《晶体三极管》PPT课件.ppt

1,第 2 章 晶体三极管,概 述,2.1 放大模式下晶体三极管的工作原理,2.2 晶体三极管的其他工作模式,2.3 埃伯尔斯莫尔模型,2.4 晶体三极管伏安特性曲线,2.5 晶体三极管小信号电路模型,2.6 晶体三极管电路分析方法,2.7 晶体三极管的应用原理,2,三极管图片,3,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,发射结,集电结,第 2 章 晶体三极管,主要特性：在满足内部结构的基础上，与工作模式有关。,4,三极管三种工作模式,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：以提供足够多的载流子。,2)基区很薄：以便于载流子通过。,3)集电结面积大：以利于载流子的收集。,第 2 章 晶体三极管,正向受控作用,受控开关特性,5,2.1 放大模式下三极管工作原理,2.1.1 内部载流子传输过程,IEn,IEp,IBB,ICn,ICBO,IE,IC,IB,第 2 章 晶体三极管,6,发射结正偏：保证发射区向基区发射多子。,发射区掺杂浓度 基区掺杂浓度 ：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。,第 2 章 晶体三极管,只有发射区中的多子通过发射、复合和收集而将电流IEn转化为ICn ，形成正向受控作用；其他电流则为寄生电流。,7,三极管特性具有正向受控作用,即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。,第 2 章 晶体三极管,8,观察输入信号作用在哪个电极上，输出信号从哪个电极取出，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。,第 2 章 晶体三极管,9,共基极直流电流传输方程,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：,第 2 章 晶体三极管,10,若忽略 ICBO，则：,第 2 章 晶体三极管,11,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。,因为 IB = 0,所以 IEp+ (IEn- ICn) = IE - ICn = ICBO,因此,第 2 章 晶体三极管,12,三极管的正向受控作用，服从指数函数关系式：,2.1.3 放大模式下三极管的模型,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,第 2 章 晶体三极管,13,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：,第 2 章 晶体三极管,14,三极管参数的温度特性,温度每升高 1C，/ 增大 0.5% 1%，即,温度每升高 1 C ，VBE(on) 减小 (2 2.5) mV，即,温度每升高 10 C ，ICBO 增大一倍，即,第 2 章 晶体三极管,/受温度影响最大。,15,2.2 晶体三极管的其他工作模式,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。,第 2 章 晶体三极管,16,饱和模式直流简化电路模型,饱和导通电压与放大模式下的导通电压近似相等。,即三极管工作于饱和模式时，相当于开关闭合。,第 2 章 晶体三极管,若忽略饱和压降，三极管输出端近似短路。,17,2.2.2 截止模式(E 结反偏，C 结反偏),若忽略反向饱和电流，三极管 IB 0，IC 0。,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,第 2 章 晶体三极管,18,2.3 埃伯尔斯莫尔模型,埃伯尔斯莫尔模型是三极管通用模型，它适用于任何工作模式。,其中,第 2 章 晶体三极管,19,2.4 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。,第 2 章 晶体三极管,20,21,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,注：VCE 0.3 V 后，曲线移动可忽略不计。,因此当 VBE 一定时：,VCEVCB, 复合机会 IB 曲线右移。,第 2 章 晶体三极管,22,输出特性曲线,饱和区(VBE 0.7 V，VCE 0.3 V),特点：,条件：,发射结正偏，集电结正偏。,IC 不受 IB 控制，而受 VCE 影响。,VCE 略增，IC 显著增加。,输出特性曲线可划分为四个区域：,饱和区、放大区、截止区、击穿区。,第 2 章 晶体三极管,23,放大区(VBE 0.7 V， VCE 0.3 V),特点,条件,说明,第 2 章 晶体三极管,24,在考虑三极管基区宽度调制效应时，电流 IC 的修正方程,基宽 WB 越小调制效应对 IC 影响越大则VA越小。,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。,第 2 章 晶体三极管,25,截止区(VBE 0.5 V， VCE 0.3 V),特点：,条件：,发射结反偏，集电结反偏。,IC 0，IB 0,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,第 2 章 晶体三极管,26,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)CBO V(BR)CEO,第 2 章 晶体三极管,27,三极管安全工作区,最大允许集电极电流 ICM,(若 IC ICM 造成 ),反向击穿电压 V(BR)CEO,(若 VCE V(BR)CEO 管子击穿),VCE V(BR)CEO,最大允许集电极耗散功率 PCM,(PC = IC VCE，若 PC PCM 烧管),PC PCM,IC ICM,第 2 章 晶体三极管,28,放大电路小信号作用时，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。,第 2 章 晶体三极管,29,混合型电路模型的引出,第 2 章 晶体三极管,30,混合 型小信号电路模型,若忽略 rbc 影响，整理后即可得出混合 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：,第 2 章 晶体三极管,31,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。,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。RL rce 时，常忽略。,第 2 章 晶体三极管,32,简化的低频混 电路模型,由于,因此，等效电路中的 gmvbe ，也可用 ib 表示。,注意：小信号电路模型只能用来分析叠加在 Q 点上各 交流量之间的相互关系，不能分析直流参量。,第 2 章 晶体三极管,33,晶体三极管的四个参量的总瞬时表达式,以电压为自变量的电流表达式,在Q点对交流量展开,34,交流量之间的线性关系式,35,跨导 gm 表示三极管具有正向受控作用的增量电导。,注：和分别是共基极交流电流传输系数和共发射极交流电流传输系数。,36,由于交流信号均叠加在静态工作点上，且交流信号幅度很小，因此对工作在放大模式下的电路进行分析时，应先进行直流分析，后进行交流分析。,2.6 晶体三极管电路分析方法,第 2 章 晶体三极管,37,放大元件，起电流放大作用，是整个放大电路的核心。,输入,输出,？,参考点,38,作用：使发射结正偏，并提供适当的静态工作点。,基极电源与基极电阻,39,集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。,40,集电极电阻，将变化的电流转变为变化的电压。,41,耦合电容： 电解电容，有极性。 大小为10F50F,作用：隔离输入输出与电路直流的联系，同时能使信号顺利输入输出。,42,可以省去,电路改进：采用单电源供电,43,44,由于电源的存在IB0,IC0,IBQ,ICQ,IEQ=IBQ+ICQ,静态工作点,45,IBQ,ICQ,( ICQ,VCEQ ),(IBQ,VBEQ),46,(IBQ,VBEQ) 和( ICQ,VCEQ )分别对应于输入输出特性曲线上的一个点称为静态工作点。,47,即分析交流输入信号为零时，放大电路中直流电压与直流电流的数值。,2.6.1 直流分析法,图解法,即利用三极管的输入、输出特性曲线与管外电路所确定的负载线，通过作图的方法进行求解。,要求：已知三极管特性曲线和管外电路元件参数。,优点：便于直接观察 Q 点位置是否合适，输出信号波形 是否会产生失真。,第 2 章 晶体三极管,48,(1)由电路输入特性确定 IBQ,写出管外输入回路直流负载线方程 (VBE - IB)。,图解法分析步骤：,在输入特性曲线上作直流负载线。,找出对应交点，得 IBQ 与 VBEQ。,(2)由电路输出特性确定 ICQ 与 VCEQ,写出管外输出回路直流负载线方程(VCE - IC) 。,在输出特性曲线上作直流负载线。,找出负载线与特性曲线中 IB = IBQ 曲线的交点， 即 Q 点，得到 ICQ 与 VCEQ。,第 2 章 晶体三极管,49,例 1 已知电路参数和三极管输入、输出特性曲线， 试求 IBQ、ICQ、VCEQ。,Q,输入回路直流负载线方程 VBE = VBB - IBRB,VBEQ,IBQ,输出回路直流负载线方程 VCE = VCC - ICRC (斜率为-1/RC),IB = IBQ,Q,ICQ,VCEQ,第 2 章 晶体三极管,50,工程近似法-估算法,即利用直流通路，计算静态工作点。直流通路是指输入信号为零，耦合及旁路电容开路时对应的电路。,第 2 章 晶体三极管,51,估算法分析步骤：,确定三极管工作模式 。,用相应简化电路模型替代三极管。,分析电路直流工作点 。,只要 VBE 0.5 V(E 结反偏),截止模式,假定放大模式，估算 VCE ：,若 VE 0.3 V,放大模式,若 VE 0.3 V,饱和模式,第 2 章 晶体三极管,52,例 2 已知 VBE(on)= 0.7 V ，VCE(sat) = 0.3 V ， = 30 ，试 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 VCEQ 0.3 V，所以三极管工作在放大模式 。,VC = VCEQ = 4.41 V,第 2 章 晶体三极管,53,例 3 若将上例电路中的电阻 RB 改为 10 k，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 VCEQ 0.3 V，假设不成立，所以三极管工作在饱和模式。,第 2 章 晶体三极管,54,例 4 已知 VBE(on)= 0.7 V ，VCE(sat) = 0.3 V ， = 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),第 2 章 晶体三极管,55,例 5(1) 已知 VBE(on)= 0.7 V ，VCE(sat) = 0.3 V ， = 100 ，试求晶体三极管的各级电压和电流值。,56,例 6(2) 已知 VBE(on)= 0.7 V ，VCE(sat) = 0.3 V ， = 100 ，试求晶体三极管的各级电压和电流值。,解：,57,58,方框中部分用戴维南定理等效为：,算法一：,分压偏置电路的静态工作点,59,算法二：,60,例 7(3) 已知 VBE(on)= 0.7 V ，VCE(sat) = 0.3 V ， = 100 ，试求晶体三极管的各级电压和电流值。,解：,61,例 8(4) 已知 VBE(on)= 0.7 V ，VCE(sat) = 0.3 V ， = 100 ，试求IB和IC。,IB不变,解：,62,例 9(5) 已知 VBE(on)= 0.7 V ，VCE(sat) = 0.3 V ， = 100 ，试求IB和IC 。,IB不变,解：,63,2.6.2 交流分析法,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。,第 2 章 晶体三极管,64,对交流信号(输入信号vi),65,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。,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。,第 2 章 晶体三极管,66,例 10 已知 ICQ= 1 mA， = 100 , vi = 20sint (mV)， C = = k ，画电路的交流通路及交流等效电路, 计算 vo 。,第 2 章 晶体三极管,解：,67,例 11(6) 已知 ICQ= 1 mA， = 100 , vi = 20sint (mV)， 试求晶体管的各级交流电流和电压值 。,解：,68,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。,第 2 章 晶体三极管,69,其中：,总信号的负载线:,所以：,这条直线通过Q点，称为交流负载线。,70,交流负载线的作法,IB,过Q点作一条直线，斜率为：,交流负载线,71,72,例 6 输入正弦信号时，画各极电压与电流的波形。,IBQ,ICQ,VCEQ,第 2 章 晶体三极管,73,各点波形,74,失真分析,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,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，则造成非线性失真。,下面将分析失真的原因。为简化分析，假设负载为空载(RL=)。,非线性失真,第 2 章 晶体三极管,75,VBE,输入情况,76,vo,ib,输出情况,M,N,Q,Q,77,vo,可输出的最大不失真信号,选择静态工作点,Q,Q,Q,78,uo,1. Q点过低，信号进入截止区,放大电路产生 截止失真,Q,Q,Q,79,2. Q点过高，信号进入饱和区,放大电路产生 饱和失真,ib,输入波形,Q,Q,Q,80,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,第 2 章 晶体三极管,81,2.7 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。,第 2 章 晶体三极管,82,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。,第 2 章 晶体三极管,83,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：,第 2 章 晶体三极管,84,注意：,放大器放大