第二章-线性电子线路120081006..ppt

第二章晶体三极管,半导体三极管（BJT）,三极管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，故称为双极型三极管。或BJT(BipolarJunctionTransistor)。,概述,三极管结构及电路符号,发射极E,基极B,集电极C,发射极E,基极B,集电极C,B,C,E,B,C,E,发射结,集电结,发射极Emitter,集电极Collector,基极Base,结构和符号,发射结(Je),集电结(Jc),发射载流子(电子),收集载流子(电子),复合部分电子控制传送比例,3个极？3个区？2个结？,内部结构特点：,发射区的掺杂浓度最高；,集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；,基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。,管芯结构剖面图,三极管三种工作模式,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：,注意：三极管具有正向受控作用，除了满足内部结构特点外，还必须满足放大模式的外部工作条件。,三极管内部结构特点,1）发射区高掺杂。,2）基区很薄。,3）集电结面积大。,（1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度，且基区很薄。（2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。,2.1放大模式下三极管工作原理,2.1.1内部载流子传输过程,IC=ICn+ICBO,P,N,N,+,-+,-+,V1,V2,R2,R1,IEn,IEp,IBB,ICn,ICBO,IE,IC,IB,IEn：发射区中多子（自由电子），IEp：基区多子（空穴）ICBO：集电区和基区热平衡少子,ICn：由基区到达集电结进入集电区的非平衡少子（电子）,发射结正偏，形成扩散电流。IEn发射区中多子（自由电子），IEp基区多子（空穴）。IEp在发射区边扩散，边复合，最后全部被复合，IEn仅有极少被复合，大部分到达集电结边界。电源在负极补充电子，形成IE。,发射区：,令ICBO=ICn2+ICP集电结反向饱和电流，由集电区和基区热平衡少子形成,集电结反偏，利于漂移，吸引电子，形成ICn1由基区到达集电结进入集电区的非平衡少子（电子）、ICn2（基区进入集电结少子电子）、ICP（集电结进入基区少子空穴）。,集电区：,外电路向集电区补充空穴，一部分用于复合漂移过来的电子（非平衡少子ICn1、热平衡少子ICn2），另一部分补充漂移到基区的热平衡少子ICp，故集电极电流,IC=ICn1+ICn2+ICp=ICn1+ICBO,外电路向基区补充空穴，用于补充由基区扩散到发射区多子空穴IEp和复合由发射区扩散到基区非平衡少子电子(IEn-ICn1)，同时吸收由集电区漂移到基区少子空穴ICp和由基区漂移到集电区的少子电子ICn2，故基极电流,IB=IEp+(IEn-ICn1)-ICn2-ICp=IE-ICn1-ICBO=IE-IC即IE=IB+IC,基区：,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：使得向基区发射大量电子，造成IEnIEp以减小无用IEp的在IE中比例。,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（IEn）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，形成集电极电流的最主要部分。,三极管特性具有正向受控作用,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。,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，此外的第三个电极即为组态形式。,电流传输方程：发射极正偏，集电极反偏正向受控时各极之间的电流关系。,一、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。,2.1.2电流传输方程,二、共基极直流电流传输方程,1共基极直流电流传输系数,2直流电流传输方程,说明：表征了从发射极发射的电流到达集电极的比例，一般为0.98左右,通常集电极-基极反向饱和电流ICBO远小于IE，有,常写为,三、共发射极直流电流传输方程,1直流电流传输方程,其中：,忽略ICBO，ICEO的影响,2的物理含义：,若忽略ICBO，则：,3ICEO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=IEpIBBICBOIBBIEnICnIB=IEpIEnICnICBOIB=0,IEp+(IEn-ICn)=IE-ICn=ICBO,因此：,即：,ICEO称集电极-发射极反向饱和电流，也称贯穿电流,三极管的正向受控作用，发射结电流服从指数函数关系式：,2.1.3放大模式下三极管的模型,一、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：,二、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：,三、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：,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。,将内部载流子运动分解为发射结正偏、集电结零偏与集电结正偏、发射结零偏的叠加，从而有,IE=IF-RIR，IC=FIF-IR,IF_发射结正偏电流，IR_集电结正偏电流,R、F_集电结、发射结正偏时电流转移系数,电流之间不满足放大模式的电流方程,二、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。,说明：PN结的导通电压与掺杂浓度有关，掺杂高，反向饱和电流小，导通电压高,VBEVCE。,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。,直流简化电路模型如下,2.4晶体三极管伏安特性曲线,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。,共发射极,输入特性：,输出特性：,一、输入特性曲线,VCE一定：,类似二极管伏安特性。,VCE增加：,正向特性曲线略右移。,由于VCE=VCB+VBE,WB,E,B,C,基区宽度调制效应,注：VCE0.3V后，曲线移动可忽略不计。工程分析时，认为输入特性曲线是一条不随VCE而移动的曲线。,因此当VBE一定时：,VCEVCB,复合机会IB曲线右移。,二、输出特性曲线,饱和区（VBE0.7V，VBC0.4V,VCE0,VCE0.3V）,特点,条件,说明,将参变量IB改为VBE，并将不同VBE的各条输出曲线向负VCE方向延伸，它们将近似交于A点，对应的电压用VA表示，称为厄尔利电压。它的值可以表示曲线上翘的程度。基宽WB越大调制效应对IC影响越小越大，上翘程度越小.,（1）厄尔利电压,在考虑三极管基区宽度调制效应时，电流IC的,修正方程：,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。,一般为50-100V,截止区（VBE0.7V，VCE0.3V）,特点：,条件：,发射结反偏，集电结反偏。,IC0，IB0,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,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)CBOV(BR)CEO,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,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。,2.5晶体三极管小信号电路模型,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。,大写字母、大写下标：直流量，如IB小写字母，小写下标：交流量，如ib小写字母，大写下标：叠加量，如iB=IB+ib,一、混合型电路模型的引出,由基区宽度调制效应引起的输出电阻,二、混合型小信号电路模型,若忽略rbc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：,三、小信号电路参数,rbb基区体电阻，约几十欧，常忽略不计。rbe三极管输入电阻，约千欧数量级。,考虑到iB=IB+ib，iC=IC+ic，以vBE、vCE为自变量，iB、iC为函数，有,gbe表示be间的动态电导,a、b分别为共基和共射交流电流放大系数，与直流很接近，一般不区分。,不计入基区调宽效应，值为0,成为反馈电导,rce三极管输出电阻，数值较大。RL0.3V，所以三极管工作在放大模式。,VC=VCEQ=4.41V,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VCEQ0.3V，所以三极管工作在饱和模式。,例4见书图2-6-6,例5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),例6见书（图2-6-7，重要）,电路如图所示，试问大于多少时晶体管饱和？,例7,电路如图所示，试问大于多少时晶体管饱和？,取UCES0.3V，若管子饱和，则,所以，,时，管子饱和。,管子饱和，,2.6.2交流分析法,一、小信号等效电路法(微变等效电路法),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。,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、rbe、等参数。,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。,首先直流分析，画直流通路，求出电路的静态工作点即IBQ,UBEQ,ICQ,UCEQ,例1已知ICQ=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。,例2见书图2-6-11,二、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/RL的直线即交流负载线。,其中RL=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。,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：,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,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。,放大器的作用就是将输入信号进行不失真的放大。,2.7.2放大器,放大原理,利用ib对ic的控制作用实现放大。,电源VCC提供的功率：,放大实质,三极管集电极上的功率：,负载电阻RC上的功率：,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。,电源提供的功率