模擬電子技術(shù)第二章ppt課件

1、第二章 雙極型晶體管及其放大電路,Bipolar Junction Transistor 縮寫 BJT 簡稱晶體管或三極管 雙極型 器件 兩種載流子（多子、少子,e,c,b,發(fā)射極,基極,集電極,發(fā)射結(jié),集電結(jié),基區(qū),發(fā)射區(qū),集電區(qū),N,P,N,a) NPN管的原理結(jié)構(gòu)示意圖,b) 電路符號(hào),2-1 雙極型晶體管的工作原理,base,collector,emitter,c)平面管結(jié)構(gòu)剖面圖,圖2-1 晶體管的結(jié)構(gòu)與符號(hào),解釋,三個(gè)電極 發(fā)射極，基極，集電極 發(fā)射極箭頭方向是指發(fā)射結(jié)正偏時(shí)的電流方向 三個(gè)區(qū) 發(fā)射區(qū)(重?fù)诫s)，基區(qū)(很薄)，集電區(qū)（結(jié)面積大） 兩個(gè)PN結(jié) 發(fā)射結(jié)(eb結(jié)),集電結(jié)

2、(cb結(jié),晶體管處于放大狀態(tài)的工作條件,內(nèi)部條件 發(fā)射區(qū)重?fù)诫s(故管子e、 c極不能互換) 基區(qū)很薄(幾個(gè)m) 集電結(jié)面積大 外部條件 發(fā)射結(jié)(eb結(jié))正偏 集電結(jié)(cb結(jié))反偏,2-1-1 放大狀態(tài)下晶體管中載流子的傳輸過程,C,U,圖22 晶體管內(nèi)載流子的運(yùn)動(dòng)和各極電流,2-1-1 放大狀態(tài)下晶體管中載流子的傳輸過程,圖22 晶體管內(nèi)載流子的運(yùn)動(dòng)和各極電流,動(dòng)畫演示,內(nèi)部機(jī)理,晶體管工作的內(nèi)部機(jī)理： -“非平衡載流子”的傳輸,在發(fā)射結(jié)處,以NPN為例。 eb結(jié)正偏，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)。 發(fā)射區(qū)和基區(qū)多子（電子和空穴）的相互注入。但發(fā)射區(qū)（e區(qū)）高摻雜，向P區(qū)的多子擴(kuò)散（電子）為主（IEn）,

3、另有P區(qū)向N區(qū)的多子（空穴）擴(kuò)散，故相互注入是不對(duì)稱的。擴(kuò)散(IEP)可忽略。 以上構(gòu)成了發(fā)射結(jié)電流的主體,在基區(qū)內(nèi),基區(qū)很薄。 一部分 (N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的）不平衡載流子（電子）與基區(qū)內(nèi)的空穴（多子）的復(fù)合運(yùn)動(dòng)（復(fù)合電流IBN ）。 大多數(shù)不平衡載流子連續(xù)擴(kuò)散到cb結(jié)邊緣處。 以上構(gòu)成了基極電流（ IBN）的主體,在集電結(jié)處,集電結(jié)反偏。 故 漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。 集電結(jié)（自建電場(chǎng)）對(duì)非平衡載流子（電子）的強(qiáng)烈吸引作用(收集作用）形成ICN。 另外有基區(qū)和集電區(qū)本身的少子漂移（電子和空穴），形成反向飽和漏電流ICBO,非平衡載流子傳輸三步曲(以NPN為例,發(fā)射區(qū)向基區(qū)的多子注入 (擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)）為主

4、 基區(qū)的 復(fù)合 和 繼續(xù)擴(kuò)散 集電結(jié)對(duì)非平衡載流子的收集作用（漂移為主,偏置要求,對(duì) NPN管 要求 UC UB UE,UC,UE,UB,偏置要求,對(duì) PNP管 要求 UC UB UE,UC,UE,UB,2-1-2 電流分配關(guān)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,晶體管主要功能,電流控制（current control） 電流放大（current amplify,一、直流電流放大系數(shù),一般,共射極,含義：基區(qū)每復(fù)合一個(gè)電子，就有個(gè)電子擴(kuò)散到集電區(qū)去,共基極,一般,兩者關(guān)系,二、IC、

5、IE、 IB、三者關(guān)系,若忽略 ICBO，IEP , 則,22 晶體管伏安特性曲線及參數(shù),全面描述晶體管各極電流與極間電壓關(guān)系的曲線,圖23晶體管的三種基本接法（組態(tài),a)共發(fā)射極,b)共集電極,c)共基極,221 晶體管共發(fā)射極特性曲線,一、共發(fā)射極輸出特性曲線,測(cè)量電路,共發(fā)射極輸出特性曲線：輸出電流iC與輸出電壓uCE的關(guān)系曲線(以iB為參變量,圖25 共射輸出特性曲線,u,C,E,V,5,10,15,0,1,2,3,4,i,C,m,A,動(dòng)畫演示,1. 放大區(qū),發(fā)射結(jié)正偏， 集電結(jié)反偏,2）uCE 變化對(duì) IC 的影響很小（恒流特性,1）iB 對(duì)iC 的控制作用很強(qiáng),用交流電流放大倍數(shù)來

6、描述,在數(shù)值上近似等于,問題：特性圖中=,即IC主要由IB決定，與輸出環(huán)路的外電路無關(guān),基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)(厄爾利效應(yīng),uCE,c結(jié)反向電壓,c結(jié)寬度,基區(qū)寬度,基區(qū)中電子與空穴復(fù)合的機(jī)會(huì),iC,基調(diào)效應(yīng)表明：輸出交流電阻rCE=uCE/iC,Q,UCEQ,UA(厄爾利電壓,ICQ,2. 飽和區(qū),發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于正向偏置,由于集電結(jié)正偏，不利于集電極收集電子，ICN比放大區(qū)的ICN小,1） i B 一定時(shí)，飽和區(qū)i C 比放大區(qū)的小,2）U CE一定時(shí) i B 增大，i C 基 本不變（飽和區(qū),臨界飽和：UCE = UBE，即UCB=0（C結(jié)零偏,飽和時(shí)，c、e間的電壓稱為飽和壓降，記作UC

7、E(sat,小功率Si管） UCE(sat) = 0.3V； （小功率Ge管） UCE(sat) = 0.1V,三個(gè)電極間的電壓很小，管子完全導(dǎo)通， 相當(dāng)一個(gè)開關(guān)“閉合（Turn on,3. 截止區(qū),發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于反向偏置,三個(gè)電極均為反向電流，所以數(shù)值很小。 管子不通，相當(dāng)于一個(gè)“開關(guān)”打開（Turn off,i B = -i CBO （此時(shí)i E =0 ）以下稱為截止區(qū),工程上認(rèn)為：i B =0 以下即為截止區(qū),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,EN,I,CN,I,BEO,二、共發(fā)射極輸入特性曲線,圖

8、26 共發(fā)射極輸入特性曲線,1）0 UCE 1 時(shí)，隨著 UCE 增加，曲線右移，特別在 0 UCE UCE (SAT), 即工作在飽和區(qū)時(shí)，移動(dòng)量將更大一些,2） UCE 1 時(shí)，進(jìn)入放大區(qū)，曲線近似重合,三、溫度對(duì)晶體管特性曲線的影響,T ，uBE,T ， ICBO,T ，,2-2-2 晶體管的主要參數(shù),1、電流放大系數(shù),1. 共射直流放大系數(shù),反映靜態(tài)時(shí)集電極電流與基極電流之比,2. 共射交流放大系數(shù),反映動(dòng)態(tài)時(shí)的電流放大特性,由于ICBO、ICEO 很小，因此,在以后的計(jì)算中，不必區(qū)分,4.共基交流放大系數(shù),3.共基直流放大系數(shù),由于ICBO、ICEO 很小，因此,在以后的計(jì)算中，不必

9、區(qū)分,2 極間反向電流,極間反向電流 是指管子各電極之間的反向漏電流參數(shù),C、B間反向飽和漏電流,發(fā)射極開路時(shí)，集電極基極間的反向電流，稱為集電極反向飽和電流,管子C、E間反向飽和漏電流,基極開路時(shí)，集電極發(fā)射極間的反向電流，稱為集電極穿透電流,管子反向飽和漏電流,硅管比鍺管小。 此值與本征激發(fā)有關(guān)。 取決于溫度特性（少子特性,3、 結(jié)電容,發(fā)射結(jié)電容Ce 集電結(jié)電容Cc,4.極限參數(shù),使用時(shí)不應(yīng)超過管子的極限參數(shù)值。否則使用時(shí)可能損壞,3 D G 6 C 規(guī)格號(hào) 序號(hào) 高頻小功率 NPN型硅材料 三極管 U(BR)CBO =115V,U(BR)CEO =60V，U(BR)EBO=8V,1）反

10、向擊穿電壓,2）集電極最大允許電流,ICM 留有一定的余量。 ICM 指下降到額定值的2/3時(shí) 的IC值,3）集電極最大允許功耗PCM,圖27 晶體管的安全工作區(qū),功耗線,23 晶體管工作狀態(tài)分析及偏置電路,應(yīng)用晶體管時(shí)，首先要將晶體管設(shè)置在合適的工作區(qū)間，如進(jìn)行語音放大需將晶體管設(shè)置在放大區(qū)，如應(yīng)用在數(shù)字電路，則晶體管工作在飽和區(qū)或截止區(qū),因此，如何設(shè)置和分析晶體管的工作狀態(tài)是晶體管應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵,231 晶體管的直流模型,由外電路偏置的晶體管，其各極直流電流和極間直流電壓所對(duì)應(yīng)的伏安特性曲線上的一個(gè)點(diǎn),靜態(tài)工作點(diǎn)（簡稱Q點(diǎn),靜態(tài)工作電壓、電流。在下標(biāo)再加個(gè)Q表示，如IBQ、UBEQ、ICQ

11、、UCEQ,a) 輸入特性近似,圖28晶體管伏安特性曲線的折線近似,0,u,CE,i,C,U,CE(sat,I,B,0,b) 輸出特性近似,飽和區(qū),放大區(qū),截止區(qū),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,圖29晶體管三種狀態(tài)的直流模型 (a)截止?fàn)顟B(tài)模型；(b)放大狀態(tài)模型；(c)飽和狀態(tài)模型,例1 晶體管電路如圖210(a)所示。若已知晶體管工作在放大狀態(tài)，=100，試計(jì)算晶體管的IBQ，ICQ和UCEQ,b)直流等效電路,圖210晶體管直流電路分析,e,R,B,U,BE(on,b,I,B,Q,I,B,Q,c,I,C,

12、Q,U,CC,R,C,U,CE,Q,U,BB,解 因?yàn)閁BB使e結(jié)正偏，UCC使c結(jié)反偏，所以晶體管可以工作在放大狀態(tài)。這時(shí)用圖29(b)的模型代替晶體管，便得到圖2-10(b)所示的直流等效電路。由圖可知,故有,例2：若UBB從零增加，說明晶體管的工作區(qū)間以及IBQ、ICQ、UCEQ的變化情況,當(dāng)UBB從00.7V之間時(shí)，兩個(gè)結(jié)都反偏，管子進(jìn)入截止區(qū)。IBQ=ICQ0。UCEQUCC,分析,當(dāng)UBB繼續(xù)增大，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)發(fā)偏，管子進(jìn)入放大區(qū)。隨著IBQ的增大，ICQ=IBQ也增大。UCEQ=UCC- ICQRC不斷下降,當(dāng)UBB增大到UCEQUBEQ時(shí)，集電結(jié) 正偏，管子進(jìn)入飽和區(qū)。此

13、時(shí)，IBQ的增加，不能引起ICQ的增加。UCEQ UCE（sat） 0 ，ICQ UCC/RC,232 晶體管工作狀態(tài)分析,UBB-UEEUBE(on) 且UBBUCC， 則晶體管截止,1、首先判斷晶體管是否截止,此時(shí)：IB=IC=IE=0， UBE=UBB-UEE， UCE=UCC-UEE,2.再判斷晶體管是處于放大狀態(tài)還是飽和狀態(tài),若UBB-UEEUBE(on) 則發(fā)射結(jié)正偏，下面關(guān)鍵是判斷集電結(jié)是 正偏還是反偏,若假定為放大狀態(tài)：則直流等效電路如圖2-11(b)所示,圖2-11(b) 放大狀態(tài)下的等效電路,UBB - UEE - UBE(on) =IBQRB+(1+)IBQRE,方法1,

14、則晶體管處于放大狀態(tài),則晶體管處于飽和狀態(tài),方法2,則晶體管處于放大狀態(tài),則晶體管處于飽和狀態(tài),圖211晶體管直流分析的一般性電路,R,B,U,BB,R,C,U,CC,U,EE,R,E,U,BE(on,c)飽和狀態(tài)下的等效電路,U,CE(sat,晶體管處于飽和狀態(tài)時(shí),例2 晶體管電路及其輸入電壓ui的波形如圖2-12(a),(b)所示。已知=50，試求ui作用下輸出電壓uo的值，并畫出波形圖,a)電路,圖212例題2電路及ui,uo波形圖,50,解:當(dāng)ui=0時(shí)，UBE=0，則晶體管截止。此時(shí)，ICQ=0,uo=UCEQ=UCC=5V。當(dāng)ui =3V時(shí)，晶體管導(dǎo)通且有,而集電極臨界飽和電流為,

15、因?yàn)?所以晶體管處于飽和,ICQIC(sat)=1.4mA,uo=UCEQ=UCE(sat)=0.3V,uo波形如圖212(c)所示,補(bǔ)充例題1電路,補(bǔ)充例題1 晶體管電路如下圖所示。已知=100，試判斷晶體管的工作狀態(tài),1.先判斷晶體管是否處于截止?fàn)顟B(tài),晶體管不處于截止?fàn)顟B(tài),2.再判斷晶體管是處于放大狀態(tài)還是飽和狀態(tài),UBB - UBE(on) =IBQRB+(1+)IBQRE,晶體管處于放大狀態(tài),補(bǔ)充例題2電路,補(bǔ)充例題2 晶體管電路如下圖所示。已知=100，試判斷晶體管的工作狀態(tài),1.先判斷晶體管是否處于截止?fàn)顟B(tài),晶體管不處于截止?fàn)顟B(tài),2.再判斷晶體管是處于放大狀態(tài)還是飽和狀態(tài),UBB

16、- UBE(on) =IBQRB,晶體管不可能處于放大區(qū)，而應(yīng)工作在飽和區(qū),233 放大狀態(tài)下的偏置電路,電路形式簡單,偏置下的工作點(diǎn)在環(huán)境溫度變化或更換管子時(shí)，應(yīng)力求保持穩(wěn)定，應(yīng)始終保持在放大區(qū),對(duì)信號(hào)的傳輸損耗應(yīng)盡可能小,一、固定偏流電路,圖213固定偏流電路,單電源供電。UEE=0，UBB由UCC提供,只要合理選擇RB，RC的阻值，晶體管將處于放大狀態(tài),圖213固定偏流電路,缺點(diǎn)：工作點(diǎn)穩(wěn)定性差；（IBQ固定，當(dāng)、ICBO等變化ICQ、UCEQ的變化工作點(diǎn)產(chǎn)生較大的漂移使管子進(jìn)入飽和或截止區(qū),優(yōu)點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡單,二、電流負(fù)反饋型偏置電路,圖214 電流負(fù)反饋型偏置電路,在固定偏置電路的發(fā)射極加一個(gè)RE電阻,若 ICQIEQ UEQ(=IEQRE),ICQ IBQ UBEQ(= UBQ -UEQ,負(fù)反饋機(jī)制,工作點(diǎn)計(jì)算式,三、分壓式偏置電路,圖215分壓式偏置電路,在電流負(fù)反饋型偏置電路的基極加一個(gè)偏置電阻RB2,為確保UB固定，應(yīng)滿足流過RB1、RB2的電流I1IBQ，這就要求RB1、RB