線性電子電路課件1

1、線性電子電路文鳳書山有路勤為徑學(xué)海無崖苦作舟第二章 晶體三極管第二章 晶體三極管2.0 概述2.2 晶體三極管的其它工作模式及其電路模型2.4 晶體三極管伏安特性曲線2.3 埃伯爾斯莫爾模型2.7 晶體三極管的應(yīng)用原理2.1 放大模式下晶體三極管的工作原理及電路模型2.5 晶體三極管小信號電路模型2.6 晶體三極管電路分析方法第二章 晶體三極管2.0 概 述 晶體三極管又稱雙極型晶體管（Bipolar Junction ransistor :BJT），簡稱三極管。 一、三極管的種類很多：按材料分：硅三極管和鍺三極管； 無論那種類型的三極管，都是由兩個靠得近且背靠背排列的PN結(jié)組成。按排列方式不

2、同，三極管分為NPN和PNP管。按功率分：小功率、中功率和大功率管等按結(jié)構(gòu)分： NPN型管和PNP型管；按頻率分：高頻管和低頻管；第二章 晶體三極管N+NP集電結(jié)Jc發(fā)射結(jié)Je發(fā)射極e集電極c基極b發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)P+發(fā)射區(qū)N基區(qū)P集電區(qū)發(fā)射極e基極b集電極c三極管結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號NPN管PNP管 三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn):發(fā)射區(qū)高摻雜;基區(qū)很薄;集電結(jié)面積大結(jié)構(gòu)示意圖：電路符號：第二章 晶體三極管從結(jié)構(gòu)看：從電路符號看： 無論是NPN還是PNP管，都有兩個PN結(jié)，三個區(qū)，三個電極。 除了發(fā)射極上的箭頭方向不同外，其他都相同，但箭頭方向都是由P指向N，即PN結(jié)的正向電流方向。三、三極管的工作狀態(tài)

3、及其外部工作條件發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏：放大模式發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏：飽和模式發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏：截止模式（最常用）（用于開關(guān)電路中）在黑板上結(jié)合例子講解第二章 晶體三極管總結(jié): 在放大電路中三極管主要工作于放大狀態(tài)，即要求，發(fā)射結(jié)正偏(正偏壓降近似等于其PN結(jié)的導(dǎo)通壓降），集電結(jié)反偏（反偏壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其導(dǎo)通電壓才行）。對NPN管各極電位間要求：對PNP管各極電位間要求：VeVb VbVc管子類型判別例子(黑板）第二章 晶體三極管 發(fā)射結(jié)正偏：保證發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射多子。發(fā)射區(qū)摻雜濃度基區(qū)：減少基區(qū)向發(fā)射區(qū)發(fā)射的多子，提高發(fā)射效率。 基區(qū)的作用：將發(fā)射到基區(qū)的多子，自發(fā)射結(jié)傳輸?shù)郊娊Y(jié)邊界

4、。 基區(qū)很?。嚎蓽p少多子傳輸過程中在基區(qū)的復(fù)合機(jī)會，保證絕大部分載流子擴(kuò)散到集電結(jié)邊界。 集電結(jié)反偏、且集電結(jié)面積大：保證擴(kuò)散到集電結(jié)邊界的載流子全部漂移到集電區(qū)，形成受控的集電極電流。總結(jié)2.1工作在放大狀態(tài)下的三極管IEnIBpICBOIBnICnIEICIB常用Icn和IE的比值來衡量管子的質(zhì)量且令Je正偏，以擴(kuò)散運(yùn)動為主Jc反偏，以漂移運(yùn)動為主第二章 晶體三極管 表示，受發(fā)射結(jié)電壓控制的基極電流IB對集電極電流IC的控制能力。第二章 晶體三極管 三極管特性具有正向受控作用 在放大狀態(tài)下的三極管輸出的集電極電流IC ，主要受正向發(fā)射結(jié)電壓VBE的控制，而與反向集電結(jié)電壓VCE近似無關(guān)。

5、注意：NPN型管與PNP型管工作原理相似，但由于它們形成電流的載流子性質(zhì)不同，結(jié)果導(dǎo)致各極電流方向相反，加在各極上的電壓極性相反。 V1NPP+PNN+V2V2V1+ - + - - + - + IEICIBIEICIB第二章 晶體三極管2.1.2 放大模式下三極管的模型三極管的正向受控作用，服從指數(shù)函數(shù)關(guān)系式： 數(shù)學(xué)模型（指數(shù)模型） IS指發(fā)射結(jié)反向飽和電流IEBS轉(zhuǎn)化到集電極上的電流值，它不同于二極管的反向飽和電流IS。式中：第二章 晶體三極管 放大模式直流簡化電路模型電路模型VBE+-ECBEICIBIB直流簡化電路模型VBE(on)ECBEICIBIB+-VBE(on)為發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓

6、，工程上一般取：硅管VBE(on)= 0.7V鍺管VBE(on)= 0.25V具體電路分析第二章 晶體三極管 三極管參數(shù)的溫度特性 溫度每升高1C， / 增大（0.5 1）%， 溫度每升高1 C ，UBE(on) 減小（2 2.5）mV 溫度每升高10 C ，ICBO 增大一倍 因而溫度對三極管的影響集中體現(xiàn)在對集電極電流的影響。第二章 晶體三極管2.2 晶體三極管的其它工作模式2.2.1飽和模式 ( 發(fā)射結(jié)Je正偏，集電結(jié)Jc正偏) 三極管失去正向受控作用。即三極管的集電極電流 IC 不再受基極電流 IB 控制。 飽和模式直流簡化電路模型電路模型VBE+-ECBEICIB+-VCE(sat)

7、直流簡化電路模型VBE(on)ECBEICIB+-+-VCE(sat)通常，飽和壓降VCE(sat) 硅管VCE(sat) 0.3V鍺管VCE(sat) 0.1V 若忽略飽和壓降，三極管輸出端近似短路。即三極管工作于飽和模式時，相當(dāng)于開關(guān)閉合。具體電路分析第二章 晶體三極管2.2.2 截止模式 ( JE結(jié)反偏，JC結(jié)反偏) 若忽略反向飽和電流，三極管IB 0，IC 0。即三極管工作于截止模式時，相當(dāng)于開關(guān)斷開。 電路模型VBE+-ECBEICIB 截止模式直流簡化電路模型直流簡化電路模型ECBEIC 0IB 0具體電路分析第二章 晶體三極管2.3 埃伯爾斯莫爾模型 埃伯爾斯莫爾模型是三極管通用

8、模型，它適用于任何工作模式。IE= IF-RIRIC= FIF -IR 其中ECBIEIFRIRICFIFIRIB第二章 晶體三極管2.4 晶體三極管伏安特性曲線（可由圖示儀直接測出） 伏安特性曲線是三極管通用的曲線模型，它適用于任何工作模式。 (三極管有三種組態(tài)，以共發(fā)射極為例）IB= f1E ( VBE )VCE = 常數(shù)IC= f2E ( VCE )IB = 常數(shù)共發(fā)射極輸入特性：輸出特性：+-TVCEIBVBEIC+-第二章 晶體三極管 觀察輸入信號作用在那個電極上，輸出信號從那個電極取出，此外的另一個電極即為組態(tài)形式。 三極管的三種連接方式三種組態(tài)BCEBTICIEECBETICIB

9、CEBCTIEIB（共發(fā)射極）（共基極）（共集電極） 放大電路的組態(tài)是針對交流信號而言的。返回特性曲線第二章 晶體三極管 輸入特性曲線UCE =0IB /AUBE /VUBE(on)0.3V10V0U(BR)BEOIEBO +ICBO UCE一定：類似二極管伏安特性。 UCE增加：正向特性曲線略右移。由于UCE=UCB+UBEWBWBEBC基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)注：UCE0.3V后，曲線移動可忽略不計(jì)。因此當(dāng)UBE一定時：UCEUCB 復(fù)合機(jī)會 IB 曲線右移。返回特性曲線第二章 晶體三極管 輸出特性曲線飽和區(qū)UCE /VIB = 40 A30 A20 A10 A0 輸出特性曲線可劃分四個區(qū)域：返回

10、特性曲線條件：特點(diǎn)：放大區(qū)條件：特點(diǎn)：截止區(qū)條件：特點(diǎn)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏I(xiàn)C受UCE影響，不受IB 控制，UCE略增，IC顯著增加。發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏I(xiàn)C受IB控制，不受 VCE控制。發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏I(xiàn)C 0，IB 0。擊穿區(qū)：0反向擊穿電壓U(BR)CEOIC /mA飽和區(qū)、放大區(qū)、截止區(qū)、擊穿區(qū)。U(BR)CEO結(jié)合講三極管的放大原理安全工作區(qū)：第二章 晶體三極管IC /mAVCE /V0IB = 40 A30 A20 A10 A0特點(diǎn)：條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。IC不受IB控制，而受VCE影響。VCE略增，IC顯著增加。返回特性曲線飽和區(qū)（ VBE 0.7V，VCE0

11、.3V）IC /mAVCE /V0IB = 40 A30 A20 A10 A0特點(diǎn)條件發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏VCE曲線略上翹具有正向受控作用滿足IC= IB + ICEO返回輸出特性曲線說明IC /mAVCE /V0VA上翹程度取決于厄爾利電壓VA上翹原因基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)（VCE IC略）在考慮三極管基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)時，電流IC的修正方程：基寬WB越小調(diào)制效應(yīng)對IC影響越大則VA越小。 與IC的關(guān)系：IC0在IC一定范圍內(nèi) 近似為常數(shù)。IC過小使IB造成 。IC過大發(fā)射效率 造成 ?？紤]上述因素，IB等量增加時，ICVCE0輸出曲線不再等間隔平行上移。第二章 晶體三極管返回輸出特性曲線第二章 晶

12、體三極管 截止區(qū)（ VBE 0.5V， VCE 0.3V）IC /mAVCE /V0IB = 40 A30 A20 A10 A0特點(diǎn)：條件：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。IC 0，IB 0近似為IB0以下區(qū)域 嚴(yán)格說，截止區(qū)應(yīng)是IE = 0即IB = -ICBO以下的區(qū)域。 因?yàn)镮B 在0 -ICBO時，仍滿足返回輸出特性曲線第二章 晶體三極管 擊穿區(qū)特點(diǎn)：VCE增大到一定值時，集電結(jié)反向擊穿，IC急劇增大。V(BR)CEO集電結(jié)反向擊穿電壓，隨IB的增大而減小。注意：IB = 0時，擊穿電壓為V(BR)CEOIE = 0時，擊穿電壓為V(BR)CBOV(BR)CBO V(BR)CEOIC /mAV

13、CE /V0IB = 40 A30 A20 A10 A0IB = -ICBO (IE = 0)V(BR)CBO返回輸出特性曲線第二章 晶體三極管三極管安全工作區(qū)ICUCE0U(BR)CEOICMPCM 最大允許集電極電流ICM（若ICICM 造成 ） 反向擊穿電壓U(BR)CEO（若UCEU(BR)CEO 管子擊穿）UCE PCM 燒管）PCPCM 要求IC ICM 返回輸出特性曲線第二章 晶體三極管2.5 晶體三極管小信號電路模型 放大電路小信號運(yùn)用時，在靜態(tài)工作點(diǎn)附近的小范圍內(nèi)，特性曲線的非線性可忽略不計(jì)，近似用一段直線來代替，從而獲得一線性化的電路模型，即小信號（或微變）電路模型。 三極

14、管作為四端網(wǎng)絡(luò)，選擇不同的自變量，可以形成多種電路模型。最常用的是混合型小信號電路模型。第二章 晶體三極管 混合型電路模型的引出基區(qū)體電阻發(fā)射結(jié)電阻與電容集電結(jié)電阻與電容反映三極管正向受控作用的電流源由基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)引起的輸出電阻ibicbcerbbrbecbecbcrbcbgmvberce混合電路模型第二章 晶體三極管 混合型小信號電路模型 若忽略rbc影響，整理即可得出混電路模型。rbercecbccberbbbcegmvbebibic 電路低頻工作時，可忽略結(jié)電容影響，因此低頻混電路模型簡化為：rbercerbbbcegmvbebibic簡化混合電路模型小信號參數(shù)第二章 晶體三極管 小

15、信號電路參數(shù) rbb基區(qū)體電阻，其值較小，約幾十歐，常忽略不計(jì)。 rbe三極管輸入電阻，約千歐數(shù)量級。 跨導(dǎo)gm表示三極管具有正向受控作用的增量電導(dǎo)。 rce三極管輸出電阻，數(shù)值較大。RL 0.3V放大模式若VE0.3V飽和模式第二章 晶體三極管例2 已知VBE(on)=0.7V ，VCE(sat)=0.3V ，=30 ，試 判斷三極管工作狀態(tài)，并計(jì)算VC。解：假設(shè)T工作在放大模式 VCCRCRB(+6V)1k100kT因?yàn)?VCEQ0.3V，所以三極管工作在放大模式 。VC = VCEQ= 4.41V 第二章 晶體三極管例3 若將上例電路中的電阻RB 改為10k，試重新 判斷三極管工作狀態(tài)，

16、并計(jì)算VC。解：假設(shè)T工作在放大模式 VCCRCRB(+6V)1k10kT因?yàn)?VCEQ0.3V，所以三極管工作在飽和模式。第二章 晶體三極管例4 已知VBE(on)=0.7V ，VCE(sat)=0.3V ，=30 ，試 判斷三極管工作狀態(tài)，并計(jì)算VC。解：所以三極管工作在截止模式 。VCCRCRB1(+6V)1k100kTRB22k+ -VBBRBBRC+ -VCC VBE(on)返回第二章 晶體三極管2.6.2 交流分析法 小信號等效電路法(微變等效電路法) 分析電路加交流輸入信號后，疊加在Q點(diǎn)上的電壓與電流變化量之間的關(guān)系。 在交流通路基礎(chǔ)上，將三極管用小信號電路模型代替得到的線性等效

17、電路即小信號等效電路。利用該等效電路分析Av 、Ri 、Ro的方法即小信號等效電路法。交流通路: 即交流信號流通的路徑。它是將直流電源短路、耦合、旁路電容短路時對應(yīng)的電路。 第二章 晶體三極管小信號等效電路法分析步驟： 畫交流通路(直流電源短路，耦合、旁路電容短路)。 用小信號電路模型代替三極管，得小信號等效電路。 利用小信號等效電路分析交流指標(biāo)。 計(jì)算微變參數(shù) gm、rbe。 注意: 小信號等效電路只能用來分析交流量的變化規(guī)律及動態(tài)性能指標(biāo)，不能分析靜態(tài)工作點(diǎn)。第二章 晶體三極管例5 已知ICQ=1mA, =100 , vi =20sint(mV), 試畫出圖示電路的交流通路及交流等效電路,

18、 并計(jì)算vo。virbeibibicRB+ -RCRLvo+ -viibicRBRC+ -RL+ -vovi+ -iBVBBiCVCCRBRC+ -+ -RLC1C25k第二章 晶體三極管 圖解法 確定靜態(tài)工作點(diǎn)(方法同前)。 畫交流負(fù)載線。 畫波形，分析性能。過Q點(diǎn)、作斜率為-1/RL的直線即交流負(fù)載線。其中 RL= RC / RL分析步驟: 圖解法直觀、實(shí)用，容易看出Q點(diǎn)設(shè)置是否合適，波形是否產(chǎn)生失真，但不適合分析含有電抗元件的復(fù)雜電路。同時在輸入信號過小時作圖精確度降低。第二章 晶體三極管例6 輸入正弦信號時，畫各極電壓與電流的波形。tvBE0QvBEiB0iCvCE0QtiBIBQiC

19、tICQtvCE0-1/RLVCEQibvi+ -iBVBBiCVCCRBRC+-vBE+ -vCE+ -+ -RLC1C2第二章 晶體三極管Q點(diǎn)位置與波形失真：Q點(diǎn)過低，vO負(fù)半周易截止失真。 PNP管 Q點(diǎn)過高，vO正半周易飽和失真。 Q點(diǎn)過低，vO正半周易截止失真。 NPN管 Q點(diǎn)過高，vO負(fù)半周易飽和失真。 由于PNP管電壓極性與NPN管相反，故橫軸vCE可改為-vCE。 消除飽和失真降低Q點(diǎn):增大RB ，減小IBQ減小RC : 負(fù)載線變徒, 輸出動態(tài)范圍增加。消除截止失真 升高Q點(diǎn): 減小RB ，增大IBQ第二章 晶體三極管2.7 晶體三極管應(yīng)用原理2.7.1 電流源 利用三極管放大區(qū)iB恒定時iC接近恒流的特性，可構(gòu)成集成電路中廣泛采用的一種單元電路-電流源。 iCvCE0iBVCE(sat)QiCR