晶體三極管及應(yīng)用原理講義

1、晶體三極管及應(yīng)用原理講義第1頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三概 述 三極管結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)發(fā)射極E基極BPNN+集電極C發(fā)射極E基極BNPP+集電極CBCEBCE發(fā)射結(jié)集電結(jié)第2頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三 三極管三種工作模式發(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： 注意：三極管具有正向受控作用，除了滿足內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)外，還必須滿足放大模式的外部工作條件。 三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1）發(fā)射區(qū)高摻雜。2）基區(qū)很薄。3）集電結(jié)面積大。第3頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星

2、期三2.1 放大模式下三極管工作原理 內(nèi)部載流子傳輸過程 PNN+- +- +V1V2R2R1IEnIEpIBBICnICBOIEIE= IEn+IEpICIC=ICn+ICBOIBIB= IEp+IBB -ICBO = IEp+(IEn-ICn) -ICBO =IE -IC第4頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三 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。 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(huì)，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、

3、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。第5頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三 三極管特性具有正向受控作用即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)。 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6頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三 觀察輸入信號(hào)作用在那個(gè)電極上，輸出信號(hào)從

4、那個(gè)電極取出，此外的另一個(gè)電極即為組態(tài)形式。 2.1.2 電流傳輸方程 三極管的三種連接方式三種組態(tài)BCEBTICIEECBETICIBCEBCTIEIB（共發(fā)射極）（共基極）（共集電極） 放大電路的組態(tài)是針對(duì)交流信號(hào)而言的。第7頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三 共基極直流電流傳輸方程BCEBTICIE直流電流傳輸系數(shù)： 直流電流傳輸方程： 共發(fā)射極直流電流傳輸方程ECBETICIB直流電流傳輸方程： 其中： 第8頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三 的物理含義： 表示，受發(fā)射結(jié)電壓控制的復(fù)合電流IBB ，對(duì)集電極正向受控電流ICn的控制能力。

5、若忽略ICBO，則：ECBETICIB 可見， 為共發(fā)射極電流放大系數(shù)。第9頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三 ICEO的物理含義： ICEO指基極開路時(shí)，集電極直通到發(fā)射極的電流。 IB=0IEPICBOICnIEn+_VCENPN+CBEICEOIB=0 IEp+(IEn-ICn) =IE -ICn =ICBO 因此： 即：第10頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三三極管的正向受控作用，服從指數(shù)函數(shù)關(guān)系式： 2.1.3 放大模式下三極管的模型 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

6、電流IS。式中：第11頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三 放大模式直流簡(jiǎn)化電路模型電路模型VBE+-ECBEICIBIBECBETICIB共發(fā)射極直流簡(jiǎn)化電路模型VBE(on)ECBEICIBIB+-VBE(on)為發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓，工程上一般?。汗韫躒BE(on)= 0.7V鍺管VBE(on)= 0.25V第12頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三 三極管參數(shù)的溫度特性 溫度每升高1C， / 增大（0.5 1）%，即： 溫度每升高1 C ，VBE(on) 減?。? 2.5）mV,即： 溫度每升高10 C ，ICBO 增大一倍，即： 第13頁(yè)，共51

7、頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三PNN+V1V2R2R12.2 晶體三極管的其它工作模式 飽和模式 ( E結(jié)正偏，C結(jié)正偏)- +IFFIF+ -IRRIRIE= IF-RIRICIC= FIF - IRIE 結(jié)論：三極管失去正向受控作用。第14頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三 飽和模式直流簡(jiǎn)化電路模型ECBETICIB共發(fā)射極通常，飽和壓降VCE(sat) 硅管VCE(sat) 0.3V鍺管VCE(sat) 0.1V電路模型VBE+-ECBEICIB+-VCE(sat)直流簡(jiǎn)化電路模型VBE(on)ECBEICIB+-+-VCE(sat)若忽略飽和壓

8、降，三極管輸出端近似短路。即三極管工作于飽和模式時(shí)，相當(dāng)于開關(guān)閉合。 第15頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三 截止模式 ( E結(jié)反偏，C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(shí)，相當(dāng)于開關(guān)斷開。 ECBETICIB共發(fā)射極電路模型VBE+-ECBEICIB 截止模式直流簡(jiǎn)化電路模型直流簡(jiǎn)化電路模型ECBEIC 0IB 0第16頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三2.3 埃伯爾斯莫爾模型 埃伯爾斯莫爾模型是三極管通用模型，它適用于任何工作模式。IE= IF-RIRIC= FIF -IR 其中ECBIEIFRI

9、RICFIFIRIB第17頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三2.4 晶體三極管伏安特性曲線 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。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18頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三 輸入特性曲線VCE =0IB /AVBE /VVBE(on)0.3V10V0V(BR)BEOIEBO +ICBO VCE一定：類似二極管伏安特性。 VCE增加：正向特性曲線略右移。由于VCE=VCB+VBEWBW

10、BEBC基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)注：VCE0.3V后，曲線移動(dòng)可忽略不計(jì)。因此當(dāng)VBE一定時(shí)：VCEVCB 復(fù)合機(jī)會(huì) IB 曲線右移。第19頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三 輸出特性曲線 飽和區(qū)（ VBE 0.7V，VCE0.3V）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）第21頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三在考慮三極管基區(qū)寬度調(diào)

11、制效應(yīng)時(shí)，電流IC的修正方程：基寬WB越小調(diào)制效應(yīng)對(duì)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(shí)，ICVCE0輸出曲線不再等間隔平行上移。第22頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三 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(shí)

12、，仍滿足第23頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三 擊穿區(qū)特點(diǎn)：VCE增大到一定值時(shí)，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(shí)，擊穿電壓為V(BR)CEOIE = 0時(shí)，擊穿電壓為V(BR)CBOV(BR)CBO V(BR)CEOIC /mAVCE /V0IB = 40 A30 A20 A10 A0IB = -ICBO (IE = 0)V(BR)CBO第24頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三 三極管安全工作區(qū)ICVCE0V(BR)CEOICMPCM 最大允許集電極電流ICM（若ICI

13、CM 造成 ） 反向擊穿電壓V(BR)CEO（若VCEV(BR)CEO 管子擊穿）VCE PCM 燒管）PCPCM 要求IC ICM 第25頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三 放大電路小信號(hào)運(yùn)用時(shí)，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(hào)（或微變）電路模型。2.5 晶體三極管小信號(hào)電路模型 三極管作為四端網(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(hào)電路模型。第26頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三 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)

14、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第27頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三 混合型小信號(hào)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(shí)，可忽略結(jié)電容影響，因此低頻混電路模型簡(jiǎn)化為：rbercerbbbcegmvbebibic第28頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三 小信號(hào)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(jí)。 跨

15、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35頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三例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36頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三例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)，并計(jì)算VC。解

16、：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37頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三例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+ -VBBRBRC+ -VCC VBE(on)第38頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三2.6.2 交流分析法 小信號(hào)等效電路法(微變等效電路法) 分析電路加交流輸入信號(hào)后，疊加在Q點(diǎn)上的電壓與電流變化量之

17、間的關(guān)系。 在交流通路基礎(chǔ)上，將三極管用小信號(hào)電路模型代替得到的線性等效電路即小信號(hào)等效電路。利用該等效電路分析Av 、Ri 、Ro的方法即小信號(hào)等效電路法。交流通路: 即交流信號(hào)流通的路徑。它是將直流電源短路、耦合、旁路電容短路時(shí)對(duì)應(yīng)的電路。 第39頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三小信號(hào)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(hào)電路模型代替三極管，得小信號(hào)等效電路。 利用小信號(hào)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(hào)等效電路只能用來分析交流量的變化規(guī)律及動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，不能分析靜態(tài)工作點(diǎn)。第40頁(yè)，共5

18、1頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三例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, 并計(jì)算vo。virbeibibicRB+ -RCRLvo+ -viibicRBRC+ -RL+ -vovi+ -iBVBBiCVCCRBRC+ -+ -RLC1C25k第41頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三 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

19、，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(shí)在輸入信號(hào)過小時(shí)作圖精確度降低。第42頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三例6 輸入正弦信號(hào)時(shí)，畫各極電壓與電流的波形。tvBE0QvBEiB0iCvCE0QtiBIBQiCtICQtvCE0-1/RLVCEQibvi+ -iBVBBiCVCCRBRC+-vBE+ -vCE+ -+ -RLC1C2第43頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三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

20、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(dòng)態(tài)范圍增加。消除截止失真 升高Q點(diǎn): 減小RB ，增大IBQ第44頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三2.7 晶體三極管應(yīng)用原理 電流源 利用三極管放大區(qū)iB恒定時(shí)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+ -VQ+ viB恒值外電路(負(fù)載電路)該電流源不是普通意義上的電流源，因它本身不提供能量。電流源電路的輸出電流IO，由外電路中的直流電源提供。IO只受IB控制，與外電路在電流源兩端呈現(xiàn)的電壓大小幾乎無關(guān)。就這個(gè)意義而言，將其看作為電流源。 第45頁(yè)，共51頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)14分，星期三放大器的作用就是將輸入信號(hào)進(jìn)行不失真的放大。 放大器 放大原理+ -iBviiCVCCRC+ -+ -VIQvoVIQtvBE0IBQtiB0tviICQtiC0VCEQtvCE0tvo0利用ib 對(duì)ic的控制作用實(shí)現(xiàn)放大。第46頁(yè)，共51頁(yè)，2022年