三極管特性曲線分析

1、目錄一、三極管特性曲線分析.11.1三極管結(jié)構(gòu).11.2 三極管輸入特性曲線.2 1.3 三極管輸出特性曲線.2二、三極管應(yīng)用舉例 .32.1 三極管在放大狀態(tài)下的應(yīng)用.32.2 三極管在開關(guān)狀態(tài)下的應(yīng)用.3三、線性電路和非線性電路43.1線性電路理論.43.2 非線性電路理論.53.3 線性電路的分析應(yīng)用舉例.63.4 非線性電路的分析應(yīng)用舉例.7四、數(shù)字電路和模擬電路.8 4.1 數(shù)字電路.8 4.2 模擬電路.8 4.3數(shù)字電路和模擬電路區(qū)別與聯(lián)系.9五、總結(jié)與體會.9六、參考文獻.10三極管輸入輸出曲線分析 談線性電路與非線性電路摘要：三極管是電路分析中非常重要的一個元器件。本文主要分

2、析了三極管輸入輸出特性曲線，介紹了線性電路和非線性電路的理論在分析工具的不同之處。同時，線性電路和非線性電路在分析電路時各有著不同的用處。最后，介紹了數(shù)字電路及模擬電路區(qū)別與聯(lián)系。關(guān)鍵詞：三極管；數(shù)字電子技術(shù)；模擬電子技術(shù)一、 三極管特性曲線分析1.1三極管結(jié)構(gòu)雙極結(jié)型三極管是由兩個PN結(jié)背靠背構(gòu)成。三極管按結(jié)構(gòu)不同一般可分為PNP和NPN兩種。圖1-1 三極管示意圖及符號PNP型三極管和NPN型三極管具有幾乎等同的電流放大特性，以下討論主要介紹NPN型三極管工作原理。NPN型三極管其兩邊各位一塊N型半導(dǎo)體，中間為一塊很薄的P型半導(dǎo)體。這三個區(qū)域分別為發(fā)射區(qū)、集電區(qū)和基區(qū)，從三極管的三個區(qū)各引

3、出一個電極，相應(yīng)的稱為發(fā)射極（E）、集電極（C）和基極（B）。雖然發(fā)射區(qū)和集電區(qū)都是N型半導(dǎo)體，但是發(fā)射區(qū)的摻雜濃度比集電區(qū)的摻雜濃度要高得多。另外在幾何尺寸上，集電區(qū)的面積比發(fā)射區(qū)的面積要大。由此可見，發(fā)射區(qū)和集電區(qū)是不對稱的。雙極型三極管有三個電極：發(fā)射極（E）、集電極（C）、基極（B），其中兩個可以作為輸入，兩個可以作為輸出，這樣就有一個電極是公共電極。三種接法就有三種組態(tài)：共發(fā)射極接法（CE）、共基極接法（CC）、共集電極接法（CB）。這里只以共射接法為例分析其輸入輸出曲線。 圖1-2 三極管三種組態(tài)晶體三極管的輸入特性和輸出特性曲線描述了各電極之間電壓、電流的關(guān)系。1.2 三極管輸入

4、特性曲線Uce=0V時，發(fā)射極與集電極短路，發(fā)射結(jié)與集電結(jié)均正偏，實際上是兩個二極管并聯(lián)的正向特性曲線。輸入特性曲線描述了在管壓降一定的情況下，基極電流與發(fā)射結(jié)壓降之間的函數(shù)關(guān)系，即。 當(dāng)，時,，集電結(jié)已進入反偏狀態(tài)，開始收集載流子，且基區(qū)復(fù)合減少， 特性曲線將向右稍微移動一些, IC / IB 增大。但Uce再增加時，曲線右移很不明顯。 1. 死區(qū)2. 線性區(qū)3. 非線性區(qū)圖1-3 三極管輸入特性曲線 1.3 三極管輸出特性曲線輸出特性曲線描述是基極電流為一常量時，集電極電流與管壓降之間的函數(shù)關(guān)系，即。輸出特性曲線可以分為三個工作區(qū)域，如下圖所示： 在飽和區(qū)內(nèi)，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于正向偏置。

5、主要隨增大而增大，對的影響不明顯，即當(dāng)增大時，隨之增大，但增大不大。在飽和區(qū)，和之間不再滿足電流傳輸方程，即不能用放大區(qū)中的來描述和的關(guān)系，三極管失去放大作用。 在放大區(qū)內(nèi)，發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置，各輸出特性曲線近似為水平的直線，表示當(dāng)一定時， 圖1-4 三極管輸出特性曲線的值基本上不隨而變化。此時表現(xiàn)出對的控制作用，。三極管在放大電路中主要工作在這個區(qū)域中。 一般將的區(qū)域稱為截止區(qū)，由圖可知，也近似為零。在截止區(qū)，三極管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于反向偏置狀態(tài)。 二、 三極管應(yīng)用舉例三極管在電路中有著非常重要的應(yīng)用地位。2.1 三極管在放大狀態(tài)下的應(yīng)用分壓式電流負(fù)反饋放大電路是各種電子設(shè)備

6、中經(jīng)常采用的一種弱信號放大電路，其核心部件就是三極管，當(dāng)三極管工作在放大狀態(tài)，那么在通電過程中，三極管靜態(tài)時的工作電壓必須滿足發(fā)射極正偏，集電極反偏，而且隨著輸入信號的變化，各種電壓或電流都能隨著發(fā)生相應(yīng)的變化， 圖2-1 分壓式電流負(fù)反饋放大電路不能出現(xiàn)信號的失真現(xiàn)象。 2.2 三極管在開關(guān)狀態(tài)下的應(yīng)用三極管的開關(guān)特性在數(shù)字電路中應(yīng)用廣泛，是數(shù)字電路最基本的開關(guān)元件。當(dāng)處于開狀態(tài)時,三極管為處于飽和狀態(tài),UceUbe，Uce間的電壓很小,一般小于PN結(jié)正向壓降(0.7V).當(dāng)處于關(guān)狀態(tài)時,基極電流Ib為0.Uce1V時為放大狀態(tài) 。右圖是共射型三極管典型電路，同時參考三極管輸出特性曲線進行分

7、析。三極管是以基極電流作為輸入，操控整個 圖2-2 共射型三極管電路三極管的工作狀態(tài)。若三極管是在截止區(qū)， 趨近于0 (亦趨近于0)，C 極與E 極間約呈斷路狀態(tài)， = 0，。 若三極管是在線性區(qū)， 的值適中 ()， ，呈比例放大，可被 操控。若三極管在飽和區(qū)， 很大，B-C 與B-E 兩接面均為正向偏壓，C-E間等同于一個帶有0.2 V 電位落差的通路，可得，與 無關(guān)了，因此時的大過線性放大區(qū)的值，是必然的。三極管在截止態(tài)時 C-E 間如同斷路，在飽和態(tài)時C-E 間如同通路 (帶有0.2 V 電位降)，因此可以作為開關(guān)?？刂拼碎_關(guān)的是，也可以用作為控制的輸入訊號。下圖顯示三極管開關(guān)的通路、斷

8、路狀態(tài)，及其對應(yīng)的等效電路。圖2-3 截止態(tài)如同斷路 圖2-4 飽和態(tài)如同通路三、線性電路和非線性電路是否滿足疊加定理和齊次性是線性電路和非線性電路之間最主要的區(qū)別。3.1線性電路理論線性電路是指完全由線性元件、獨立源或線性受控源構(gòu)成的電路。線性就是指輸入和輸出之間關(guān)系可以用線性函數(shù)表示。齊次，非齊次是指方程中有沒有常數(shù)項，即所有激勵同時乘以常數(shù)k時，所有響應(yīng)也將乘以k。線性電路的最基本的特性是它具有疊加性和齊次性。電路的疊加性是指在有幾個電源共同作用下的線性電路中，通過每一個元件的電流或其兩端的電壓，可以看成是由每一個電源單獨作用時在該元件上所產(chǎn)生的電流或電壓的代數(shù)和。線性電路的齊次性是指當(dāng)

9、激勵信號（如電源作用）增加或減小倍時，電路的響應(yīng)（即在電路其它各電阻元件上所產(chǎn)生的電流和電壓值）也將增加或減小倍。疊加性和齊次性是線性電路獨有的特性，這兩個定理也簡化了線性電路分析的過程。疊加性和齊次性可表示如下：圖3-1 線性電路的疊加性 圖3-2 線性電路的齊次性圖3-3 線性電路疊加性和齊次性的綜合特性在線性電路中，由多個獨立電源共同作用所引起的響應(yīng)等于這些獨立電源分別單獨作用時所引起的響應(yīng)的代數(shù)和，所以對電路的分析比較簡單，小信號和大信號作用下的結(jié)果基本一致。分析線性電路時，我們采用戴維南定理和諾頓定理進行分析。戴維南定理是指任一線性有源單口網(wǎng)絡(luò)，可用一個電壓源串聯(lián)一個阻抗來代替，電壓

10、源的電壓等于該網(wǎng)絡(luò)端口的開路電壓，而等效阻抗則等于該網(wǎng)絡(luò)中全部獨立源為零值時從端口看進去的阻抗。由這一電壓源和等效阻抗組成的等效電路，稱為戴維南等效電路。諾頓定理是指一個有源線性單口網(wǎng)絡(luò)，可用一個電流源并聯(lián)一個等效阻抗來代替，電流源等于該網(wǎng)絡(luò)端口的短路電流，等效阻抗等于該網(wǎng)絡(luò)中全部獨立源為零值時從端口看進去的阻抗。電流源和等效阻抗并聯(lián)的電路，稱為諾頓等效電路。 圖3-4 戴維南定理 圖3-5 諾頓定理3.2 非線性電路理論 當(dāng)電路中至少含有一個非線性電路元件時（例如非線性電阻元件、非線性電感元件等），其運動規(guī)律就要由非線性微分方程或非線性算子來描述，我們稱這樣的電路為非線性電路。一百多年以來，

11、人們對電路理論的研究，取得的較多成果在于線性電路理論方面。而事實上自然界是千變?nèi)f化的，絕大多數(shù)行為均是非線性的，電路也是如此。與線性電路相比，非線性電路較為復(fù)雜，有其獨特的地方。首先，非線性電路不滿足疊加定理，所以在線性電路中一系列行之有效的分析方法在非線性電路中就不在適用。其次，非線性系統(tǒng)的解不一定存在。非線性電路的特性一般是由一組非線性代數(shù)方程來描述。對實際系統(tǒng)來說，它在一定初始條件下的解應(yīng)該存在且唯一。但當(dāng)我們?nèi)デ蠼膺@組方程時，方程可能有多個解，也有可能沒有解。因此，在求解之前，應(yīng)對系統(tǒng)的解得性質(zhì)進行判斷。若解肯本不存在，求解它就沒有任何意義。再者，對線性系統(tǒng)來說，一般存在一個平衡狀態(tài)，

12、我們很容易判斷系統(tǒng)的平衡狀態(tài)是否為穩(wěn)定的。但非線性系統(tǒng)一般存在多個平衡態(tài)，其中有些平衡態(tài)是穩(wěn)定的，有些平衡態(tài)可能不是穩(wěn)定的。 當(dāng)我們在考察非線性電路的性質(zhì)時，定性分析法是非常重要的方法。定性分析法設(shè)計的數(shù)學(xué)工具有微分方程定性理論、穩(wěn)定性理論、泛函分析中的不動點定理等。其側(cè)重于電路解的特性、解的全局性和漸進性。除了定性分析法，近似解析法也是比較常見的方法。分析僅含有二端非線性電阻的非線性動態(tài)電路時，可以采用分段線性化方法，用較簡單的分段線性函數(shù)來逼近非線性電阻的電壓電流非線性關(guān)系，從而可以用解析的方法求出較簡單的非線性電路的解，并能定量的考察一些參數(shù)變化對電路響應(yīng)的影響。分析電路時，無論是線性還

13、是非線性電路，實驗方法是很重要的研究方法。電路理論分析正確與否，應(yīng)該以事實為準(zhǔn)則。除了理論分析和物理實驗外，我們還可以采用電路的數(shù)字仿真方法。3.3 線性電路的分析應(yīng)用舉例一階RC電路是典型的線性電路，通常由一個電容器和一個電阻器組成。RC電路可組成簡單的有源濾波器，低通濾波器或者高通濾波器。下面簡單介紹下有RC有源電路組成的濾波器。 一階RC低通濾波器如圖所示，電壓傳輸系數(shù)為： 令 ，則 ，此時 圖3-6 RC低通濾波器 ， ，處于滯后狀態(tài)。 當(dāng) 時， 。 當(dāng) 時， 上述電路的頻率特性可用特定的漸近線波特圖來表示，其幅頻和相頻波特圖如下：圖3-7 RC低通濾波器的幅聘波特圖和相頻波特圖 由幅

14、頻特性圖可知，用漸近線代替實際幅頻特性時最大誤差發(fā)生在轉(zhuǎn)折頻率 處，在 處偏差為-3dB。由相頻特性圖可知，用漸近線代替實際相頻特性時最大誤差發(fā)生在轉(zhuǎn)折頻率 及 處。3.4 非線性電路的分析應(yīng)用舉例理想二極管是我們在電子線路系列課程中接觸的第一個非線性理想器件，也是最為簡單的非線性器件。理想二極管是實際二極管的理想化模型，具有單向?qū)щ娦?。在通常的電壓電流參考方向下，理想二極管正偏時導(dǎo)通，且電壓為0，電流為任意正值；反偏時截止，電流為0，電壓為任意負(fù)值，其伏安特性曲線如右： 圖3-8 理想二極管伏安特性曲線二極管可用做整流電路、濾波電路等。單相半波整流電路是典型的整流電路，是一種除去半周、下半周

15、的整流方法。半波整流以“犧牲”一半交流為代價而換取整流效果，電流利用率低。 單相半波直流電壓 在一個周期內(nèi)的平均值為 圖3-9 單相半波整流電路 圖3-10 輸入輸出電壓波形 單相半波整流電路結(jié)構(gòu)簡單，只利用了電源的半個周期，整流輸出電壓低、脈動幅度較大，變壓器利用率低。為了克服這些缺點，可以采用全波整流電路。全波整流電路是由四個二極管連接電橋的方式，因此也稱為單相橋式整流電路。圖3-11 全波整流電路 全波整流電路輸出電壓的平均值為 負(fù)載電阻RL中電流的平均值為 通過每個二極管的平均電流是負(fù)載電流平均值的一半，即 每個二極管承受的最高反向電壓和半波整流電路相同，即 圖3-12 電壓和電流波形

16、四、數(shù)字電路和模擬電路 4.1 數(shù)字電路 數(shù)字電路是指用數(shù)字信號完成對數(shù)字量進行算術(shù)運算和邏輯運算的電路。數(shù)字信號是數(shù)字形式的信號，它的特點是離散的、不連續(xù)的。用數(shù)字信號傳送信息的通信就叫做數(shù)字通信?，F(xiàn)代電子計算機輸入、輸出的信號以及所處理的信號都是離散信號。數(shù)字電路的特點如下：1.數(shù)字電路同時具有算術(shù)運算和邏輯運算功能；2.數(shù)字電路以二進制作為基礎(chǔ)，實現(xiàn)簡單，可靠性強，抗干擾能力大；3.集成度高、體積小、功耗低是數(shù)字電路不同于模擬電路的優(yōu)點之一。數(shù)字電路廣泛應(yīng)用在電子記分計時、燈光的控制、雷達(dá)、電子計算機等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。在數(shù)字電路中，計數(shù)器屬于時序電路，主要由具有記憶功能的觸發(fā)器構(gòu)成。這些觸

17、發(fā)器有RS觸發(fā)器、T觸發(fā)器、D觸發(fā)器等，可以和LED屏相連接顯示產(chǎn)品的工作狀態(tài)。4.2 模擬電路模擬電路是涉及連續(xù)函數(shù)形式模擬信號的電子電路。模擬信號的特點是它連續(xù)地“模擬”著信息的變化，信號的波形的時間上是連續(xù)的。以電話為例，在電話通信中，傳送的信息是發(fā)話人的聲音。聲音是由振動發(fā)出的。聲波通過送話器轉(zhuǎn)變成跟隨聲音的強弱變化而變化的電信號，這個信號就是“模擬信號”。原始的電話、傳真、電視的信號都是模擬信號。模擬電路的應(yīng)用非常廣泛，如語音放大電路、有源濾波器、波形發(fā)生電路等。4.3 數(shù)字電路和模擬電路的區(qū)別與聯(lián)系簡單的來說，模擬和數(shù)字的區(qū)別主要有以下幾個方面，數(shù)字信號只有兩種狀態(tài) “0”“1”，

18、模擬信號可以有很多種不同狀態(tài)，所以數(shù)字信號的抗干擾能力比模擬信號要強。數(shù)字信號可以看做是被量化的模擬信號。從頻域上看，數(shù)字信號的頻域范圍比較小，而模擬信號頻帶范圍寬。從本質(zhì)上說，模擬電路和數(shù)字電路并非完全割裂的，它們是相互統(tǒng)一、相互依存、相互轉(zhuǎn)化的。例如我們把一個正i型安伯送到一個電壓放大器進行線性放大，在輸出端得到一個成比例的正弦波。如果加大輸入信號的幅值或者加大放大器的電壓放大倍數(shù)，輸出的正弦波就會出現(xiàn)上、下削頂?shù)氖д娆F(xiàn)象，變?yōu)樘菪尾?。這時，若不斷加大放大倍數(shù)，則輸出波形將變成方波。此時我們就實現(xiàn)了從連續(xù)地正弦波到離散的信號的轉(zhuǎn)變，完成了模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。所以說，數(shù)字電路和模擬電路

19、沒有優(yōu)劣之分，在本質(zhì)上是統(tǒng)一的。五、總結(jié)與體會1948年，晶體管的發(fā)明給當(dāng)時的電子工業(yè)帶來了前所未有的沖擊，成為了今日電子時代的開端。之后隨著以計算機為代表的電子技術(shù)的飛速發(fā)展，三極管不僅在計算機、手機和消費電子產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，還被廣泛用于汽車、航空、家用電器以及數(shù)千種日用設(shè)備的電子控制中。三極管用途廣泛，幾乎所有的電子電路都要用到三極管。在上學(xué)期的模電學(xué)習(xí)中，我了解到三極管在各種電路中的重要作用。例如三極管可以用作電流放大、電阻電容變換電路，在某些電路中可以用作穩(wěn)壓恒流的作用。電路的學(xué)習(xí)中，要做到理論聯(lián)系實際，理論與實踐相結(jié)合。在課堂上，我們學(xué)習(xí)到的是比較淺顯易懂的知識，如三極管的線性與非線性是其很重要的兩個性質(zhì)。在解決三極管問題時，我們不應(yīng)該單一的將問題孤立化，可以聯(lián)系到三極管的用途，如利用其線性特性可用作集成放大電路，而其非線性的飽和區(qū)和截止區(qū)可以用作玩具車的開關(guān)電路，這樣