電子線路高教第四電子課件六

第2章晶體三極管概述2.1放大模式下晶體三極管的工作原理2.2晶體三極管的其他工作模式2.3埃伯爾斯—莫爾模型2.4晶體三極管伏安特性曲線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2.7晶體三極管的應(yīng)用原理概述三極管結(jié)構(gòu)及電路符號發(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章晶體三極管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1)發(fā)射區(qū)高摻雜（相對于基區(qū)）。2)基區(qū)很薄。3)集電結(jié)面積大。第2章晶體三極管2.1放大模式下三極管工作原理2.1.1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2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)摻雜濃度：減少基區(qū)向發(fā)射區(qū)發(fā)射的多子，提高發(fā)射效率?；鶇^(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)合機會，保證絕大部分載流子擴散到集電結(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2章晶體三極管三極管特性——具有正向受控作用用即三極管輸出的集集電極電流IC，主要受正向發(fā)射射結(jié)電壓VBE的控制，而與反向向集電結(jié)電壓VCE近似無關(guān)。注意：NPN型管與PNP型管工工作原理相似，但但由于它們形成電流的載流子子性質(zhì)不同，結(jié)果果導(dǎo)致各極電流方向相反，加在各各極上的電壓極性性相反。V1NPP+PNN+V2V2V1+

-+

--+-+IEICIBIEICIB第2章晶體體三極管觀察輸入信號作用用在哪個電極上，，輸出信號從哪個個電極取出，此外外的另一個電極即即為組態(tài)形式。2.1.2電流流傳輸方程三極管的三種連接接方式——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)是是針對交流信號而而言的。第2章晶體體三極管共基極直流電流傳傳輸方程BCEBTICIE直流電流傳輸系數(shù)數(shù)：直流電流傳輸方程程：共發(fā)射極直流電流流傳輸方程ECBETICIB直流電流傳輸方程：其中：第2章晶體體三極管的物理含義：表示，受發(fā)射結(jié)電壓控制的復(fù)合電流IBB，對集電極正向受控電流ICn的控制能力。

若忽略ICBO，則：ECBETICIB可見，為共發(fā)射極電流放大系數(shù)。第2章晶體體三極管ICEO的物理含義：ICEO指基極開路時，集集電極直通到發(fā)射射極的電流。因為IB=0IEPICBOICnIEn+_VCENPN+CBEICEOIB=0所以IEp+(IEn-ICn)=IE-ICn=ICBO因此第2章晶體體三極管三極管的正向受控控作用，服從指數(shù)數(shù)函數(shù)關(guān)系式：2.1.3放大大模式下三極管的的模型數(shù)學(xué)模型(指數(shù)模型)IS指發(fā)射結(jié)反向飽和和電流IEBS轉(zhuǎn)化到集電極上的的電流值，它不同同于二極管的反向向飽和電流IS。式中第2章晶體體三極管放大模式直流簡化化電路模型ECBETICIB共發(fā)射極VBE(on)為發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓壓，工程上一般取?。汗韫躒BE(on)=0.7V鍺管VBE(on)=0.25V第2章晶體體三極管電路模型VBE+-ECBEICIBIBVCE+-直流簡化電路模型VBE(on)ECBEICIBIB+-+-VCE三極管參數(shù)的溫度度特性溫度每升高1C，/增大0.5%1%，即溫度每升高1C，VBE(on)減小(22.5)mV，即溫度每升高10C，ICBO增大一倍，即第2章晶體體三極管PNN+V1V2R2R12.2晶體三極極管的其他工作模模式2.2.1飽和和模式(E結(jié)正偏，C結(jié)結(jié)正偏)-+IFFIF+-IRRIRIE=IF-RIRICIC=FIF-IRIE結(jié)論：三極管失去正向受受控作用。第2章晶體體三極管飽和模式直流簡化化電路模型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)直流簡化電路模型VBE(on)ECBEICIB+-+-VCE(sat)若忽略飽和壓降，，三極管輸出端近近似短路。即三極管工作于飽飽和模式時，相當(dāng)當(dāng)于開關(guān)閉合。第2章晶體體三極管2.2.2截止止模式(E結(jié)反偏，C結(jié)結(jié)反偏)若忽略反向飽和電電流，三極管IB0，IC0。即三極管工作于截截止模式時，相當(dāng)當(dāng)于開關(guān)斷開。ECBETICIB共發(fā)射極電路模型VBE+-ECBEICIB截止模式直流簡化化電路模型直流簡化電路模型ECBEIC

0IB0第2章晶體體三極管2.3埃伯爾斯斯—莫爾模型埃伯爾斯—莫爾模模型是三極管通用用模型，它適用于于任何工作模式。。IE=IF-RIRIC=

FIF-IR其中ECBIEIFRIRICFIFIRIB第2章晶體體三極管2.4晶體三極極管伏安特性曲線線伏安特性曲線是三三極管通用的曲線線模型，它適用于于任何工作模式。。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2章晶體體三極管輸入特性曲線VCE=0IB/AVBE/VVBE(on)0.3V10VOV(BR)BEOIEBO+ICBOVCE一定：類似二極管伏安特特性。VCE增加：正向特性曲線略右右移。由于VCE=VCB+VBEWBWBEBC基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)注：VCE>0.3V后后，曲線移動可可忽略不計。因此當(dāng)VBE一定時：VCEVCB復(fù)合機會IB曲線右移。第2章晶體體三極管輸出特性曲線飽和區(qū)(VBE0.7V，VCE<0.3V)IC/mAVCE/VOIB=40A30A20A10A0特點：條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電電結(jié)正偏。IC不受IB控制，而受VCE影響。VCE略增，IC顯著增加。輸出特性曲線可劃劃分為四個區(qū)域：：飽和區(qū)、放大區(qū)、、截止區(qū)、擊穿區(qū)區(qū)。第2章晶體體三極管放大區(qū)(VBE0.7V，VCE>0.3V)IC/mAVCE/VOIB=40A30A20A10A0特點條件發(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/VOVA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)(VCEIC略)第2章晶體體三極管在考慮三極管基區(qū)區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)時時，電流IC的修正方程基寬WB越小調(diào)制效應(yīng)對對IC影響越大則VA越小。與IC的關(guān)系：ICO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，ICVCEO輸出曲線不再等間間隔平行上移。第2章晶體體三極管截止區(qū)(VBE0.5V，VCE0.3V)IC/mAVCE/VOIB=40A30A20A10A0特點：條件：發(fā)射結(jié)反偏，集電電結(jié)反偏。IC0，IB0近似為

IB≤0以下區(qū)域

嚴格說，截止區(qū)區(qū)應(yīng)是IE=0即IB=-ICBO以下的區(qū)域。因為IB在0-ICBO時，仍滿足第2章晶晶體三極管擊穿區(qū)特點：VCE增大到一定值時時，集電結(jié)反向向擊穿，IC急劇增大。V(BR)CEO集電結(jié)反向擊穿穿電壓，隨IB的增大而減小。。注意：IB=0時時，擊穿電電壓為V(BR)CEOIE=0時時，擊穿電電壓為V(BR)CBOV(BR)CBO>V(BR)CEOIC/mAVCE/VOIB=40A30A20A10A0IB=-ICBO(IE=

0)V(BR)CBO第2章章晶體三三極管三極管安全全工作區(qū)ICVCEOV(BR)CEOICMPCM最大允許集集電極電流流ICM(若IC>ICM造成)反向擊穿電電壓V(BR)CEO(若VCE>V(BR)CEO管子擊擊穿)VCE<V(BR)CEO最大允許集集電極耗散散功率PCM(PC=ICVCE，若PC>PCM燒管)PC<PCM要求ICICM第2章章晶體三三極管放大電路小小信號作用用時，在靜靜態(tài)工作點點附近的小小范圍內(nèi)，，特性曲線線的非線性性可忽略不不計，近似似用一段直直線來代替替，從而獲獲得一線性性化的電路路模型，即即小信號(或微變)電路模型型。2.5晶晶體三極管管小信號電電路模型三極管作為為四端網(wǎng)絡(luò)絡(luò)，選擇不不同的自變變量，可以以形成多種種電路模型型。最常用用的是混合型小信號電電路模型。。第2章章晶體三三極管混合Π型電路模型型的引出基區(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第2章章晶體三三極管混合型小信號電電路模型若忽略rbc影響，整理理后即可得得出混合型電路模型。。rbercecbccberbbbcegmvbebibic電路低頻工工作時，可可忽略結(jié)電電容影響，，因此低頻頻混合型電路模型簡簡化為：rbercerbbbcegmvbebibic第2章章晶體三三極管小信號電路路參數(shù)rbb基區(qū)體電阻，其值較小，約約幾十歐，，常忽略不不計。rbe三極管輸入入電阻，約千歐數(shù)量量級?？鐚?dǎo)gm表示三極管管具有正向向受控作用用的增量電電導(dǎo)。rce三極管輸出出電阻，數(shù)數(shù)值較大。。RL<<rce時，常忽略略。第2章章晶體三三極管簡化的低頻頻混電路模型由于因此，等效效電路中的的gmvbe，也可用ib表示。cbeTiCiBrbebcegmvbeibic=ib注意：小信號電路路模型只能能用來分析析疊加在Q點上各交流量之間間的相互關(guān)關(guān)系，不能能分析直流流參量。第2章章晶體三三極管由于交流信信號均疊加加在靜態(tài)工工作點上，，且交流信信號幅度很很小，因此此對工作在在放大模式式下的電路路進行分析析時，應(yīng)先先進行直流流分析，后后進行交流流分析。2.6晶晶體三極管管電路分析析方法直流分析法分析指標(biāo)：IBQ、ICQ、VCEQ分析方法：圖解法、估算法

交流分析法分析指標(biāo)：Av

、Ri、Ro分析方法：圖解法、微變等效電路法

第2章章晶體三三極管即分析交流流輸入信號號為零時，，放大電路路中直流電電壓與直流流電流的數(shù)數(shù)值。2.6.1直流分析法法圖解法即利用三極極管的輸入入、輸出特特性曲線與與管外電路路所確定的的負載線，，通過作圖圖的方法進進行求解。。要求：已知三極管管特性曲線線和管外電電路元件參參數(shù)。優(yōu)點：便于直接觀觀察Q點位置是否否合適，輸輸出信號波波形是否會產(chǎn)生生失真。第2章章晶體三三極管(1)由電路輸入入特性確定定IBQ寫出管外輸輸入回路直直流負載線線方程(VBE-IB)。圖解法分析析步驟：在輸入特性性曲線上作作直流負載載線。找出對應(yīng)交交點，得IBQ與VBEQ。(2)由電路輸出出特性確定定ICQ與VCEQ寫出管外輸輸出回路直直流負載線線方程(VCE-IC)。在輸出特性性曲線上作作直流負載載線。找出負載線線與特性曲曲線中IB=IBQ曲線的交點點，即Q點，得到ICQ與VCEQ。第2章章晶體三三極管例1已知電路參參數(shù)和三極極管輸入、、輸出特性性曲線，試求IBQ、ICQ、VCEQ。Q輸入回路直直流負載線線方程VBE=VBB-IBRBVBBVBB/RBVBEQIBQ+-IBVBBIC-+VCCRBRC+-VBE+-VCE輸出回路直直流負載線線方程VCE=VCC-ICRCICVCEOVBEIBOIB=IBQVCCVCC/RCQICQVCEQ第2章晶晶體三極管管工程近似法--估算法即利用直流通通路，計算靜靜態(tài)工作點。。直流通路是指輸入信號號為零，耦合合及旁路電容容開路時對應(yīng)應(yīng)的電路。分析步驟：確定三極管工工作模式。用相應(yīng)簡化電電路模型替代代三極管。分析電路直流流工作點。只要VBE0.5V(E結(jié)反偏)截止模式假定放大模式式，估算VCE：若VＣE>0.3V放大模式若VＣE<0.3V飽和模式第2章晶晶體三極管管例2已知VBE(on)=0.7V，VCE(sat)=0.3V，=30，試判斷三極管工工作狀態(tài)，并并計算VC。解：假設(shè)T工工作在放大模模式VCCRCRB(+6V)1k100kT因為VCEQ>0.3V，所以三三極管工作在在放大模式。。VC=VCEQ=4.41V第2章晶晶體三極管管例3若將上例電路路中的電阻RB改為10k，試重新判斷三極管工工作狀態(tài)，并并計算VC。解：假設(shè)T工工作在放大模模式VCCRCRB(+6V)1k10kT因為VCEQ<0.3V，假設(shè)不不成立，所以以三極管工作作在飽和模式。第2章晶晶體三極管管例4已知VBE(on)=0.7V，VCE(sat)=0.3V，=30，試判斷三極管工工作狀態(tài)，并并計算VC。解：所以三極管工工作在截止模式，VCCRCRB1(+6V)1k100kTRB22k<VBE(on)第2章晶晶體三極管管+-VBBRBRC+-VCC2.6.2交流分析法小信號等效電電路法(微變等效電路路法)分析電路加交交流輸入信號號后，疊加在在Q點上的電壓與與電流變化量量之間的關(guān)系系。在交流通路基基礎(chǔ)上，將三三極管用小信信號電路模型型代替得到的的線性等效電電路即小信號號等效電路。。利用該等效效電路分析Av、Ri、Ro的方法即小信信號等效電路路法。交流通路：即交流信號流流通的路徑。。它是將直流電電源短路、耦耦合、旁路電電容短路時對對應(yīng)的電路。。第2章晶晶體三極管管小信號等效電電路法分析步步驟：畫交流通路(直流電源短路路，耦合、旁路電容短路路)。用小信號電路路模型代替三三極管，得小小信號等效電電路。利用小信號等等效電路分析析交流指標(biāo)。。計算微變參數(shù)數(shù)gm、rbe。注意：小信號等效電電路只能用來來分析交流量量的變化規(guī)律律及動態(tài)性能能指標(biāo)，不能能分析靜態(tài)工工作點。第2章晶晶體三極管管例5已知ICQ=1mA，=100,vi=20sint(mV)，ＲC=ＲＬ=４k，畫電路的交流流通路及交流流等效電路,計算vo。virbeibibicRB+-RCRLvo+-viibicRBRC+-RL+-vovi+-iBVBBiCVCCRBRC+-+-RLC1C25k第2章晶晶體三極管管圖解法確定靜態(tài)工作作點(方法同前)。畫交流負載線線。畫波形，分析析性能。過Q點、作斜率為為-1/RL的直線即交流流負載線。其中RL=RC//RL。分析步驟：圖解法直觀、、實用，容易易看出Q點設(shè)置是否合合適，波形是是否產(chǎn)生失真真，但不適合合分析含有電電抗元件的復(fù)復(fù)雜電路。同同時在輸入信信號過小時作作圖精確度降降低。第2章晶晶體三極管管例6輸入正弦信號號時，畫各極極電壓與電流流的波形。tvBEOQvBEiBOiCvCEOQIBQICQtvCEO交流負載線-1/RLVCEQibvi+-iBVBBiCVCCRBRC+-vBE+-vCE+-+-RLC1C2第2章晶晶體三極管管tiBOiCtOQ點位置與波形形失真：Q

點過低，vO

負半周易截止失真。PNP管

Q

點過高，vO

正半周易飽和失真。

Q點過低，vO正半周易截止失真。

NPN管

Q點過高，vO

負半周易飽和失真。

由于PNP管電壓極極性與NPN管相反反，故橫軸vCE可改為-vCE。消除飽和失真降低Q點：增大RB，減小IBQ減小RC：負載線變陡,輸出動態(tài)范圍增加。消除截止失真真升高Q點：減小RB，增大IBQ第2章晶晶體三極管管2.7晶體體三極管應(yīng)用用原理2.7.1電電流源利用三極管放放大區(qū)iB恒定時iC接近恒流的特特性，可構(gòu)成成集成電路中中廣泛采用的的一種單元電電路——電流流源。iCvCEOiBVCE(sat)QiCR+-VQ+viB恒值外電路(負載電路)該電流源不是是普通意義上上的電流源，，因它本身不不提供能量。。電流源電路路的輸出電流流I０，由外電路中中的直流電源源提供。I０只受IB控制，與外電電路在電流源源兩端呈現(xiàn)