交流负载线移动 2 直流负载线只能用来确定静态工作点 3 当RL 时 直流负载线与交流负载线重合 1 交流负载线 2 3 3图解法 二 动态分析 65 2 用图解法描绘放大电路各处的电流和电压的波形作图步骤 1 确定放大器的直流工作状态 2 按照输入电压的变化规律 在输入特性上画出iB的波形 3 在输出特性上按iB的波形作出iC和uCE的波形 注意 各级电流和电压的交流分量是总瞬时值的一部分 虽然极性和方向始终不变 但为了分析和计算方便 其中交流分量的极性和方向可以认为是变化的 这样对交流分量的分析就存在一个假定正方向的问题 各级电流和电压的交流成分保持一定的相位关系 输出电压与输入电压相位相反是共射极电路的重要特点之一 图解法 二 动态分析 66 IB uCE怎么变化 图解法 二 动态分析 2 用图解法描绘放大电路各处的电流和电压的波形 动态工作时 iB iC的实际电流方向是否改变 vCE的实际电压极性是否改变 67 IB 图解法 二 动态分析 3 根据图解的结果计算放大器的放大倍数 Au Uo UiAi Io IiAp Au Ai 68 在放大电路中 输出信号应该成比例地放大输入信号 即线性放大 如果两者不成比例 则输出信号不能反映输入信号的情况 放大电路产生非线性失真 失真产生的原因 晶体管的非线性 解决的办法 选管子 线性区要宽 输入曲线成直线 输出曲线簇接近于平行等距 静态工作点不合适 图解法 二 动态分析 4 失真分析 69 uo 可输出的最大不失真信号 图解法 二 动态分析 4 失真分析 1 Q点合适时 70 uo 2 Q点过低 信号进入截止区 放大电路产生截止失真 图解法 二 动态分析 4 失真分析 71 3 Q点过高 信号进入饱和区 放大电路产生饱和失真 为了得到尽量大的输出信号 要把Q设置在交流负载线的中间部分 如果Q设置不合适 信号进入截止区或饱和区 造成非线性失真 图解法 二 动态分析 4 失真分析 72 二 动态分析 5 BJT的三个工作区 当工作点进入饱和区或截止区时 将产生非线性失真 饱和区特点 iC不再随iB的增加而线性增加 即 此时 截止区特点 iB 0 iC ICEO vCE VCES 典型值为0 3V 放大区特点 iC iB vCE 1V 73 6 输出功率和功率三角形 要想PO大 就要使功率三角形的面积大 即必须使Vom和Iom都要大 功率三角形 放大电路向电阻性负载提供的输出功率 在输出特性曲线上 正好是三角形 ABQ的面积 这一三角形称为功率三角形 二 动态分析 74 工程近似分析法 例 用估算法计算静态工作点 已知 EC 12V RC 4k RB 300k 37 5 解 请注意电路中IB和IC的数量级 75 微变等效电路分析法 用h参数等效电路分析法分析共射极放大器1 画出微变等效电路 1 画出实际电路的交流通道 2 忽略影响小的次要因素 3 把交流通道中的晶体管用h参数等效电路代替 76 一个理想电流源 CurrentSource 它的伏安特性是一条水平线 如图 其电流为恒值Io 与端电压v大小无关 更重要的是 这个电流源不是实际提供电流的源 它的电流是由含有电压源的输出负载电路提供的 受控器件的作用仅仅是由输入控制量来确定这个电流值 VCE sat 2 7 1电流源 从原理上来说 一个晶体三极管 若iB为恒值 它的输出伏安特性如图所示 由图可见 当输出负载电路保证v vCE大于VCE sat 管子工作在放大区时 三极管便输出一接近恒值的电流 与理想的电流源相比 实际的电流源的输出电压是单极性 且变化范围有限 同时 由于晶体三极管基区宽度调制效应 输出电流随v的增大而略有增大 77 2 7