第02章晶体三极管已修改.ppt

2020/5/3,1,晶体三极管又称双极型晶体管（BipolarJunctionTransistor:BJT）。,一、三极管的分类：,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（Back-to-Back）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；,2.0概述,2020/5/3,2,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,二、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：,：,2.0概述：,2020/5/3,3,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。,2.0概述：,2020/5/3,4,三、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）,2.0概述：,放大模式,截止模式,放大模式,饱和模式,N,P,N,P,N,P,N,P,N,N,P,N,2020/5/3,5,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：,VeVc,2.0概述：,2020/5/3,6,2.1.1放大模式下晶体三极管的工作原理,IEn,IBp,ICBO,IBn,ICn,IE,IC,IB,Je正偏，以扩散运动为主,Jc反偏，以漂移运动为主,2.1放大模式下晶体三极管的工作原理及电路模型,2020/5/3,7,常用Icn和IE的比值来衡量管子的质量,令,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。,2.1.1放大模式下晶体三极管的工作原理：,2020/5/3,8,三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。,2.1.1放大模式下晶体三极管的工作原理：,2020/5/3,9,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。,2.1.1放大模式下晶体三极管的工作原理：,2020/5/3,10,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。,2.1.1放大模式下晶体三极管的工作原理：,2020/5/3,11,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。,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。,2020/5/3,12,共基极直流电流传输方程,共基极直流电流传输系数：,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：,2020/5/3,13,若忽略ICBO，则：,2020/5/3,14,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。,IB=0,IEp+(IEn-ICn)=IE-ICn=ICBO,因此：,即：,2020/5/3,15,三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：,2.1.3放大模式下三极管的模型：,2020/5/3,16,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：,2020/5/3,17,三极管参数的温度特性,温度每升高1C，/增大（0.51）%，即：,温度每升高1C，VBE(on)减小（22.5）mV,即：,温度每升高10C，ICBO增大一倍，即：,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。,2020/5/3,18,2.2晶体三极管的其它工作模式,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。,2020/5/3,19,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。,2020/5/3,20,2.2.2截止模式(E结反偏，C结反偏),若忽略反向饱和电流，三极管IB0，IC0。,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,2020/5/3,21,若忽略反向饱和电流，三极管IB0，IC0。,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,2.2.2截止模式(Je结反偏，Jc结反偏)：,2020/5/3,22,2.2.3晶体管三极管直流电路分析步骤：,当电路满足两个条件：1、直流偏置得当（晶体三极管工作在放大区，场效应管工作在饱和区）2、交流输入足够小（微变）我们就可以把该电路看作是线性电路，利用叠加定理进行直流和交流分析。,注意：先直流分析，再交流分析,直流分析直流通路：交流电源置零旁路，耦合电容开路,交流分析交流通路：直流电源置零旁路，耦合电容短路（在合适的工作频率）,2020/5/3,23,1.先确定三极管工作模式(以NPN为例)。,用相应简化电路模型替代三极管。(可略）,分析电路直流工作点。,只要VBEVBE(on)（发射结反偏）,截止模式,假定放大模式，估算VCE:,若VEVCE(sat),放大模式,若VEVCE(sat),饱和模式,2.2.3晶体管三极管直流电路分析步骤：,先断开三极管，判断VBE大小：,2020/5/3,24,例1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：,三极管若断开,VBE=6VVBE(on),因为VCEQ0.3V，所以三极管工作在放大模式。,VC=VCEQ=4.41V,2.2.3晶体管三极管直流电路分析步骤：,假设T工作在放大模式,2020/5/3,25,例2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VCEQV(BR)CEO,2.4晶体三极管伏安特性曲线：,2020/5/3,39,饱和区,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VCE影响，不受IB控制。,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,IC0，IB0。,击穿区,0,反向击穿电压V(BR)CEO,IC/mA,V(BR)CEO,2.4晶体三极管伏安特性曲线：,2020/5/3,40,三极管安全工作区,最大允许集电极电流ICM,（若ICICM造成）,反向击穿电压V(BR)CEO,（若VCEV(BR)CEO管子击穿）,VCEPCM烧管）,PCPCM,ICICM,2.4晶体三极管伏安特性曲线：,2020/5/3,41,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。,2.5晶体三极管小信号电路模型,2020/5/3,42,混合型电路模型的引出,2.5晶体三极管小信号电路模型：,2020/5/3,43,混合型小信号电路模型,若忽略rbc影响，整理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：,2.5晶体三极管小信号电路模型：,2020/5/3,44,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。,rbe三极管输入电阻，约千欧数量级。,2.5晶体三极管小信号电路模型：,2020/5/3,45,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。RLVBE(on),因为VCEQ0.3V，所以三极管工作在放大模式。,VC=VCEQ=4.41V,2.2.3晶体管三极管直流分析方法：,假设T工作在放大模式,2020/5/3,53,例2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VCEQ0.3V，所以三极管工作在饱和模式。,2.2.3晶体管三极管直流分析方法：,讨论：对此电路，当RB与RC在满足什么条件时，三极管工作在放大区和饱和区？,2020/5/3,54,例3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),2.2.3晶体管三极管直流电路分析步骤：,2020/5/3,55,小信号等效电路法分析步骤：,画交流通路(直流电源置零，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、rbe。,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。,2.6.2晶体三极管的交流分析法：,2020/5/3,56,例5已知IEQ=1mA,=100,vi=20sint(mV),试画出图示电路的交流通路及交流等效电路,并计算vo。,2.6.2晶体三极管的交流分析法：,2020/5/3,57,作业,224画出书上P256中图P47(c)的交流通路,2020/5/3,58,IBQ,ICQ,VCEQ,2.6.2晶体三极管的交流分析法：,图解法,2020/5/3,59,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/RL的直线即交流负载线。,其中RL=RC/RL,图解法分析步骤:,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。,2.6.2晶体三极管的交流分析法：,2020/5/3,60,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(底部失真)。,Q点降低，不失真动态范围减小，输出易截止失真(顶部失真)。,Q,Q,2.6.2晶体三极管的交流分析法：,2020/5/3,61,IBQ,ICQ,VCEQ,消除饱和失真,降低Q点:,增大RB，减小IBQ,减小RC:负载线变徒,输出动态范围增加。,2.6.2晶体三极管的交流分析法：,2020/5/3,62,IBQ,ICQ,VCEQ,消除截止失真升高Q点:减小RB，增大IBQ,2.6.2晶体三极管的交流分析法：,2020/5/3,63,2.7.1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的电流源，因它本身不提供能量,电流源电路的输出电流I0，由外电路中的直流电源提供。,I0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。,2.7晶体三极管应用原理,2020/5/3,64,2.7.2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。,2.7.2放大器：,2020/5/3,65,放大实质,电源VCC提供的功率：,三极管集电极上的功率：,负载电阻RC上的功率：,2.7.2放大器：,2020/5/3,66,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