电工电子技术 课件 项目七 晶体管及其应用

任务一

晶体管的认识

任务二

放大电路的分析(1)了解晶体管的结构、符号、特性和主要参数。(2)掌握晶体管的检测。(3)掌握放大电路工作原理。(4)掌握共射极单管交流放大电路的分析。任务一

晶体管的认识理解晶体管的基本概念,理解其在电路中的基本作用和功能;掌握晶体管的结构与类型;掌握晶体管的电路符号及其在电路图中的表示方法;能分析晶体管在基本放大电路、开关电路等中的应用,理解其工作原理。一、

晶体管的结构与分类(一)晶体管的结构双极型晶体三极管,由于工作时,多数载流子和少数载流子都参与运行,因此而得名,又称为晶体三极管,有时也简称为晶体管或三极管,是很重要的一种半导体器件。常用的一些晶体管外形如图71所示晶体管有三个区,并相应引出三个电极,形成两个PN结,它的结构和符号如图72所示。三个区分别是发射区、基区和集电区,发射区引出发射极E,基区引出基极B,集电区引出集电极C。发射区和基区间的PN结称为发射结,集电区和基区间的PN结称为集电结。引脚符号的箭头方向表示发射结正向偏置时电流的实际方向。为了收集发射区发来的载流子和便于散热,一般晶体管集电区的面积做得比较大,发射区是高浓度掺杂区,基区很薄且杂质浓度低。这是晶体管具有电流放大作用的内部根据。因此晶体管使用时集电极与发射极不能互换。由图72可见,两种类型晶体管符号的差别仅在发射结箭头的指向不同,箭头的指向代表发射结处在正向偏置时电流的流向,理解箭头的指向有利于记忆NPN和PNP型晶体管的符号。此外,根据箭头的指向可判别三极管的类型。(二)晶体管的分类晶体管的种类很多,通常有以下分类:(1)按所用材料的不同,分为硅晶体管和锗晶体管,硅晶体管受温度影响较小,工作稳定,因此在自动控制设备中应用很多。(2)按内部结构不同,分为NPN型和PNP型。一般情况NPN型为硅晶体管,PNP型为锗晶体管。(3)按功率不同,分为小功率管(耗散功率小于1W)和大功率管(耗散功率不小于1W)。(4)按频率不同,分为高频管(工作频率不低于3MHz)和低频管(工作频率在3MHz以下)。(5)按作用不同,分为普通晶体管和开关晶体管。二、

晶体管的放大作用(一)晶体管的电流分配图73所示为处于放大状态的NPN型晶体管内部载流子的传输过程。为了解晶体管的电流分配关系和放大原理,可以采用如图74所示实验电路进行测量。加电源电压UBB时发射结承受正向电压,而电源UCC>UBB,集电结承受反向偏置电压,这样可以使晶体管具有正常的电流放大作用。改变电阻RB,基极电流IB、集电极电流IC

和发射极电流IE

都会发生变化,表71为实验所得的一组数据。将表71中数据进行比较分析,可得出如下结论:(1)三个电流之间关系符合基尔霍夫电流定律IE=IB+IC,如图75所示。(2)IC≈IE,IB

虽然很小但对IC

有控制作用,IC

随IB的改变而改变,即晶体管具有电流放大作用。集电极电流IC

与基极电流IB

的比值,称为晶体管的直流电流放大倍数,用

表示,即的大小体现了晶体管的电流放大能力。(3)当基极电流变化时,集电极电流同时也发生较大变化。集电极电流变化量ΔIC与基极电流变化量ΔIB

之比,称为晶体管交流放大倍数,用β表示,由于β和

相当接近,所以一般不再对它们加以区分。因为晶体管的β值一般为几十倍,特殊的可达上千,所以晶体管具有较大的电流放大作用。(二)晶体管的特性曲线和二极管一样,晶体管各电极电压和电流之间的关系曲线就是晶体管的特性曲线,也叫伏安特性曲线。实际上它是晶体管内部特性的外在表现,是分析放大电路的重要依据。从使用晶体管的角度来说,了解晶体管的外部特性比了解它的内部结构更为重要,晶体管的伏安特性主要有输入特性和输出特性两种。现以共发射极放大电路为例讨论晶体管的输入、输出特性。1.输入特性曲线晶体管的特性曲线可以用特性图示仪直观地显示在荧光屏上,也可以用图76所示的晶体管特性测试电路,逐点描绘出。所谓输入特性曲线是指晶体管输入回路中在UCE固定的情况下,加在基极和发射极的电压UBE与由它产生的电流IB

之间的关系曲线,用函数表示为NPN硅晶体管的输入特性曲线如图77所示。输入特性曲线有以下特点:(1)当UCE=0V时,相当于C、E短接,这时的晶体管相当于两个二极管并联,所以它和二极管的正向伏安特性相似。(2)当UCE≥1V时,曲线右移,这是因为UCE>UBE后给集电结加上了反向电压,集电结吸引电子的能力加强,使得由发射区进入基区的电子,绝大部分流向集电区,形成集电极电流IC,因此在相同的UBE下,流向基极的电流IB减小,特性曲线右移。由于UCE≥1V后的曲线基本重合,因此只画UCE≥1V的一条输入特性曲线,就可以近似代表UCE更高的情况。2.输出特性曲线输出特性曲线是指在基极电流IB

一定的情况下,晶体管输出回路中,集电极与发射极之间的电压UCE与集电极电流IC

之间的关系曲线,用函数可表示为图77画出了NPN型硅晶体管的输出特性曲线。从图78所示的输出特性曲线上看,晶体管的工作区可以分成三个区域。1)截止区一般习惯于把UCE≈UCC以下的区域称为截止区。晶体管工作在截止区时,发射结和集电结均处于反向偏置,即UBE<0V,UCE>0V,晶体管内既没有大量电子由发射区注入基区,也没有大量电子越过基区进入集电区,所以IB=0A,IC≈0A,此时晶体管B-E、C-E之间均呈现高阻状,相当于开关断开。2)饱和区当晶体管的集电结电流IC

增大到一定程度时,再增大IB,IC

也不会增大,即晶体管工作状态超出了放大区,进入了饱和区。在饱和区时,IC

最大,集电极和发射极之间的内阻最小,电压UCE只有0.1~0.3V,UBC=-6V<0V,UCE<UCC,发射结和集电结均处于正向电压。晶体管没有放大作用,相当于开关通路,集电极和发射极相当于短路。3)放大区晶体管的发射结加正向电压(锗晶体管的导通电压约为0.3V,硅晶体管的导通电压约为0.7V),集电结加反向电压导通后,IB

控制IC,IC

与IB

近似于线性关系,在基极加上一个小信号电流,将引起集电极大的信号电流输出,且有IC=βIB

成立。(三)三极管的主要参数三极管的主要参数有以下几类:1.共射电流放大系数

和β电流放大系数表示晶体管的电流控制能力。在共射极放大电路中,若交流输入信号为零,则晶体管各极间的电压和电流都是直流量,此时的集电极电流IC

和基极电流IB

的比就是,称为共射直流电流放大系数。当共射极放大电路有交流信号输入时,因交流信号的作用,必然会引起IB

变化,相应地也会引起IC

变化,两电流变化量的比称为共射交流电流放大系数β,即上述两个电流放大系数

和β的含义虽然不同,但对于工作在输出特性曲线放大区平坦部分的晶体管,两者的差异极小,可做近似相等处理,故在今后应用时,通常不加区分,直接互相替代使用。由于制造工艺有差异,同一型号晶体管的β值差异较大。常用的小功率晶体管,β值一般为20~100。β过小,晶体管的电流放大作用小;β过大,晶体管工作的稳定性差。一般选用β在40~80之间的晶体管较为合适。2.极间反向饱和电流ICBO和ICEO(1)集电结反向饱和电流ICBO是指发射极开路,集电结加反向电压时测得的集电极电流。常温下,硅晶体管的ICBO在纳安(10-9A)的量级,通常可忽略。(2)集电极

发射极反向电流ICEO是指基极开路时,集电极与发射极之间的反向电流,即穿透电流。穿透电流的大小受温度的影响较大,穿透电流小的晶体管热稳定性好。两个极间反向饱和电流的关系为3.极限参数(1)集电极最大允许电流ICM

。晶体管的集电极电流iC

在相当大的范围内时β值基本保持不变,但当iC

的数值大到一定程度时,电流放大系数β值将下降。使β明显减少的iC

即为ICM

。为了使晶体管在放大电路中能正常工作,iC不应超过ICM

。(2)集电极最大允许功耗PCM

。晶体管工作时,集电极电流在集电结上将产生热量,产生热量所消耗的功率就是集电极的功耗PCM,即功耗与晶体管的结温有关,结温又与环境温度、晶体管是否有散热器等条件相关。晶体管产品手册上给出的PCM

值是在常温下(25℃时)测得的。硅晶体管集电结的上限温度为150℃左右,锗晶体管为70℃左右,使用时应注意不要超过此值,否则晶体管将损坏。(3)反向击穿电压UBR(CEO)。反向击穿电压UBR(CEO)是指基极开路时,加在集电极与发射极之间的最大允许电压。使用中如果晶体管两端的电压UCE>UBR(CEO),集电极电流iC

将急剧增大,这种现象称为击穿。晶体管击穿将造成晶体管永久性损坏。若晶体管电路电源UCC的值选得过大时,有可能出现当晶体管截止时,UCE>UBR(CEO),导致晶体管击穿二次损坏的现象。一般情况下,晶体管电路的电源电压UCC应小于

UBR(CEO)。任务二

放大电路的分析理解放大电路如何对输入信号进行放大,包括信号的接收、处理和输出过程;熟悉放大电路的基本组成元素,如晶体管、运算放大器、电阻、电容等,以及它们在电路中的作用;会分析并计算电路的电压放大倍数,了解其对电路性能的影响;会分析电路的输入电阻和输出电阻,理解它们对信号源和负载的影响。一、

电路的组成及各元件的作用晶体管的主要用途之一是利用其放大作用组成各种放大器,它是自动控制、信号检测、通信等电子设备中基本的组成部分。将微弱电信号放大到满足要求的信号,以便有效地进行观察、测量、控制或调节,如扩音系统有四个主要组成部分(见图79)。(1)传感器(麦克风),将声音转换成相应的电压信号。(2)放大电路,将麦克风输出的微弱电压信号放大到所需要的值。(3)再生器(扬声器),将放大后的电信号还原成声音。(4)电源,提供放大器工作所需要的直流电压。共发射极基本放大电路又称单极低频小信号放大电路,是复杂电子电路的基础,其工作频率为20Hz~20kHz的低频范围,通常用于放大较小的电流、电压。(一)电路结构图710所示为共发射极基本放大电路。图711中各元器件的作用如下:(1)晶体管V:工作在放大状态,起电流、电压放大作用。(2)基极偏置电阻RB:使电源UCC给晶体管提供一个合适的基极电流IB(又称偏流),保证晶体管工作在合适的状态。RB

取值范围在几十千欧到几百千欧。(3)集电极负载电阻RC:把晶体管的电流放大转换为电压放大。它的取值范围一般在几千到几十千欧。(4)耦合电容C1

和C2:起隔直流通交流的作用。交流信号从C1

输入经过放大从C2输出,同时C1

把晶体管的输入端与信号源之间,C2

把输出端和负载之间的直流通路隔断。一般选用电解电容,使用时注意极性的区分。(5)集电极电源UCC:保证晶体管工作在一个合适的状态(保证发射结正偏,集电结反偏),并为放大电路提供能源。二、

放大电路的分析放大电路的分析包括两个方面的内容,即静态分析和动态分析。分析的过程一般是先静态后动态。常用的分析方法有解析法(也称估算法)和图解法两种。解析法是根据电路特性和晶体管的等效电路实现对放大电路的工作点和各性能指标进行估算;图解法是在晶体管的特性曲线上,直接用作图的方法分析放大电路工作情况。(一)放大电路的静态分析从基本放大电路的组成中可看出,在放大电路中,交流量和直流量共存。当输入信号为零时,电路中各处的电压、电流都是直流值,这时的工作状态称为直流工作状态或静止状态,简称为静态。静态分析就是分析放大电路的直流工作情况,以确定晶体管各电极之间静态值,即直流电压值和直流电流值。静态分析主要在直流通路中进行,所谓直流通路就是静态电流流经的通路。对于直流通路:电容视为开路;电感线圈视为短路(即忽略线圈电阻);信号源视为短路,但应保留内阻。1.图解法图711所示为放大电路的直流通路。在图711中,按输出回路(集电极回路)可列出在IC-UCE输出特性曲线中,式(74)是一个直线方程,其斜率为-1/RC,它在横轴上的截距为UCC,在纵轴上的截距为UCC/RC。因为它是由直流通路得出的,且与集电极负载电阻RC

有关,故称为直流负载线。用图解法确定静态工作点的步骤如下:第一步:在直流通路中,由输入回路求出基极电流静态工作点对应的ICQ、UCEQ一定在IBQ所对应的那条输出特性曲线上。第二步:作直流负载线,即过(UCC,0)、(0,UCC/RC)两点作直线。所求的静态工作点一定在直流负载线上。IBQ所对应的输出特性曲线与直流负载线的交点即为所求静态工作点Q,其纵、横坐标值即为所求ICQ、UCEQ值。2.解析法由于晶体管的输入特性比较陡直,故可近似地认为发射结导通后的电压基本上为定值(硅晶体管约为0.7V,锗晶体管约为0.2V)。也就是说,在静态分析时可以近似地认为输入量是由直流电源UCC建立起来的,而交流分量则是由输入信号ui引起的。根据直流通路,可对放大电路的静态进行计算。采用解析法进行静态分析的步骤如下:第一步:根据放大电路画出直流通路,如图711所示。第二步:根据基尔霍夫第二定律可得出基极电流IBQ,即由IBQ可得静态时集电极电流ICQ,在输出回路根据基尔霍夫第二定律可求集

射极电压UCEQ,(二)放大电路的动态分析动态是指当放大电路有输入信号,即ui≠0时的工作状态。对放大电路进行动态分析的目的主要是,获得用元件参数表示的放大电路的电压放大倍数Au、输入电阻ri、输出电阻ro这三个放大电路的参数,以便知道该放大器对输入信号的放大能力以及信号源及负载进行最佳匹配的条件。只有交流信号单独作用的电路称为交流通路。交流通路中电容可视为短路,直流电源作用为零,可视为短路,由图710可得其交流通路,如图714所示。1.图解法放大电路动态工作时,电路中的电压和电流在静态值的基础上产生与输入信号相对应的变化,晶体管的工作也将在静态工作点附近变化。对于交流信号来说,它们通过的路径为交流通路,由图713所示的交流通路得式中

为RC

与RL

并联的等效电阻)称为集电极等效负载电阻。式(78)反映了交流电压uce与电流iC的关系(线性关系),对应的曲线称为交流负载线,其斜率为-1/R'L。而当交流信号为零时,其晶体管的工作点一定是静态工作点,所以,交流负载线一定过静态工作点。由以上分析可得出交流负载线的画法:交流负载线是过静态工作点作斜率为-1/R'L的直线。因为直流负载线的斜率为-1/RC,而交流负载线的斜率为-1/R'L,故交流负载线比直流负载线要陡,如图715所示。在确定静态工作点后画出交流负载线的基础上,根据已知的电压输入信号ui的波形,在晶体管特性曲线上,可按下列作图步骤画出有关电压电流波形。第一步:在输入特性曲线上可由输入信号ui叠加到UBE上得到的uBE而对应画出基极电流iB的波形。第二步:在输出特性曲线上,根据iB的变化波形可对应得到集射电压uCE及集电极电流iC的变化波形,如图716所示。由以上分析可以得出下述结论:(1)晶体管各相电压和电流均有两个分量———直流分量和交流分量。(2)输出电压uo(uce)与输入电压ui(ube)相位相反,即晶体管具有倒相作用,集电极电位的变化与基极电位的变化极性相反。(3)负载电阻RL愈小,交流负载线就愈陡直,输出电压就愈小,即接入RL后使放大倍数降低,负载电阻RL愈小,电压放大倍数愈小。2.交流等效电路法1)晶体管的微变等效电路在小信号的条件下,可用某种线性元件组合的电路模型来等效非线性的晶体管,该电路模型称为晶体管的等效电路。如何把晶体管用一个线性元件的组合电路来等效,可以从晶体管的输入特性和输出特性两方面来分析讨论。图717(a)是晶体管的输入特性曲线,它是非线性的。但当输入信号很小时,在静态工作点Q附近的曲线可近似认为是直线，能最有效地表示这段曲线的直线是静态工作点处的切线。该切线的斜率可以用ΔIB/ΔUBE表示,也就是说,该比值是一个常数。在小信号条件下ΔUBE就近似等于ube,而ΔIB就近似等于ib,所以工作在小信号条件下晶体管基射极之间的伏安关系可以表示成同一个晶体管,静态工作点不同,rbe值也不同。低频小功率晶体管的输入电阻常用下式估算式(710)中,IE是发射极电流的静态值,单位为mA。rbe一般为几百欧到几千欧。它是一个动态电阻,在晶体管器件手册中常用hie表示。图717(b)是晶体管的输出特性曲线,在放大区是一簇近似与横轴平行的直线。当UCE为常数时,ΔiC的大小主要与ΔiB的大小有关。在小信号的条件下,ΔiC与ΔiB基本呈线性关系,其比例系数β可近似一个常数,即β为晶体管的电流放大系数。由它确定ic受ib控制的关系,因此,晶体管的输出电路可用一个ic=βib的受控电流源来等效代替。这样晶体管的微变等效电路就可用图718(b)所示电路替代。此外,由于集射电压UCE的大小对晶体管的放大能力也有影响,考虑此因素,可用一电阻rce(称为晶体管的输出电阻)与受控电流源并联来表示,该电阻一般为几十千欧至几百千欧,由于rce阻值较大,故可视为开路。对于PNP型晶体管来讲,只是静态电压电流极性与NPN型的相反,对于交流而言均有正负半周,可以认为是相同的,所以,其微变等效电路与NPN型晶体管的相同,也如图718(b)所示。2)放大电路的微变等效电路放大电路的微变等效电路是将放大电路的交流通路中的晶体管用其微变等效电路代替,即得到放大电路的微变等效电路,如图719所示。将放大电路等效为线性电路后便可按照线性电路理论,由图719(b)求取电压放大倍数Au、输入电阻ri和输出电阻ro等参数。(1)电压放大倍数Au(或电压增益)。电压放大倍数表示放大电路的电压放大能力,它等于输出波形不失真时的输出电压与输入电压的比值,即其中uo和ui分别是输出电压和输入电压的值。当考虑其附加相移时,可用复数值之比来表示。根据图716可列出式中R'L为集电极等效负载,即RC和RL的等效电阻且有故电压放大倍数上式中的符号表示输出电压uo与输入电压ui相位相反。当放大电路输出端开路(未接RL)时,有可见,接入RL会使Au降低,RL愈小,则放大倍数愈低。电压放大倍数“分贝”表示法称为电压增益,即(2)输入电阻ri。输入电阻是指从放