電工電子技術(shù)：第19講 雙極型晶體管

1、1.5 雙極型晶體管1.5.1 基本結(jié)構(gòu)和電流放大作用1.5.2 特性曲線和主要參數(shù)1.5.3 簡(jiǎn)化的小信號(hào)模型第1章上頁(yè)下頁(yè)返回1.5.1 基本結(jié)構(gòu)和電流放大作用NPN型PNP型CPNNNPPEEBB發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)基區(qū)基極發(fā)射極集電結(jié)發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)集電結(jié)集電區(qū)發(fā)射區(qū)集電極集電極C發(fā)射極基極BETCNPNBETCPNP上頁(yè)下頁(yè)翻頁(yè)返回晶體管的電流放大原理IEIBRBUBBICUCC輸入電路輸出電路公共端 晶體管具有電流放大作用的外部條件：發(fā)射結(jié)正向偏置集電結(jié)反向偏置NPN 管： UBE0 UBCVBVERCBCE共發(fā)射極放大電路第1章上頁(yè)下頁(yè)翻頁(yè)P(yáng)NP 管： UBE0即VCVBIB 或 ICI

2、B第1章上頁(yè)下頁(yè)翻頁(yè)返回晶體管起電流放大作用，必須滿足發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏的條件。3當(dāng)基極電路由于外加電壓或電阻改變而引起IB的微小變化時(shí)，必定使IC發(fā)生較大的變化。即三極管的基極電流對(duì)集電極電流具有控制作用。1.5.2 特性曲線和主要參數(shù)1.輸入特性曲線IB = f (UBE )UC E = 常數(shù)UCE1V第1章上頁(yè)下頁(yè)翻頁(yè)返回IEIBRBUBICUCCRC-UBEUCEUBE/VIB/AOO2.晶體管輸出特性曲線IC = f (UCE ) | IB = 常數(shù)IB 減小IB增加UCEICIB = 20AIB =60AIB =40A第1章上頁(yè)下頁(yè)翻頁(yè)返回IEIBRBUBICUCCRC-UBE

3、UCE晶體管輸出特性曲線分三個(gè)工作區(qū)UCE /VIC / mA806040 0 IB= 20 AO24681234截止區(qū)飽和區(qū)放大區(qū)第1章上頁(yè)下頁(yè)翻頁(yè)返回 晶體管三個(gè)工作區(qū)的特點(diǎn):放大區(qū):截止區(qū):飽和區(qū):發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)反偏有電流放大作用, IC=IB輸出曲線具有恒流特性發(fā)射結(jié)、集電結(jié)處于反偏失去電流放大作用, IC0晶體管C、E之間相當(dāng)于開路發(fā)射結(jié)、集電結(jié)處于正偏失去線性放大作用晶體管C、E之間相當(dāng)于短路第1章上頁(yè)下頁(yè)翻頁(yè)返回 3.主要參數(shù)集電極基極間反向飽和電流 ICBO集電極發(fā)射極間穿透電流 ICEOICEO=(1+)ICBO交流電流放大系數(shù)=IC / IB第1章上頁(yè)下頁(yè)直流電流放大系

4、數(shù)=IC / IB 電流放大系數(shù) 極間反向飽和電流翻頁(yè)返回ICEOCBEAAICBOCEB集電極最大允許電流 ICM集-射反向擊穿電壓 U(BR)CEO集電極最大允許耗散功率 PCM過(guò)壓區(qū)過(guò)流區(qū)安全工作區(qū)過(guò)損區(qū)PCM=ICUCEUCE/VU(BR)CEOIC/mAICMO使用時(shí)不允許超過(guò)這些極限參數(shù).第1章上頁(yè)下頁(yè)翻頁(yè) 極限參數(shù)返回 溫度對(duì)晶體管特性的影響對(duì)輸入特性的影響上頁(yè)下頁(yè)翻頁(yè)返回對(duì)晶體管輸出特性的影響上頁(yè)下頁(yè)翻頁(yè)返回 光電三極管上頁(yè)下頁(yè)翻頁(yè)返回 光電三極管的輸出特性曲線用途：光電信號(hào)傳輸、系統(tǒng)隔離等上頁(yè)下頁(yè)翻頁(yè)返回1.6 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.6.1 基本結(jié)構(gòu)和工作原理第1章上頁(yè)下頁(yè)返

5、回1.6.2 特性曲線和主要參數(shù)概述第1章上頁(yè)下頁(yè)返回翻頁(yè) 場(chǎng)效應(yīng)晶體管是利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制電流的一種半導(dǎo)體器件，其中絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的應(yīng)用最為廣泛，這種場(chǎng)效應(yīng)管又稱為金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOS）。P溝道增強(qiáng)型耗盡型N溝道增強(qiáng)型耗盡型 按其導(dǎo)電類型可將場(chǎng)效應(yīng)晶體管分為N溝道和P溝道兩種，按其導(dǎo)電溝道的形成過(guò)程可分為耗盡型和增強(qiáng)型兩種。 因而就出現(xiàn)了四種不同形式的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，它們是：1.6.1 基本結(jié)構(gòu)和工作原理1.結(jié)構(gòu)BG柵極D漏極SiO2BDGSP型硅襯底S源極N溝道增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)示意圖圖形符號(hào)第1章上頁(yè)下頁(yè)返回N+N+翻頁(yè)2.工作原理 D與S之間是兩個(gè)PN結(jié)反向串聯(lián)，無(wú)論D與S之間

6、加什么極性的電壓，漏極電流均接近于零。(1) UGS =0結(jié)構(gòu)示意圖襯底引線BUDSID = 0GDSP型硅襯底SiO2柵源電壓對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用第1章上頁(yè)下頁(yè)N+N+翻頁(yè)返回SD(2) 0 UGS UGS(th) 柵極下P型半導(dǎo)體表面形成N型導(dǎo)電溝道。 當(dāng)D、S加上正向電壓后可產(chǎn)生漏極電流ID 。 N+N+SiO2GDS耗盡層BP型硅襯底UGSN型導(dǎo)電溝道ID第1章上頁(yè)下頁(yè)翻頁(yè)返回UDS由上述討論可知: UGS愈大，導(dǎo)電溝道愈厚,在UDS電壓作用下,電流ID愈 大。即通過(guò)改變電壓UGS的大小可以改變漏極電流ID的 大小。 需要柵極電壓UGS的增加到一定值，導(dǎo)電溝道才形成 的場(chǎng)效管稱為增強(qiáng)型

7、場(chǎng)效應(yīng)管。 場(chǎng)效應(yīng)管只有一種載流子參與導(dǎo)電,故稱為單極型晶 體管。普通晶體管中空穴和電子兩種載流子參與導(dǎo)電 稱之為雙極型晶體管。上頁(yè)第1章翻頁(yè)返回下頁(yè)上頁(yè)第1章翻頁(yè)返回下頁(yè) 0UDS/v10201234ID / mAUGS = 0 VUGS = -1 VUGS = -2 VUGS = 1 V可變電阻區(qū) 線性放大區(qū)N溝道耗盡型MOS管的特性曲線ID/mA0UGS/V-212UDS = 10 VIDSS輸出特性轉(zhuǎn)移特性1.6.2 特性曲線和主要參數(shù)UGS(off) UGSID=IDSS(1)2上頁(yè)第1章翻頁(yè)返回下頁(yè)增強(qiáng)型MOS管的轉(zhuǎn)移特性NMOS管PMOS管UGS 0IDUGS（th）UGS 0I

8、DUGS（th）ID=IDO( 1)2 UGS UGS(th) gm=ID / UGS UDS =常數(shù)跨導(dǎo)主要參數(shù)上頁(yè)第1章翻頁(yè)返回下頁(yè)夾斷電壓UGS(off)：是耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管當(dāng)ID為一微小電流時(shí)的柵源電壓。*最大漏源擊穿電壓U(BR)DS:漏極和源極之間的擊穿電壓。*最大漏極電流IDM，最大耗散功率PDM 。*低頻跨導(dǎo)gm：在UDS為某一固定值時(shí)，漏極電流的微小變化和相應(yīng)的柵源輸入電壓變化量之比。*柵源直流輸入電阻RGS：柵源電壓和柵極電流的比值。*開啟電壓UGS(th)：是增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管當(dāng)漏源之間出現(xiàn)導(dǎo)電溝道時(shí)的柵源電壓。*飽和漏電流IDSS：耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管在UGS=0的情況下，當(dāng)漏源電

9、壓大于夾斷電壓時(shí)的漏極電流。* 場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管的比較 電流控制 電壓控制 控制方式電子和空穴兩種載流子同時(shí)參與導(dǎo)電載流子電子或空穴中一種載流子參與導(dǎo)電類 型 NPN和PNP N溝道和P溝道放大參數(shù)20020=bmA/V51m=g rce很高 rds很高 輸出電阻輸入電阻W421010較低W1471010較高 雙極型三極管 單極型場(chǎng)效應(yīng)管熱穩(wěn)定性 差 好制造工藝 較復(fù)雜 簡(jiǎn)單，成本低對(duì)應(yīng)電極 BEC GSD第三章 分立元件放大電路3.1 共發(fā)射極放大電路3.2 共集電極放大電路3.3 共源極放大電路放大的概念: 放大的目的是將微弱的變化信號(hào)放大成較大的信號(hào)。 放大的實(shí)質(zhì): 用小能量的信號(hào)通過(guò)三

10、極管的電流控制作用，將放大電路中直流電源的能量轉(zhuǎn)化成交流能量輸出。 對(duì)放大電路的基本要求 ： 1. 要有足夠的放大倍數(shù)(電壓、電流、功率)。 2. 盡可能小的波形失真。 另外還有輸入電阻、輸出電阻、通頻帶等其它技術(shù)指標(biāo)。 本章主要討論電壓放大電路，簡(jiǎn)單介紹功率放大電路。RBVCCVBBRCC1C2T+uiuo偏置電阻集電極負(fù)載電阻耦合電容直流電源公共端放大元件31 共發(fā)射極放大電路一、放大電路組成 1. 組成原則 共發(fā)射極基本電路VCCRSesRBVBBRCC1C2T+RL+ui+uo+uBEuCEiCiBiE2. 基本放大電路各元件作用 晶體管T-放大元件, iC= iB。要保證集電結(jié)反偏,

11、發(fā)射結(jié)正偏,使晶體管工作在放大區(qū) ?；鶚O電源VBB與基極電阻RB-使發(fā)射結(jié)處于正偏，并提供大小適當(dāng)?shù)幕鶚O電流。共發(fā)射極基本電路VCCRSesRBVBBRCC1C2T+RL+ui+uo+uBEuCEiCiBiE集電極電源VCC -為電路提供能量。并保證集電結(jié)反偏。集電極電阻RC-將變化的電流轉(zhuǎn)變?yōu)樽兓碾妷?。耦合電容C1 、C2 -隔離輸入、輸出與放大電路直流的聯(lián)系，同時(shí)使信號(hào)順利輸入、輸出。信號(hào)源負(fù)載共發(fā)射極基本電路VCCRSesRBVBBRCC1C2T+RL+ui+uo+uBEuCEiCiBiE單電源供電時(shí)常用的畫法共發(fā)射極基本電路+UCCRSesRBRCC1C2T+RLui+uo+uBEu

12、CEiCiBiEVCCRSesRBVBBRCC1C2T+RL+ui+uo+uBEuCEiCiBiE3. 共射放大電路的電壓放大作用UBEIBICUCE無(wú)輸入信號(hào)(ui = 0)時(shí): uo = 0uBE = UBEuCE = UCE+UCCRBRCC1C2T+ui+uo+uBEuCEiCiBiEuBEtOiBtOiCtOuCEtOICUCEOIBUBEO結(jié)論： (1) 無(wú)輸入信號(hào)電壓時(shí)，三極管各電極都是恒定的 電壓和電流:IB、UBE和 IC、UCE 。 (IB、UBE) 和(IC、UCE)分別對(duì)應(yīng)于輸入、輸出特性曲線上的一個(gè)點(diǎn)，稱為靜態(tài)工作點(diǎn)。QIBUBEQUCEICUBEIB無(wú)輸入信號(hào)(ui

13、 = 0)時(shí): uo = 0uBE = UBEuCE = UCE？有輸入信號(hào)(ui 0)時(shí) uCE = UCC iC RC uo 0uBE = UBE+ uiuCE = UCE+ uoIC+UCCRBRCC1C2T+ui+uo+uBEuCEiCiBiEuBEtOiBtOiCtOuCEtOuitOUCEuotO結(jié)論：(2) 加上輸入信號(hào)電壓后，各電極電流和電壓的大 小均發(fā)生了變化，都在直流量的基礎(chǔ)上疊加了 一個(gè)交流量，但方向始終不變。+集電極電流直流分量交流分量動(dòng)態(tài)分析iCtOiCtICOiCticO靜態(tài)分析結(jié)論：(3) 若參數(shù)選取得當(dāng)，輸出電壓可比輸入電壓大， 即電路具有電壓放大作用。(4)

14、輸出電壓與輸入電壓在相位上相差180， 即共發(fā)射極電路具有反相作用。uitOuotO1. 實(shí)現(xiàn)放大的條件 (1) 晶體管必須工作在放大區(qū)。發(fā)射結(jié)正偏，集 電結(jié)反偏。(2) 正確設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)，使晶體管工作于放大 區(qū)。(3) 輸入回路將變化的電壓轉(zhuǎn)化成變化的基極電 流。(4) 輸出回路將變化的集電極電流轉(zhuǎn)化成變化的 集電極電壓，經(jīng)電容耦合只輸出交流信號(hào)。二、共發(fā)射極放大電路的定性分析2. 直流通路和交流通路 因電容對(duì)交、直流的作用不同。在放大電路中如果電容的容量足夠大，可以認(rèn)為它對(duì)交流分量阻抗很小，即對(duì)交流短路。而對(duì)直流可以看成開路。這樣，交直流所走的通路是不同的。直流通路：無(wú)輸入信號(hào)時(shí)電流（直流電流）的通路， 用來(lái)計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)。交流通路：有輸入信號(hào)時(shí)交流分量（變化量）的通路， 用來(lái)計(jì)算電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、 輸出電阻等動(dòng)態(tài)參數(shù)。例：畫出下圖放大電路的直流通路直流通路直流通路用來(lái)計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)Q ( IB 、 IC 、 UCE )對(duì)直流信號(hào)電容 C 可看作開路（即將電容斷開）斷開斷開+UCCRBRCT+UBEUC