模電電子線路線性部分第五版第二章晶體三極管

1、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(hào)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(hào),發(fā)射極 E,基極 B,集電極 C,發(fā)射極 E,基極 B,集電極 C,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(diǎn)外，還必須滿足放大模式的外部工作條件。

2、,三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn),1)發(fā)射區(qū)高摻雜（相對(duì)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(guò)程,IEn,IEp,IBB,ICn,ICBO,IE,IC,IB,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。,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)很薄：可減少多子傳輸過(guò)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

3、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,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(wú)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。,第 2 章晶體三極管,觀察輸入信號(hào)作用在哪個(gè)電極上，輸出信號(hào)從哪個(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),(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 2 章晶體三極管,共基極直流電流傳輸

4、方程,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,直流電流傳輸方程：,其中：,第 2 章晶體三極管,若忽略 ICBO，則：,第 2 章晶體三極管,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。,因?yàn)镮B = 0,所以IEp+ (IEn- ICn) = IE - ICn = ICBO,因此,第 2 章晶體三極管,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電流 IS。,式中,第 2 章晶體三極管,放大模式直

5、流簡(jiǎn)化電路模型,VBE(on) 為發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓，工程上一般?。?第 2 章晶體三極管,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) 減小 (2 2.5) mV，即,溫度每升高 10 C ，ICBO 增大一倍，即,第 2 章晶體三極管,2.2晶體三極管的其他工作模式,2.2.1飽和模式(E 結(jié)正偏，C 結(jié)正偏),- +,+ -,結(jié)論：三極管失去正向受控作用。,第 2 章晶體三極管,飽和模式直流簡(jiǎn)化電路模型,若忽略飽和壓降，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 2 章晶體三極管,2.2.2截止模式(E

6、 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。,截止模式直流簡(jiǎn)化電路模型,第 2 章晶體三極管,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。,其中,第 2 章晶體三極管,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。,第 2 章晶體三極管,輸入特性曲線,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 + VBE,WB,注：VCE 0.3 V 后，曲線移動(dòng)可忽略不計(jì)。,因此當(dāng) VBE 一定時(shí)：,V

7、CEVCB, 復(fù)合機(jī)會(huì) IB 曲線右移。,第 2 章晶體三極管,輸出特性曲線,飽和區(qū)(VBE 0.7 V，VCE 0.3 V),特點(diǎn)：,條件：,發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。,IC 不受 IB 控制，而受 VCE 影響。,VCE 略增，IC 顯著增加。,輸出特性曲線可劃分為四個(gè)區(qū)域：,飽和區(qū)、放大區(qū)、截止區(qū)、擊穿區(qū)。,第 2 章晶體三極管,放大區(qū)(VBE 0.7 V， VCE 0.3 V),特點(diǎn),條件,說(shuō)明,第 2 章晶體三極管,在考慮三極管基區(qū)寬度調(diào)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。,考慮上述因素，IB 等量增加時(shí)，,輸出曲線不再等間隔平行上移

8、。,第 2 章晶體三極管,截止區(qū)(VBE 0.5 V， VCE 0.3 V),特點(diǎn)：,條件：,發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。,IC 0，IB 0,嚴(yán)格說(shuō)，截止區(qū)應(yīng)是 IE = 0 即 IB = -ICBO 以下的區(qū)域。,因?yàn)?IB 在 0 -ICBO 時(shí)，仍滿足,第 2 章晶體三極管,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。,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)CEO,IE = 0 時(shí)，擊穿電壓為 V(BR)CBO,V(BR)CBO V(BR)CEO,第 2 章晶體三極管,三極管安全工作區(qū),最大允許集電極電流

9、ICM,(若 IC ICM 造成 ),反向擊穿電壓 V(BR)CEO,(若 VCE V(BR)CEO 管子擊穿),VCE V(BR)CEO,最大允許集電極耗散功率 PCM,(PC = IC VCE，若 PC PCM 燒管),PC PCM,IC ICM,第 2 章晶體三極管,放大電路小信號(hào)作用時(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(lái)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 2 章晶體三極管,混合型電路模型的引

10、出,第 2 章晶體三極管,混合 型小信號(hào)電路模型,若忽略 rbc 影響，整理后即可得出混合 型電路模型。,電路低頻工作時(shí)，可忽略結(jié)電容影響，因此低頻混合 型電路模型簡(jiǎn)化為：,第 2 章晶體三極管,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 rce 時(shí)，常忽略。,第 2 章晶體三極管,簡(jiǎn)化的低頻混 電路模型,由于,因此，等效電路中的 gmvbe ，也可用 ib 表示。,注意：小信號(hào)電路模型只能用來(lái)分析疊加在 Q 點(diǎn)上各 交流量之間的相互關(guān)系

11、，不能分析直流參量。,第 2 章晶體三極管,由于交流信號(hào)均疊加在靜態(tài)工作點(diǎn)上，且交流信號(hào)幅度很小，因此對(duì)工作在放大模式下的電路進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行直流分析，后進(jìn)行交流分析。,2.6晶體三極管電路分析方法,第 2 章晶體三極管,即分析交流輸入信號(hào)為零時(shí)，放大電路中直流電壓與直流電流的數(shù)值。,2.6.1直流分析法,圖解法,即利用三極管的輸入、輸出特性曲線與管外電路所確定的負(fù)載線，通過(guò)作圖的方法進(jìn)行求解。,要求：已知三極管特性曲線和管外電路元件參數(shù)。,優(yōu)點(diǎn)：便于直接觀察 Q 點(diǎn)位置是否合適，輸出信號(hào)波形 是否會(huì)產(chǎn)生失真。,第 2 章晶體三極管,(1)由電路輸入特性確定 IBQ,寫出管外輸入回路直流負(fù)

12、載線方程 (VBE - IB)。,圖解法分析步驟：,在輸入特性曲線上作直流負(fù)載線。,找出對(duì)應(yīng)交點(diǎn)，得 IBQ 與 VBEQ。,(2)由電路輸出特性確定 ICQ 與 VCEQ,寫出管外輸出回路直流負(fù)載線方程(VCE - IC) 。,在輸出特性曲線上作直流負(fù)載線。,找出負(fù)載線與特性曲線中 IB = IBQ 曲線的交點(diǎn)， 即 Q 點(diǎn)，得到 ICQ 與 VCEQ。,第 2 章晶體三極管,例 1已知電路參數(shù)和三極管輸入、輸出特性曲線， 試求 IBQ、ICQ、VCEQ。,Q,輸入回路直流負(fù)載線方程 VBE = VBB - IBRB,VBEQ,IBQ,輸出回路直流負(fù)載線方程 VCE = VCC - ICRC

13、,IB = IBQ,Q,ICQ,VCEQ,第 2 章晶體三極管,工程近似法-估算法,即利用直流通路，計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)。直流通路是指輸入信號(hào)為零，耦合及旁路電容開路時(shí)對(duì)應(yīng)的電路。,分析步驟：,確定三極管工作模式 。,用相應(yīng)簡(jiǎn)化電路模型替代三極管。,分析電路直流工作點(diǎn) 。,只要 VBE 0.5 V(E 結(jié)反偏),截止模式,假定放大模式，估算 VCE ：,若 VE 0.3 V,放大模式,若 VE 0.3 V,飽和模式,第 2 章晶體三極管,例 2已知 VBE(on)= 0.7 V ，VCE(sat) = 0.3 V ， = 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

14、,因?yàn)?VCEQ 0.3 V，所以三極管工作在放大模式 。,VC = VCEQ = 4.41 V,第 2 章晶體三極管,例 3 若將上例電路中的電阻 RB 改為 10 k，試重新 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,因?yàn)?VCEQ 0.3 V，假設(shè)不成立，所以三極管工作在飽和模式。,第 2 章晶體三極管,例 4 已知 VBE(on)= 0.7 V ，VCE(sat) = 0.3 V ， = 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，, VBE(on),第 2 章晶體三極管,2.6.2交流分析法,小信號(hào)等效電路法(微變等效電路

15、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 2 章晶體三極管,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(lái)分析交流量的變化規(guī)律及動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，不

16、能分析靜態(tài)工作點(diǎn)。,第 2 章晶體三極管,例 5 已知 ICQ= 1 mA， = 100 , vi = 20sint (mV)， C = = k ，畫電路的交流通路及交流等效電路, 計(jì)算 vo 。,第 2 章晶體三極管,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(guò) 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，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(guò)小時(shí)作圖精確度降低。,第 2 章晶體三極管,例 6 輸入正弦信號(hào)時(shí)，畫各極電壓與電流的

17、波形。,IBQ,ICQ,VCEQ,第 2 章晶體三極管,Q 點(diǎn)位置與波形失真：,由于 PNP 管電壓極性與 NPN 管相反，故橫軸 vCE 可改為 -vCE。,消除截止失真 升高 Q 點(diǎn)：減小 RB ，增大 IBQ,第 2 章晶體三極管,2.7晶體三極管應(yīng)用原理,2.7.1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。,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 I，由外電路中的直流電源提供。,I 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(wú)關(guān)。就這個(gè)意義而言，將其看作為電流源。,第 2 章晶體三極管,放大器的作用就是將輸入信號(hào)進(jìn)行不失真的放大。,2.7.2放大器,放大原理,利用 ib 對(duì) ic 的控制作用實(shí)現(xiàn)放大。,第 2 章晶體三極管,電源 VCC 提供的功率：,放大實(shí)質(zhì),三極管集電極上的功率：,負(fù)載電阻 RC 上的功率：,第 2 章晶體三極管,注意：,放大器放大信號(hào)的實(shí)質(zhì)：是利用三極管的正向受控作用，將電源 VCC 提供的直流功率，部分地轉(zhuǎn)換為輸出功率。,電源 VCC 不僅要為三極管提供偏置，保證管子工作在放大區(qū)，同時(shí)還是整個(gè)電路的能源。,電源提供的功率 PD 除了轉(zhuǎn)換成負(fù)載上有用的輸出功率 PL 外，其余均消耗在晶體三極管上( PC )。,三極管僅是一