晶体三极管开关特性

1、晶体三极管开关特性饱和区饱和区iC受vCE显著控制的区域，该区域内vCE的 数值较小，一般vCE0.7 V(硅管)。此时 发射结正偏，集电结正偏发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。截止区截止区iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。 此时，发射结反偏，集电结反偏发射结反偏，集电结反偏。放大区iC平行于vCE轴的区域， 曲线基本平行等距。 此时，发射结正偏，集发射结正偏，集 电结反偏电结反偏，电压大于 0.7 V左右(硅管) 。/CImA0123452468/CEVV0BI 140BIuA280BIuA饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区第1页/共34页/CImA0123452468/CE

2、VV0BI 140BIuA280BIuA饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区三极管工作在放大区。三极管放大条件：三极管放大条件：EBBEVVV , 0发射结正偏：CBBCVVV , 0集电结反偏：放大特点：放大特点： 基极电流IB对集电极电流IC有很强的控制作用,IC=IB。从特性曲线上可以看出，在相同的VCE条件下，IB有很小的变化量IB，IC就有很大的变化量IC。三极管有放大能力，i c i b第2页/共34页三极管工作在饱和区。 饱和区VCE比较小，也就是IC受VCE显著控制区。即将输出曲线直线上升和弯曲部分划为饱和区。三极管饱和条件：三极管饱和条件：EBBEVVV , 0发射结正偏：C

3、BBCVVV , 0偏：集电结正基极电位高于发射级、集电极电位。i b IBS/CImA0123452468/CEVV0BI 140BIuA280BIuA饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区第3页/共34页三极管饱和特点：三极管饱和特点： 当VCE减少到一定程度后，集电结收集载流子的能力减弱，造成发射结“发射发射有余，集电结收集不足有余，集电结收集不足”，集电极电流IC不再服从IC=IB的规律。三极管饱和时的等效电路：三极管饱和时的等效电路：硅管 0.7V锗管 0.3V硅管 0.3V锗管 0.1V不考虑管压降时的等效电路等效于开关闭合VCESbcVBES+-eecb/CImA012345246

4、8/CEVV0BI 140BIuA280BIuA饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区第4页/共34页 三极管工作在截止区，IB=0曲线以下。发射结、集电结均反偏。VBE0VBC0CCCCBVVII、00三极管相当于开路三极管截止等效电路： 所以可以利用三极管饱和、截止状态作开关。所以可以利用三极管饱和、截止状态作开关。三极管截止条件：三极管截止条件：等效于开关断开ecb/CImA0123452468/CEVV0BI 140BIuA280BIuA饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区第5页/共34页三极管三极管PNPN结四种偏置方式组合结四种偏置方式组合发射结发射结(be(be结结) ) 集电结集

5、电结(bc(bc结结) )工作状态工作状态正偏正偏反偏反偏放大状态放大状态正偏正偏正偏正偏饱和状态饱和状态反偏反偏反偏反偏截止状态截止状态反偏反偏正偏正偏倒置状态倒置状态第6页/共34页/cimA/CEVV20uA40uA60uA80uA100uA120uACCCVR 根据VCC和RC值，在输出特性曲线上画一条负载线。当Vi 60A时i C 几乎不变。三极管进入饱和区。临界饱和时基极电流：CCCcsbsRVII饱和时集电极电流：CCCCSRVIRC2KVCC=6VRBv vi iv vo o=50i i bi i c-1V+3V第7页/共34页首先求出基极电流?bi然后求出临界饱和时基极电流：

6、?bsIbsbIi 三极管工作在饱和状态，大的越多，饱和的大的越多，饱和的越深。越深。bsbIi 三极管工作在放大状态0beV三极管工作在截止状态第8页/共34页IV2bV1bV0tCi0tCMAXi理想情况下：（饱和、截止动作瞬时完成） 三极管开关和二极管开关一样，都存在开关惰性。三极管在作开关运用时，三极管饱和及截止两种状态不是瞬时完成。因为三极管内部存在着电荷建立和消散过程。Vi = Vb2时：T 饱和CCCcRVimaxVi = Vb1时：T 截止0CiRCVCCRBv vi iv vo oi i bi i c第9页/共34页1bV0.9CMAXiIV2bV0t0tCMAXi0.1CM

7、AXidtrtstftCiRCVCCRBv vi iv vo oi i bi i cVi i = - = - V Vb1 b1 时：T T 截止 i i b b 0 i i c c 0 实际情况下实际情况下：输入由Vb2上跳到Vb1,T由止放大饱和。输入由Vb2下跳到-Vb1,由饱和放大止。需要经历四个时间：需要经历四个时间：延迟时间: i c 由0上升到0.1 i c max上升时间: i c 由0.1 i c max上升到0.9 i c max存储时间: i c 由 I c max下降到0.9 i c max下降时间:i c 由0.9 i c max下降到0.1 i c maxT由截止由截

8、止导通需要的时间：导通需要的时间：t tON ON =t=td d+t+tr rT T由导通由导通截止需要的时间：截止需要的时间：t tOffOff=t=ts s+t+tf fontofft第10页/共34页用基区电荷分布图说明用基区电荷分布图说明当输入发射结由：反偏正偏所需时间 td正向偏压基极驱动电流发射区扩散到基区电子数集电极收集的电子数由小到大变化由小到大变化当基区的电子浓度增加到当基区的电子浓度增加到 4 4 时时：发射结正偏后：发射结正偏后：集电极电流达到临界饱和：ICS基区中电子积累所需时间：t r01三极管由截止进入饱和过程：NNP电子浓度电子浓度1234临饱放大正偏第11页/

9、共34页 I IB BIIBS BS 时，发射结发射有余，集电极收集不足。过剩电子在基区积累，如 4545。这段时间就是存储时间 t s 当i i b b继续增加：电子浓度电子浓度NPN1234501分析输入信号由： 希望基极驱动电流i b 1很大，加速三极管由截止向饱和转变，缩短上升时间t r ，减少延迟时间，提高工作速度。 虽然i b1增加带来td、 t r 减小。同时也会使 t s 增加。要求驱动电流不是常数，而是前大后小，前大加速建立，后小不过分饱和。前大加速建立，后小不过分饱和。正偏放大临饱深饱1bi第12页/共34页电子浓度NPN12345当输入01三极管由饱和进入截止过程： 由于

10、基区电子不能立即消失，T 仍然饱和，其转变过程是：随正偏压的减小，基区存储的电子逐渐减小。54区间中电子积累从深饱和深饱和浅饱和浅饱和临界饱临界饱和和放大放大截止。截止。分析输入信号由：01 希望基极驱散电流i b 2很大,加速三极管由饱和向截止状态转变。 同样i i b2b2增加带来t f 减小。同时也会使 t d 增加。即：三极管截止时，反偏电压越大，转向正偏时间越长。因此，要求驱动电流也不是常数，而是前大后小，前大快速驱散，后小不过分截止。深饱临饱放大正偏2bi第13页/共34页结论：结论： 把三极管由截止饱和的基极电流i b1叫做正向驱动电流。 把三极管由饱和截止的基极电流i b2叫做

11、反向驱散电流。 这样一个前大后小的基极驱动电流很难选取。但可以利用电容C上的电压不能突变的特性，近似实现。这个电容叫做加速电容加速电容。iVbitt00RCVCCR1v vi iv vo oRSC1第14页/共34页 R1、R2、外加负偏压VBB及Vi i 共同决定三极管工作状态，保证三极管在开关方波的作用下可靠工作于饱和、截止两种状态。 那么如何保证三极管可靠工作？就依靠合理选择基极偏置电阻来保证。（设计问题）当Vi i = 0 = 0 时： 希望T截止先假设T止再看是否止画截止等效电路画截止等效电路121RRRVVBBbe - 1V三极管截止条件：V be0令：V be1V T 可靠截止当

12、V i i = = E 时： 希望T饱和，先假设T饱和再判是否饱和画饱和等效电路画饱和等效电路2121RVREiiiBBb三极管截止条件：i b IBS0ERCVCCR1v vi iv vo oR2-VBBC1R1R2VBBbe+R1R2VBBbe+Ei bi 1i 2第15页/共34页CCCCSbSRVIICCCBBRVRVRE21即：三极管一定饱和。元件选择：元件选择：T: 先选择开关管，再根据手册给出ICM确定RC。VCC、VBB 根据工作条件确定。C1根据开关管截至频率确定。反相器的优点：反相器的优点： 输出振幅比较大，饱和时 VO 0 。 截止时，VO VCC 。三极管饱和时，V c

13、 e s = 0.3V 所以功耗小。对的一致性要求底，只要满足CSbIi 第16页/共34页CO 反相器的基本功能是将输入信号反相输出，输出信号应保持与输入信号形状一致，但由于三极管本身存在：开关时间、分布电容及寄生电容的影响，使输出波形产生一定畸变，只能采取措施，使这种畸变尽可能减小至容许范围之内。常用方法：采用加速电容，增加钳位二极管。VCL:钳位电压， VCL0,RC2KR1R24.3K16KVCC=12V-VBB=8V0.3V5.5VC1TVI IVO O第23页/共34页R1R2VBBVI Ibe+解（1）：时当VVVILi3 . 0先假定T截止，。0是否看BEV画出画出T T截止等

14、效电路：截止等效电路：BBILILEBBEVVRRRVVVV211046. 1V满足截止条件T截止目的是判断T能否截止：VVBE0截止：VVBE0导通：VVIL3 . 0RC2KR1R24.3K16KVCC=12V-VBB=8V0.3V5.5VC1TVI IVO O第24页/共34页R1R2VBBVI Ibe+VBES：时当VVVIHi5 . 5BBIHIHEBBEVVRRRVVVV211064. 2VT导通，判别：BSBII ；放大导通BSBII ；饱和导通假定假定T T饱和，画出饱和等效电路饱和，画出饱和等效电路21RVVRVVIBESBBBESIHBmA46. 0mARVVIICCESC

15、CCSBS26. 0。所以三极管可靠饱和因为,BSBII VVIH5 . 5BIRC2KR1R24.3K16KVCC=12V-VBB=8V0.3V5.5VC1TVI IVO O第25页/共34页2、在输入为高电平时，保证T可靠饱 和，值最小等于多少？ 假设：VI=5.5V时，T处于临界饱和状态，IB=IBS,求出临界饱和时值。mAIRVVIIBCCESCCCSBS46. 0VVCC12VVCES3 . 0KRC5 . 1求出17CSBSII因为：可知：；饱和条件由三极管BSBII 所以保证三极管可靠饱和的最小值应大于17。值越大，越有利于饱和。第26页/共34页3、在输入为低电平时，保证可 T

16、 靠截止，VBB值最小等于多少？假设：VI=0.3V时，T处于临界截止状态，VBE=0。0211BBILILBEVVRRRVV令：KR3 . 41KR162VVIL3 . 0VVBB1 . 1求出。应大于时，三极管可靠截止，即保证在VVVVBBILI1 . 1第27页/共34页饱和区饱和区iC受vCE显著控制的区域，该区域内vCE的 数值较小，一般vCE0.7 V(硅管)。此时 发射结正偏，集电结正偏发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。截止区截止区iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。 此时，发射结反偏，集电结反偏发射结反偏，集电结反偏。放大区iC平行于vCE轴的区域， 曲线基本平行等

17、距。 此时，发射结正偏，集发射结正偏，集 电结反偏电结反偏，电压大于 0.7 V左右(硅管) 。/CImA0123452468/CEVV0BI 140BIuA280BIuA饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区第28页/共34页 三极管工作在截止区，IB=0曲线以下。发射结、集电结均反偏。VBE0VBC0CCCCBVVII、00三极管相当于开路三极管截止等效电路： 所以可以利用三极管饱和、截止状态作开关。所以可以利用三极管饱和、截止状态作开关。三极管截止条件：三极管截止条件：等效于开关断开ecb/CImA0123452468/CEVV0BI 140BIuA280BIuA饱和区饱和区放大区放大区截

18、止区截止区第29页/共34页用基区电荷分布图说明用基区电荷分布图说明当输入发射结由：反偏正偏所需时间 td正向偏压基极驱动电流发射区扩散到基区电子数集电极收集的电子数由小到大变化由小到大变化当基区的电子浓度增加到当基区的电子浓度增加到 4 4 时时：发射结正偏后：发射结正偏后：集电极电流达到临界饱和：ICS基区中电子积累所需时间：t r01三极管由截止进入饱和过程：NNP电子浓度电子浓度1234临饱放大正偏第30页/共34页 R1、R2、外加负偏压VBB及Vi i 共同决定三极管工作状态，保证三极管在开关方波的作用下可靠工作于饱和、截止两种状态。 那么如何保证三极管可靠工作？就依靠合理选择基极偏置电阻来保证。（设计问题）当Vi i = 0 = 0 时： 希望T截止先假设T止再看是否止画截止等效电路画截止等效电路121RRRVVBBbe - 1V三极管截止条件：V be0令：V be1V T 可靠截止当V i i