模拟电子技术第二章.ppt

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1、第二章 双极型晶体管及其放大电路,Bipolar Junction Transistor 缩写 BJT 简称晶体管或三极管 双极型 器件 两种载流子（多子、少子）,e,c,b,发射极,基极,集电极,发射结,集电结,基区,发射区,集电区,N+,P,N,(a) NPN管的原理结构示意图,(b) 电路符号,2-1 双极型晶体管的工作原理,base,collector,emitter,(c)平面管结构剖面图,图2-1 晶体管的结构与符号,解释,三个电极 发射极，基极，集电极 发射极箭头方向是指发射结正偏时的电流方向 三个区 发射区(重掺杂)，基区(很薄)，集电区（结面积大） 两个PN结 发射结(eb结

2、),集电结(cb结),晶体管处于放大状态的工作条件,内部条件 发射区重掺杂(故管子e、 c极不能互换) 基区很薄(几个m) 集电结面积大 外部条件 发射结(eb结)正偏 集电结(cb结)反偏,2-1-1 放大状态下晶体管中载流子的传输过程,C,U,图22 晶体管内载流子的运动和各极电流,2-1-1 放大状态下晶体管中载流子的传输过程,图22 晶体管内载流子的运动和各极电流,动画演示,内部机理,晶体管工作的内部机理： -“非平衡载流子”的传输,在发射结处,以NPN为例。 eb结正偏，扩散运动漂移运动。 发射区和基区多子（电子和空穴）的相互注入。但发射区（e区）高掺杂，向P区的多子扩散（电子）为主

3、（IEn）,另有P区向N区的多子（空穴）扩散，故相互注入是不对称的。扩散(IEP)可忽略。 以上构成了发射结电流的主体。,在基区内,基区很薄。 一部分 (N区扩散到P区的）不平衡载流子（电子）与基区内的空穴（多子）的复合运动（复合电流IBN ）。 大多数不平衡载流子连续扩散到cb结边缘处。 以上构成了基极电流（ IBN）的主体。,在集电结处,集电结反偏。 故 漂移运动扩散运动。 集电结（自建电场）对非平衡载流子（电子）的强烈吸引作用(收集作用）形成ICN。 另外有基区和集电区本身的少子漂移（电子和空穴），形成反向饱和漏电流ICBO 。,非平衡载流子传输三步曲(以NPN为例),发射区向基区的多子

4、注入 (扩散运动）为主 基区的 复合 和 继续扩散 集电结对非平衡载流子的收集作用（漂移为主）,偏置要求,对 NPN管 要求 UC UB UE,UC,UE,UB,偏置要求,对 PNP管 要求 UC UB UE,UC,UE,UB,2-1-2 电流分配关系,c,I,C,e,I,E,N,P,N,I,B,R,C,U,CC,U,BB,R,B,I,CBO,15V,b,I,BN,I,EP,I,EN,I,CN,晶体管主要功能:,电流控制（current control） 电流放大（current amplify）,一、直流电流放大系数：,一般,共射极,含义：基区每复合一个电子，就有个电子扩散到集电区去。,共基

5、极,一般,两者关系：,二、IC、 IE、 IB、三者关系：,若忽略 ICBO，IEP , 则,22 晶体管伏安特性曲线及参数,全面描述晶体管各极电流与极间电压关系的曲线。,图23晶体管的三种基本接法（组态）,(a)共发射极；,(b)共集电极；,(c)共基极,221 晶体管共发射极特性曲线,一、共发射极输出特性曲线,测量电路,共发射极输出特性曲线：输出电流iC与输出电压uCE的关系曲线(以iB为参变量),图25 共射输出特性曲线,u,C,E,/,V,5,10,15,0,1,2,3,4,i,C,/,m,A,动画演示,1. 放大区,发射结正偏， 集电结反偏,（2）uCE 变化对 IC 的影响很小（恒

6、流特性）,（1）iB 对iC 的控制作用很强。,用交流电流放大倍数来描述：,在数值上近似等于,问题：特性图中=？,即IC主要由IB决定，与输出环路的外电路无关。,基区宽度调制效应(厄尔利效应),uCE,c结反向电压,c结宽度,基区宽度,基区中电子与空穴复合的机会,iC ,基调效应表明：输出交流电阻rCE=uCE/iC,Q,UCEQ,UA(厄尔利电压),ICQ,2. 饱和区,发射结和集电结均处于正向偏置。,由于集电结正偏，不利于集电极收集电子，ICN比放大区的ICN小。,（1） i B 一定时，饱和区i C 比放大区的小,（2）U CE一定时 i B 增大，i C 基 本不变（饱和区）,临界饱和

7、：UCE = UBE，即UCB=0（C结零偏）。,饱和时，c、e间的电压称为饱和压降，记作UCE(sat)。,（小功率Si管） UCE(sat) = 0.3V； （小功率Ge管） UCE(sat) = 0.1V。,三个电极间的电压很小，管子完全导通， 相当一个开关“闭合（Turn on）”。,3. 截止区,发射结和集电结均处于反向偏置,三个电极均为反向电流，所以数值很小。 管子不通，相当于一个“开关”打开（Turn off）。,i B = -i CBO （此时i E =0 ）以下称为截止区。,工程上认为：i B =0 以下即为截止区。,c,I,C,e,I,E,N,P,N,I,B,R,C,U,C

8、C,U,BB,R,B,I,CBO,15V,b,I,BN,I,EN,I,CN,I,BEO,二、共发射极输入特性曲线,图26 共发射极输入特性曲线,（1）0 UCE 1 时，随着 UCE 增加，曲线右移，特别在 0 UCE UCE (SAT), 即工作在饱和区时，移动量将更大一些。,（2） UCE 1 时，进入放大区，曲线近似重合。,三、温度对晶体管特性曲线的影响,T ，uBE：,T ， ICBO ：,T ， ：,2-2-2 晶体管的主要参数,1、电流放大系数,1. 共射直流放大系数,反映静态时集电极电流与基极电流之比。,2. 共射交流放大系数,反映动态时的电流放大特性。,由于ICBO、ICEO

9、很小，因此,在以后的计算中，不必区分。,4.共基交流放大系数,3.共基直流放大系数,由于ICBO、ICEO 很小，因此,在以后的计算中，不必区分。,2 极间反向电流,极间反向电流 是指管子各电极之间的反向漏电流参数。,C、B间反向饱和漏电流,发射极开路时，集电极基极间的反向电流，称为集电极反向饱和电流。, 管子C、E间反向饱和漏电流,基极开路时，集电极发射极间的反向电流，称为集电极穿透电流。,管子反向饱和漏电流,硅管比锗管小。 此值与本征激发有关。 取决于温度特性（少子特性）。,3、 结电容,发射结电容Ce 集电结电容Cc,4.极限参数,使用时不应超过管子的极限参数值。否则使用时可能损坏。,3

10、 D G 6 C 规格号 序号 高频小功率 NPN型硅材料 三极管 U(BR)CBO =115V,U(BR)CEO =60V，U(BR)EBO=8V。,（1）反向击穿电压,（2）集电极最大允许电流,ICM 留有一定的余量。 ICM 指下降到额定值的2/3时 的IC值。,（3）集电极最大允许功耗PCM,图27 晶体管的安全工作区,功耗线,23 晶体管工作状态分析及偏置电路,应用晶体管时，首先要将晶体管设置在合适的工作区间，如进行语音放大需将晶体管设置在放大区，如应用在数字电路，则晶体管工作在饱和区或截止区。,因此，如何设置和分析晶体管的工作状态是晶体管应用的一个关键。,231 晶体管的直流模型,

11、由外电路偏置的晶体管，其各极直流电流和极间直流电压所对应的伏安特性曲线上的一个点。,静态工作点（简称Q点）：,静态工作电压、电流。在下标再加个Q表示，如IBQ、UBEQ、ICQ、UCEQ,(a) 输入特性近似,图28晶体管伏安特性曲线的折线近似,0,u,CE,i,C,U,CE(sat),I,B, 0,(b) 输出特性近似,饱和区,放大区,截止区,(,a,),e,b,c,(,b,),e,b,c,I,B,I,B,U,BE(on),(,c,),e,b,c,U,BE(on),U,CE(sat),图29晶体管三种状态的直流模型 (a)截止状态模型；(b)放大状态模型；(c)饱和状态模型,例1 晶体管电路

12、如图210(a)所示。若已知晶体管工作在放大状态，=100，试计算晶体管的IBQ，ICQ和UCEQ。,(b)直流等效电路,图210晶体管直流电路分析,e,R,B,U,BE(on),b,I,B,Q,I,B,Q,c,I,C,Q,U,CC,R,C,U,CE,Q,U,BB,解 因为UBB使e结正偏，UCC使c结反偏，所以晶体管可以工作在放大状态。这时用图29(b)的模型代替晶体管，便得到图2-10(b)所示的直流等效电路。由图可知,故有,例2：若UBB从零增加，说明晶体管的工作区间以及IBQ、ICQ、UCEQ的变化情况？,当UBB从00.7V之间时，两个结都反偏，管子进入截止区。IBQ=ICQ0。UC

13、EQUCC。,分析：,当UBB继续增大，发射结正偏，集电结发偏，管子进入放大区。随着IBQ的增大，ICQ=IBQ也增大。UCEQ=UCC- ICQRC不断下降。,当UBB增大到UCEQUBEQ时，集电结 正偏，管子进入饱和区。此时，IBQ的增加，不能引起ICQ的增加。UCEQ UCE（sat） 0 ，ICQ UCC/RC。,232 晶体管工作状态分析,UBB-UEEUBE(on) 且UBBUCC， 则晶体管截止,1、首先判断晶体管是否截止：,此时：IB=IC=IE=0， UBE=UBB-UEE， UCE=UCC-UEE。,2.再判断晶体管是处于放大状态还是饱和状态：,若UBB-UEEUBE(o

14、n) 则发射结正偏，下面关键是判断集电结是 正偏还是反偏。,若假定为放大状态：则直流等效电路如图2-11(b)所示，,图2-11(b) 放大状态下的等效电路, UBB - UEE - UBE(on) =IBQRB+(1+)IBQRE,方法1：,则晶体管处于放大状态；,则晶体管处于饱和状态；,方法2：,则晶体管处于放大状态；,则晶体管处于饱和状态；,图211晶体管直流分析的一般性电路,R,B,U,BB,R,C,U,CC,U,EE,R,E,U,BE(on),(c)饱和状态下的等效电路,U,CE(sat),晶体管处于饱和状态时：,例2 晶体管电路及其输入电压ui的波形如图2-12(a),(b)所示。

15、已知=50，试求ui作用下输出电压uo的值，并画出波形图。,(a)电路,图212例题2电路及ui,uo波形图,=50,解:当ui=0时，UBE=0，则晶体管截止。此时，ICQ=0,uo=UCEQ=UCC=5V。当ui =3V时，晶体管导通且有,而集电极临界饱和电流为,因为,所以晶体管处于饱和。,ICQIC(sat)=1.4mA，,uo=UCEQ=UCE(sat)=0.3V。,uo波形如图212(c)所示。,补充例题1电路,补充例题1 晶体管电路如下图所示。已知=100，试判断晶体管的工作状态。,1.先判断晶体管是否处于截止状态：,晶体管不处于截止状态；,2.再判断晶体管是处于放大状态还是饱和状

16、态：, UBB - UBE(on) =IBQRB+(1+)IBQRE,晶体管处于放大状态；,补充例题2电路,补充例题2 晶体管电路如下图所示。已知=100，试判断晶体管的工作状态。,1.先判断晶体管是否处于截止状态：,晶体管不处于截止状态；,2.再判断晶体管是处于放大状态还是饱和状态：, UBB - UBE(on) =IBQRB,晶体管不可能处于放大区，而应工作在饱和区；,233 放大状态下的偏置电路,电路形式简单,偏置下的工作点在环境温度变化或更换管子时，应力求保持稳定，应始终保持在放大区。,对信号的传输损耗应尽可能小,一、固定偏流电路,图213固定偏流电路,单电源供电。UEE=0，UBB由

17、UCC提供,只要合理选择RB，RC的阻值，晶体管将处于放大状态。,图213固定偏流电路,缺点：工作点稳定性差；（IBQ固定，当、ICBO等变化ICQ、UCEQ的变化工作点产生较大的漂移使管子进入饱和或截止区）,优点：电路结构简单。,二、电流负反馈型偏置电路,图214 电流负反馈型偏置电路,在固定偏置电路的发射极加一个RE电阻,若 ICQIEQ UEQ(=IEQRE) ,ICQ IBQ UBEQ(= UBQ -UEQ),负反馈机制,工作点计算式：,三、分压式偏置电路,图215分压式偏置电路,在电流负反馈型偏置电路的基极加一个偏置电阻RB2。,为确保UB固定，应满足流过RB1、RB2的电流I1IBQ，这就要求RB1、RB2的取值愈小愈好。但是RB1 、 RB2过小，将增大电源UCC的无谓损耗，因此要二者兼顾。通常选取,并兼顾UCEQ而取,分析：电路的基极与地之间用戴维南定理等效,图215分压式偏置电路,其中 RB=RB1RB2,工作点计算：,例3 电路如图215(a)所示。已知=100, UCC=12V,RB1=39k,RB2=25k,RC=RE=2k，试计算工作点ICQ和UCEQ。,解：,=100, UCC=12V, RB1=39k, RB2=25k, RC=RE=2k,若按估算法直接求ICQ，则：,若增加，工作点是否发生改变？设=150。,