厦大电子线路(线形)-谢嘉奎 课程教案 02.ppt

单击以编辑,母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,2,章晶体三极管,概述,2.1,放大模式下晶体三极管的工作原理,2.2,晶体三极管的其他工作模式,2.3,埃伯尔斯,莫尔模型,2.4,晶体三极管伏安特性曲线,2.5,晶体三极管小信号电路模型,2.6,晶体三极管电路分析方法,2.7,晶体三极管的应用原理,概 述,三极管结构及电路符号,发射极,E,基极,B,P,N,N,+,集电极,C,发射极,E,基极,B,N,P,P,+,集电极,C,B,C,E,B,C,E,发射结,集电结,第,2,章晶体三极管,三极管三种工作模式,发射结,正,偏，集电结,反,偏。,放大模式：,发射结,正,偏，集电结,正,偏。,饱和模式：,发射结,反,偏，集电结,反,偏。,截止模式：,注意：,三极管具有正向受控作用，除了满足内部结构特点外，还必须满足放大模式的外部工作条件。,三极管内部结构特点,1,),发射区高掺杂（相对于基区）。,2,),基区很薄。,3,),集电结面积大。,第,2,章晶体三极管,2.1,放大模式下三极管工作原理,2.1.1,内部载流子传输过程,P,N,N,+,-,+,-,+,V,1,V,2,R,2,R,1,I,En,I,Ep,I,BB,I,Cn,I,CBO,I,E,I,E,=,I,En,+,I,Ep,I,C,I,C,=,I,Cn,+,I,CBO,I,B,I,B,=,I,Ep,+,I,BB,-,I,CBO,=,I,Ep,+(,I,En,-,I,Cn,),-,I,CBO,=,I,E,-,I,C,第,2,章晶体三极管,发射结正偏：,保证发射区向基区发射多子。,发射区掺杂浓度,基区掺杂浓度：减少基区向发射区发射的多子，提高发射效率。,基区的作用：,将发射到基区的多子，自发射结传输到集电结边界。,基区很薄：可减少多子传输过程中在基区的复合机会，保证绝大部分载流子扩散到集电结边界。,集电结反偏且集电结面积大：,保证扩散到集电结边界的载流子全部漂移到集电区，形成受控的集电极电流。,第,2,章晶体三极管,三极管特性,具有正向受控作用,即三极管输出的集电极电流,I,C,，,主要受正向发射结电压,V,BE,的控制，而与反向集电结电压,V,CE,近似无关。,注意：,NPN,型管与,PNP,型管工作原理相似，但由于它们,形成电流的载流子性质不同，结果导致各极电流,方向相反，加在各极上的电压极性相反。,V,1,N,P,P,+,P,N,N,+,V,2,V,2,V,1,+,-,+,-,-+,-+,I,E,I,C,I,B,I,E,I,C,I,B,第,2,章晶体三极管,观察输入信号作用在哪个电极上，输出信号从哪个电极取出，此外的另一个电极即为组态形式。,2.1.2,电流传输方程,三极管的三种连接方式,三种组态,B,C,E,B,T,I,C,I,E,E,C,B,E,T,I,C,I,B,C,E,B,C,T,I,E,I,B,(,共发射极,),(,共基极,),(,共集电极,),放大电路的组态是针对交流信号而言的。,第,2,章晶体三极管,共基极直流电流传输方程,B,C,E,B,T,I,C,I,E,直流电流传输系数：,直流电流传输方程：,共发射极直流电流传输方程,E,C,B,E,T,I,C,I,B,直流电流传输方程：,其中：,第,2,章晶体三极管,的物理含义：,表示，受发射结电压控制的复合电流,I,BB,，,对集电极正向受控电流,I,Cn,的,控制能力。,若忽略,I,CBO,，,则：,E,C,B,E,T,I,C,I,B,可见，为共发射极电流放大系数。,第,2,章晶体三极管,I,CEO,的物理含义：,I,CEO,指基极开路时，集电极直通到发射极的电流。,因为,I,B,=0,I,EP,I,CBO,I,Cn,I,En,+,_,V,CE,N,P,N,+,C,B,E,I,CEO,I,B,=0,所以,I,Ep,+(,I,En,-,I,Cn,)=,I,E,-,I,Cn,=,I,CBO,因此,第,2,章晶体三极管,三极管的正向受控作用，服从指数函数关系式：,2.1.3,放大模式下三极管的模型,数学模型,(,指数模型,),I,S,指发射结反向饱和电流,I,EBS,转化到集电极上的电流值，它不同于二极管的反向饱和电流,I,S,。,式中,第,2,章晶体三极管,放大模式直流简化电路模型,E,C,B,E,T,I,C,I,B,共发射极,V,BE(on),为发射结导通电压，工程上一般取：,硅管,V,BE(on),=0.7 V,锗管,V,BE(on),=0.25 V,第,2,章晶体三极管,电路模型,V,BE,+,-,E,C,B,E,I,C,I,B,I,B,V,CE,+,-,直流简化电路模型,V,BE(on),E,C,B,E,I,C,I,B,I,B,+,-,+,-,V,CE,三极管参数的温度特性,温度每升高,1,C，,/,增大 0,.,5%,1%，即,温度每升高,1,C，,V,BE(on),减小,(2 2.5),mV，,即,温度每升高,10,C，,I,CBO,增大一倍，即,第,2,章晶体三极管,P,N,N,+,V,1,V,2,R,2,R,1,2.2,晶体三极管的其他工作模式,2.2.1,饱和模式,(,E,结正偏，,C,结正偏,),-,+,I,F,F,I,F,+,-,I,R,R,I,R,I,E,=,I,F,-,R,I,R,I,C,I,C,=,F,I,F,-,I,R,I,E,结论：,三极管失去正向受控作用。,第,2,章晶体三极管,饱和模式直流简化电路模型,E,C,B,E,T,I,C,I,B,共发射极,通常，饱和压降,V,CE(sat),硅管,V,CE(sat),0.3 V,锗管,V,CE(sat),0.1 V,电路模型,V,BE,+,-,E,C,B,E,I,C,I,B,+,-,V,CE(sat),直流简化电路模型,V,BE(on),E,C,B,E,I,C,I,B,+,-,+,-,V,CE(sat),若忽略饱和压降，三极管输出端近似短路。,即三极管工作于饱和模式时，相当于开关闭合。,第,2,章晶体三极管,2.2.2,截止模式,(,E,结反偏，,C,结反偏,),若忽略反向饱和电流，三极管,I,B,0，,I,C,0。,即三极管工作于截止模式时，相当于开关断开。,E,C,B,E,T,I,C,I,B,共发射极,电路模型,V,BE,+,-,E,C,B,E,I,C,I,B,截止模式直流简化电路模型,直流简化电路模型,E,C,B,E,I,C,0,I,B,0,第,2,章晶体三极管,2.3,埃伯尔斯,莫尔模型,埃伯尔斯,莫尔模型是三极管通用模型，它适用于任何工作模式。,I,E,=,I,F,-,R,I,R,I,C,=,F,I,F,-,I,R,其中,E,C,B,I,E,I,F,R,I,R,I,C,F,I,F,I,R,I,B,第,2,章晶体三极管,2.4,晶体三极管伏安特性曲线,伏安特性曲线是三极管通用的曲线模型，它适用于任何工作模式。,I,B,=,f,1E,(,V,BE,),V,CE,=,常数,I,C,=,f,2E,(,V,CE,),I,B,=,常数,共发射极,输入特性：,输出特性：,+,-,T,V,CE,I,B,V,BE,I,C,+,-,第,2,章晶体三极管,输入特性曲线,V,CE,=0,I,B,/,A,V,BE,/V,V,BE(on),0.3V,10 V,O,V,(BR)BEO,I,EBO,+,I,CBO,V,CE,一定：,类似二极管伏安特性。,V,CE,增加：,正向特性曲线略右移。,由于,V,CE,=,V,CB,+,V,BE,W,B,W,B,E,B,C,基区宽度调制效应,注：,V,CE,0.3 V,后，曲线移动可忽略不计。,因此当,V,BE,一定时：,V,CE,V,CB,复合机会 ,I,B,曲线右移。,第,2,章晶体三极管,输出特性曲线,饱和区,(,V,BE,0.7 V,，,V,CE,0.3 V,),I,C,/,m,A,V,CE,/V,O,I,B,=40,A,30,A,20,A,10,A,0,特点,条件,发射结正偏,集电结反偏,V,CE,曲线略上翘,具有正向受控作用,满足,I,C,=,I,B,+,I,CEO,说明,I,C,/,m,A,V,CE,/V,O,V,A,上翘程度,取决于厄尔利电压,V,A,上翘原因,基区宽度调制效应,(,V,CE,I,C,略,),第,2,章晶体三极管,在考虑三极管基区宽度调制效应时，电流,I,C,的修正方程,基宽,W,B,越小调制效应对,I,C,影响越大则,V,A,越小。,与,I,C,的关系：,I,C,O,在,I,C,一定范围内,近似为常数。,I,C,过小使,I,B,造成,。,I,C,过大发射效率,造成,。,考虑上述因素，,I,B,等量增加时，,I,C,V,CE,O,输出曲线不再等间隔平行上移。,第,2,章晶体三极管,截止区,(,V,BE,0.5 V，,V,CE,0.3 V,),I,C,/,m,A,V,CE,/V,O,I,B,=40,A,30,A,20,A,10,A,0,特点：,条件：,发射结反偏，集电结反偏。,I,C,0，,I,B,0,近似为,I,B,0,以下区域,严格说，截止区应是,I,E,=0,即,I,B,=,-,I,CBO,以下的区域。,因为,I,B,在,0,-,I,CBO,时，仍满足,第,2,章晶体三极管,击穿区,特点：,V,CE,增大到一定值时，集电结反向击穿，,I,C,急剧增大。,V,(BR)CEO,集电结反向击穿电压，随,I,B,的增大而减小。,注意：,I,B,=0,时，击穿电压为,V,(BR)CEO,I,E,=0,时，击穿电压为,V,(BR)CBO,V,(BR)CBO,V,(BR)CEO,I,C,/,m,A,V,CE,/V,O,I,B,=40,A,30,A,20,A,10,A,0,I,B,=,-,I,CBO,(,I,E,=,0),V,(BR)CBO,第,2,章晶体三极管,三极管安全工作区,I,C,V,CE,O,V,(BR)CEO,I,CM,P,CM,最大允许集电极电流,I,CM,(,若,I,C,I,CM,造成,),反向击穿电压,V,(BR)CEO,(,若,V,CE,V,(BR)CEO,管子击穿,),V,CE,P,CM,烧管,),P,C,P,CM,要求,I,C,I,CM,第,2,章晶体三极管,放大电路小信号作用时，在静态工作点附近的小范围内，特性曲线的非线性可忽略不计，近似用一段直线来代替，从而获得一线性化的电路模型，即小信号,(,或微变,),电路模型。,2.5,晶体三极管小信号电路模型,三极管作为四端网络，选择不同的自变量，可以形成多种电路模型。最常用的是,混合,型小信号电路模型。,第,2,章晶体三极管,混合,型电路模型的引出,基区体,电阻,发射结电阻与电容,集电结电阻与电容,反映三极管正向受控作用的电流源,由基区宽度调制效应引起的输出电阻,i,b,i,c,b,c,e,r,bb,r,b,e,c,b,e,c,b,c,r,b,c,b,g,m,v,b,e,r,ce,第,2,章晶体三极管,混合,型小信号电路模型,若忽略,r,b,c,影响，整理后即可得出混合,型,电路模型。,r,b,e,r,ce,c,b,c,c,b,e,r,bb,b,c,e,g,m,v,b,e,b,i,b,i,c,电路低频工作时，可忽略结电容影响，因此低频混合,型,电路模型简化为：,r,b,e,r,ce,r,bb,b,c,e,g,m,v,b,e,b,i,b,i,c,第,2,章晶体三极管,小信号电路参数,r,bb,基区体,电阻，其,值较小，约几十欧，常忽略不计。,r,b,e,三极管输入电阻,，,约千欧数量级。,跨导,g,m,表示三极管具有正向受控作用的增量电导。,r,ce,三极管输出电阻，数值较大。,R,L,0.3 V,放大模式,若,V,E,0.3 V，,所以三极管工作在,放大模式。,V,C,=,V,CEQ,=4.41 V,第,2,章晶体三极管,例,3,若将上例电路,中的,电阻,R,B,改为,10,k,，,试重新,判断三极管工作状态，并计算,V,C,。,解：,假设,T,工作在放大模式,V,CC,R,C,R,B,(+6V),1 k,10 k,T,因为,V,CEQ,0.3 V，,假设不成立，所以三极管工作在,饱和模式。,第,2,章晶体三极管,例,4,已知,V,BE(on),=0.7 V，,V,CE(sat),=0.3 V，,=30,，,试,判断三极管工作状态，并计算,V,C,。,解：,所以三极管工作在,截止模式，,V,CC,R,C,R,B1,(+6V),1 k,100 k,T,R,B2,2 k,V,BE(on),第,2,章晶体三极管,+,-,V,BB,R,B,R,C,+,-,V,CC,2.6.2,交流分析法,小信号等效电路法,(,微变等效电路法,),分析电路加交流输入信号后，叠加在,Q,点上的电压与电流变化量之间的关系。,在交流通路基础上，将三极管用小信号电路模型代替得到的线性等效电路即小信号等效电路。利用该等效电路分析,A,v,、,R,i,、,R,o,的方法即小信号等效电路法。,交流通路：,即交流信号流通的路径。,它是将直流电源短路、耦合,、,旁路电容短路时对应的电路。,第,2,章晶体三极管,小信号等效电路法分析步骤：,画交流通路,(,直流电源短路，耦合,、,旁路电容短路,),。,用小信号电路模型代替三极管，得小信号等效电路。,利用小信号等效电路分析交流指标。,计算微变参数,g,m,、,r,b,e,。,注意：,小信号等效电路只能用来分析交流量的变化规律及动态性能指标，不能分析静态工作点。,第,2,章晶体三极管,例,5,已知,I,CQ,=1,mA,，,=100,v,i,=20sin,t,(mV)，,C,=,=,k,，,画电路的交流通路及交流等效电路,计算,v,o,。,v,i,r,b,e,i,b,i,b,i,c,R,B,+,-,R,C,R,L,v,o,+,-,v,i,i,b,i,c,R,B,R,C,+,-,R,L,+,-,v,o,v,i,+,-,i,B,V,BB,i,C,V,CC,R,B,R,C,+,-,+,-,R,L,C,1,C,2,5 k,第,2,章晶体三极管,图解法,确定静态工作点,(,方法同前,)。,画交流负载线。,画波形，分析性能。,过,Q,点、,作斜率为,-,1/,R,L,的直线即交流负载线。,其中,R,L,=,R,C,/,R,L,。,分析步骤：,图解法直观、实用，容易看出,Q,点设置是否合适，波形是否产生失真，但不适合分析含有电抗元件的复杂电路。同时在输入信号过小时作图精确度降低。,第,2,章晶体三极管,例,6,输入正弦信号时,，,画各极电压与电流的波形。,t,v,BE,O,Q,v,BE,i,B,O,i,C,v,CE,O,Q,I,BQ,I,CQ,t,v,CE,O,交流负载线,-,1/,R,L,V,CEQ,i,b,v,i,+,-,i,B,V,BB,i,C,V,CC,R,B,R,C,+,-,v,BE,+,-,v,CE,+,-,+,-,R,L,C,1,C,2,第,2,章晶体三极管,t,i,B,O,i,C,t,O,Q,点位置与波形失真：,Q,点过,低,，,v,O,负,半周易,截止,失真,。,PNP,管,Q,点过,高,，,v,O,正,半周易,饱和,失真,。,Q,点过,低,，,v,O,正,半周易,截止,失真,。,NPN,管,Q,点过,高,，,v,O,负,半周易,饱和,失真,。,由于,PNP,管电压极性与,NPN,管相反，故横轴,v,CE,可改为,-,v,CE,。,消除饱和失真,降低,Q,点,：,增大,R,B,，,减小,I,BQ,减小,R,C,：,负载线变陡,输出动态范围增加。,消除截止失真,升高,Q,点：减小,R,B,，,增大,I,BQ,第,2,章晶体三极管,2.7,晶体三极管应用原理,2.7.1,电流源,利用三极管放大区,i,B,恒定时,i,C,接近恒流的特性，可构成集成电路中广泛采用的一种单元电路,电流源。,i,C,v,CE,O,i,B,V,CE(sat),Q,i,C,R,+,-,V,Q,+,v,i,B,恒值,外电路,(,负载电路,),该电流源不是普通意义上的电流源，因它本身不提供能量。电流源电路的输出电流,I,，,由外电路中的直流电源提供。,I,只受,I,B,控制，与外电路在电流源两端呈现的电压大小几乎无关。就这个意义而言，将其看作为电流源。,第,2,章晶体三极管,放大器的作用就是将输入信号进行不失真的放大。,2.7.2,放大器,放大原理,V,IQ,t,v,BE,O,I,BQ,t,i,B,O,t,v,i,I,CQ,t,i,C,O,V,CEQ,t,v,CE,O,t,v,o,O,利用,i,b,对,i,c,的控制作用实现放大,。,第,2,章晶体三极管,+,-,i,B,v,i,i,C,V,CC,R,C,+,-,+,-,V,IQ,v,o,电源,V,CC,提供的功率：,放大实质,三极管集电极上的功率：,负载电阻,R,C,上的功率：,第,2,章晶体三极管,注意：,放大器放大信号的实质：,是利用三极管的正向受控作用，将电源,V,CC,提供的直流功率，部分地转换为输出功率。,电源,V,CC,不仅要为三极管提供偏置，保证管子工作在放大区，同时还是整个电路的能源。,电源提供的功率,P,D,除了转换成负载上有用的输出功率,P,L,外，其余均消耗在晶体三极管上,(,P,C,),。,三极管仅是一个换能器。,第,2,章晶体三极管,顺时针与逆时针方向,三极管个数相等；,2.7.3,跨导线性电路,跨导线性环,(,TL,环,),v,BE2,v,BE4,v,BE6,v,BE8,v,BE10,+,-,+,-,-,+,+,-,-+,v,BE1,v,BE3,v,BE5,v,BE7,v,BE9,+,-,+,-,-,+,+,-,-+,N,个放大模式下工,作的三极管发射结,连成一闭合回路；,若各管,发射结面积相等，则：,若各管,发射结面积不等，则：,其中,第,2,章晶体三极管,跨导线性环应用电路,由图知：,由,TL,环知：,则：,例,1,设各管发射结面积相等。,当,i,Y,为定值时，电路可实现对,i,X,的平方运算。,第,2,章晶体三极管,V,CC,T,1,T,2,T,3,T,4,i,X,i,Y,i,o,由图知：,则：,例,2,设各管发射结面积相等。,由,TL,环知：,若两输入电流中有一个恒定，则可实现对另一电流的平方根运算。,第,2,章晶体三极管,V,CC,T,1,T,2,T,3,T,4,i,X,i,Y,i,o,