模电课件第二章-1教学课件

1、 P 集电极 基极 发射极 集电结发射结 发射区集电区 (a) NPN c e b PNP c e b b 基区 ec (b) N衬底 N型外延 P N c eb SiO2 绝缘层 集电结 基区 发射区 发射结 集电区 (c) NN (c)平面管结构剖面图 图图2-1 晶体管的结构与符号晶体管的结构与符号 说明说明 1.三区三区(发射区、基区、集电区发射区、基区、集电区)二结（发射结、二结（发射结、 集电结）集电结） 3.双极型晶体管具有放大作用的结构条件：双极型晶体管具有放大作用的结构条件： N+N+、P P（发射区相对于基区重掺杂）基（发射区相对于基区重掺杂）基 区薄集电结的面积大区薄集电

2、结的面积大 4.管子符号的箭头方向为发射结正偏的方向管子符号的箭头方向为发射结正偏的方向 2.分类：分类：PNP型、型、NPN型型 2-1-1 放大状态下晶体管中载流子的传输过程放大状态下晶体管中载流子的传输过程 c IC e IE N P N IB RC UCC UBB RB ICBO 15V b IBN IEPIEN ICN 图图22 晶体管内载流子的运动和各极电流晶体管内载流子的运动和各极电流 二、发射区的作用：向基区注入电子二、发射区的作用：向基区注入电子 三、基区的作用：传送和控制电子三、基区的作用：传送和控制电子 四、集电区的作用：收集电子四、集电区的作用：收集电子 说说 明明 一

3、、晶体管处于放大状态的偏置条件：一、晶体管处于放大状态的偏置条件： 发射结正偏、集电结反偏发射结正偏、集电结反偏 2-1-2 电流分配关系电流分配关系 CBOBNB III CNBNENE IIII CBOCNC III CBE III b c eIB IC IE c IC e IE N P N IB RC UCC UBB RB ICBO 15V b IBN IEPIEN ICN 一、直流电流放大系数：一、直流电流放大系数： 一般一般 20020 共射极共射极 CBOB CBOC BN CN II II I I 含义：基区每复合一个电子，就有含义：基区每复合一个电子，就有个电个电 子扩散到集电

4、区去。子扩散到集电区去。 共基极共基极 1 E CBOC EN CN I II I I 一般一般99.097.0 1 EE E CNE CN II I II I 11 CN CN CNBN CN EN CN I I II I I I 两者关系：两者关系： 二、二、IC、 IE、 IB、三者关系三者关系： c IC e IE N P N IB RC UCC UBB RB ICBO 15V b IBN IEPIEN ICN 若忽略若忽略 ICBO , 则则 , BC II BE II)1( , EC II EB II)1( 22 晶体管伏安特性曲线及参数晶体管伏安特性曲线及参数 全面描述晶体管各极

5、电流与极间电压关系的曲线。全面描述晶体管各极电流与极间电压关系的曲线。 图图23晶体管的三种基本接法（晶体管的三种基本接法（组态组态） (a) c e b iB iC 输出输出 回路回路 输入输入 回路回路 (b) e c b iB iE ce iEiC b (c) (a)共发射极；共发射极；(b)共集电极；共集电极；(c)共基极共基极 221 晶体管共发射极特性曲线晶体管共发射极特性曲线 一、共发射极输出特性曲线一、共发射极输出特性曲线 A mA V V iB iC UCC UBB RC RB uBE uCE 测量电路测量电路 共发射极输出特性曲线：输出电流共发射极输出特性曲线：输出电流iC

6、与输出电压与输出电压 uCE的关系曲线的关系曲线(以以iB为参变量为参变量) 常数 B iCEC ufi)( uCE/V51015 0 1 2 3 4 饱 和 区 截止区 IB40A 30A 20A 10A 0A iBICBO 放 大 区 iC/mA uCEuBE 图图25 共射输出特性曲线共射输出特性曲线 1. 放大区放大区发射结正偏，发射结正偏， 集电结反偏集电结反偏 （2）uCE 变化对变化对 IC 的影响很小（的影响很小（恒流特性恒流特性） （1）iB 对对iC 的控制作用很强。的控制作用很强。 用交流电流放大倍数来描述：用交流电流放大倍数来描述： 常数 CE u B C I I 在数

7、值上近似等于在数值上近似等于 问题：问题：特性图中特性图中= =？ 即即IC主要由主要由IB决定，与输出环路的外电路无关。决定，与输出环路的外电路无关。 基区宽度调制效应基区宽度调制效应(厄尔利效应厄尔利效应) c IC e IE N P N IB RC UCC UBB RB ICBO 15V b IBN IEPIEN ICN uCE/V51015 0 1 2 3 4 饱 和 区 截止区 IB40A 30A 20A 10A 0A iBICBO 放 大 区 iC/mA uCEuBE uCE c结反向电压结反向电压 c结宽度结宽度 基区宽度基区宽度 基区中电子与空穴复合的机会基区中电子与空穴复合的

8、机会 iC uCE/V51015 0 1 2 3 4 饱 和 区 截止区 IB40A 30A 20A 10A 0A iBICBO 放 大 区 iC/mA uCEuBE 基调效应表明：输出交流电阻基调效应表明：输出交流电阻rCE=uCE/iC Q UCEQ UA(厄尔利电压厄尔利电压) CQ A CQ CEQA ce I U I UU r ICQ 2. 饱和区饱和区 发射结和集电结均处于正向偏置。发射结和集电结均处于正向偏置。 由于集电结正偏，不利于集电极收集电子，由于集电结正偏，不利于集电极收集电子， 造成基极复合电流增大。因此造成基极复合电流增大。因此 （1） i B 一定时，一定时，i C

9、 比放大时要小比放大时要小 （2）U CE一定时一定时 i B 增大，增大，i C 基基 本不变（饱和区）本不变（饱和区） 临界饱和：临界饱和：UCE = UBE，即，即UCB=0（C结零偏）。结零偏）。 饱和时，饱和时，c、e间的电压称为饱和压降，间的电压称为饱和压降， 记作记作UCE(sat)。 （小功率（小功率Si管）管） UCE(sat) = 0.5V|0.3V(深饱和深饱和)； （小功率（小功率Ge管）管） UCE(sat) = 0.2V|0.1V (深饱和深饱和)。 三个电极间的电压很小，各极电流主要三个电极间的电压很小，各极电流主要 由外电路决定。由外电路决定。 3. 截止区截止

10、区 发射结和集电结均处于反向偏置。发射结和集电结均处于反向偏置。 三个电极均为反向电流，所以数值很小。三个电极均为反向电流，所以数值很小。 i B = -i CBO （此时（此时i E =0 ）以下称为截止区。）以下称为截止区。 工程上认为：工程上认为：i B =0 以下即为截止区。以下即为截止区。因为在因为在 i B =0 和和i B =-i CBO 间，放大作用很弱。间，放大作用很弱。 二、共发射极输入特性曲线二、共发射极输入特性曲线 iB/A uBE/V 0 60 90 0.50.70.9 30 UCE0 UCE1 常数 CE uBEB ufi)( 图图26 共发射极输入特性曲线共发射极

11、输入特性曲线 （1）U CE = 0 时，晶体管相当于两个并联二时，晶体管相当于两个并联二 极管，极管，i B 很大，曲线明显左移。很大，曲线明显左移。 （2）0 UCE 1 时，随着时，随着 UCE 增加，曲线右移，增加，曲线右移， 特别在特别在 0 UCE1 时，曲线近似重合。时，曲线近似重合。 iB/A uBE/V 0 60 90 0.50.70.9 30 UCE0 UCE1 三、温度对晶体管特性曲线的影响三、温度对晶体管特性曲线的影响 T ，uBE： CmVmV T uBE )/5 . 22( T ， ICBO ： 10 12 12 2 TT CBOCBO II T ， ： C/).(

12、 T 150 CBOBC III)1 ( T ， IC ： 结结 论论 2-2-2 晶体管的主要参数晶体管的主要参数 一、电流放大系数一、电流放大系数 1. 共射直流放大系数共射直流放大系数 反映静态时集电极电流与基极电流之比。反映静态时集电极电流与基极电流之比。 2. 共射交流放大系数共射交流放大系数 反映动态时的电流放大特性。反映动态时的电流放大特性。 由于由于ICBO、ICEO 很小，因此很小，因此 在以后的计算中，不必区分。在以后的计算中，不必区分。 4.共基交流放大系数共基交流放大系数 3.共基直流放大系数共基直流放大系数 常数 B u E C I I 由于由于ICBO、ICEO 很

13、小，因此很小，因此 在以后的计算中，不必区分。在以后的计算中，不必区分。 二、极间反向电流二、极间反向电流 1 ICBO 发射极开路时，集电极发射极开路时，集电极基极间的反向电流，称为集基极间的反向电流，称为集 电极反向饱和电流。电极反向饱和电流。 2 ICEO 基极开路时，集电极基极开路时，集电极发射极间的反向电流，称为集发射极间的反向电流，称为集 电极穿透电流。电极穿透电流。 3 IEBO 集电极开路时，发射极集电极开路时，发射极基极间的反向电流。基极间的反向电流。 三、三、 结电容结电容 包括发射结电容包括发射结电容Ce 和集电结电容和集电结电容Cc 四、晶体管的极限参数四、晶体管的极限

14、参数 1 击穿电压击穿电压 U(BR)CBO指发射极开路时，集电极指发射极开路时，集电极基极间的基极间的 反向击穿电压。反向击穿电压。 U(BR)CEO指基极开路时，集电极指基极开路时，集电极发射极间的发射极间的 反向击穿电压。反向击穿电压。 U(BR)CEO ICM时，虽然管子不致于损时，虽然管子不致于损 坏，但坏，但值已经明显减小。值已经明显减小。 例如：例如：3DG6(NPN)， U(BR)CBO =115V， U(BR)CEO =60V，U(BR)EBO=8V。 3 集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率PCM PCM 表示集电极上允许损耗功率的最大表示集电极上允许损耗功率的最大

15、 值。超过此值就会使管子性能变坏或烧毁。值。超过此值就会使管子性能变坏或烧毁。 PCM与管芯的材料、大小、散热条件及环与管芯的材料、大小、散热条件及环 境温度等因素有关。境温度等因素有关。 PCM =ICUCE uCE 工作区 iC 0 安全 ICM U(BR)CEO PCM 图图27 晶体管的安全工作区晶体管的安全工作区 功耗线功耗线 23 晶体管工作状态分析及偏置电路晶体管工作状态分析及偏置电路 应用晶体管时，首先要将晶体管设置在合应用晶体管时，首先要将晶体管设置在合 适的工作区间，如进行语音放大需将晶体管设置适的工作区间，如进行语音放大需将晶体管设置 在放大区，如应用在数字电路，则晶体管

16、工作在在放大区，如应用在数字电路，则晶体管工作在 饱和区或截止区。饱和区或截止区。 因此，如何设置和分析晶体管的工作状态是因此，如何设置和分析晶体管的工作状态是 晶体管应用的一个关键。晶体管应用的一个关键。 直流工作状态分析（静态分析）直流工作状态分析（静态分析） 将输入、输出特性曲线将输入、输出特性曲线线性化线性化 （即用若干直线段表示）（即用若干直线段表示） 等效电路（模型）等效电路（模型） 静态：由电源引起的一种工作状态静态：由电源引起的一种工作状态 23 晶体管工作状态分析及偏置电路晶体管工作状态分析及偏置电路 231 晶体管的直流模型晶体管的直流模型 由外电路偏置的晶体管，其各极直流

17、电由外电路偏置的晶体管，其各极直流电 流和极间直流电压所对应的伏安特性曲线上的流和极间直流电压所对应的伏安特性曲线上的 一个点。一个点。 静态工作点（简称静态工作点（简称Q点）：点）： 静态工作电压、电流。在下标再加个静态工作电压、电流。在下标再加个Q表表 示，如示，如IBQ、UBEQ、ICQ、UCEQ (a) 输入特性近似输入特性近似 图图28晶体管伏安特性曲线的折线近似晶体管伏安特性曲线的折线近似 uBE0 iB UBE(on)0uCE iC UCE(sat) IB 0 (b) 输出特性近似输出特性近似 饱和区饱和区 放大区放大区 截止区截止区 (a) e bc (b) e bc I B

18、IB UBE(on) (c) e bc UBE(on)UCE(sat) 图图29晶体管三种状态的直流模型晶体管三种状态的直流模型 (a)截止状态模型；截止状态模型；(b)放大状态模型；放大状态模型；(c)饱和状态模型饱和状态模型 例例1 晶体管电路如图晶体管电路如图210(a)所示。若已知晶所示。若已知晶 体管工作在放大状态，体管工作在放大状态，=100，试计算晶体管的，试计算晶体管的 IBQ，ICQ和和UCEQ。 (a) 电路电路 ICQ UCEQ 270k RB UBB6V IBQ UCC 12V RC3k (b)直流等效电路直流等效电路 图图210晶体管直流电路分析晶体管直流电路分析 e

19、 RB UBE(on) b I BQ I BQ c I CQ UCC RC UCEQ UBB 解解 因为因为UBB使使e结正偏，结正偏，UCC使使c结反偏，所以结反偏，所以 晶体管可以工作在放大状态。这时用图晶体管可以工作在放大状态。这时用图29(b)的的 模型代替晶体管，便得到图模型代替晶体管，便得到图2-10(b)所示的直流所示的直流 等效电路。由图可知等效电路。由图可知 )(onBEBBQBB URIU VRIUU mII m R UU I CCQCCCEQ BQCQ B onBEBB BQ 63212 202. 0100 02. 0 270 7 . 06 )( 故有故有 (a) 电路电

20、路 IC Q UCE Q 270k RB UBB6V IBQ UCC 12V RC3k 例例2：若：若UBB从零增加，说明晶体管的工作区间以从零增加，说明晶体管的工作区间以 及及IBQ、ICQ、UCEQ的变化情况？的变化情况？ 当当UBB从从00.7V之间时，之间时， 两个结都反偏，管子进入两个结都反偏，管子进入 截止区。截止区。IBQ=ICQ0。 UCEQUCC。 分析：分析： (a) 电路电路 IC Q UCE Q 270k RB UBB6V IBQ UCC 12V RC3k 当当UBB继续增大，发射结正偏，集电结反偏，管继续增大，发射结正偏，集电结反偏，管 子进入放大区。随着子进入放大区

21、。随着IBQ的增大，的增大，ICQ=IBQ也增大。也增大。 UCEQ=UCC- ICQRC不断下降。不断下降。 (a) 电路电路 IC Q UCE Q 270k RB UBB6V IBQ UCC 12V RC3k 当当UBB增大到增大到UCEQUBE(on) 则发射结正偏，下面关键则发射结正偏，下面关键 是判断集电结是正偏还是是判断集电结是正偏还是 反偏。反偏。 若假定为放大状态：则直流等效电路如图若假定为放大状态：则直流等效电路如图2-11(b) 所示，所示， RB UBB RC UCC U EE RE U BE(on) I B 图图2-11(b) 放大状态下的等效电路放大状态下的等效电路

22、UBB - UEE - UBE(on) =IBQRB+(1+)IBQRE )( )1 ( )( ECCQEECCCEQ EQBQCQ EB OnBEEEBB BQ RRIUUU III RR UUU I )(onBECEQ UU若 方法方法1： 则晶体管处于放大状态；则晶体管处于放大状态； 则晶体管处于饱和状态；则晶体管处于饱和状态； )(onBECEQ UU若 EC OnBEEECC satC RR UUU I )( )( )( )( satC satB I I )(satBBQ II若 )(satBBQ II若 方法方法2： 则晶体管处于放大状态；则晶体管处于放大状态； 则晶体管处于饱和状

23、态；则晶体管处于饱和状态； 图图211晶体管直流分析的一般性电路晶体管直流分析的一般性电路 (c)饱和状态下的等效电路饱和状态下的等效电路 RB U BB RC UCC U EE R E UBE(on) UCE(sat) ECQBQsatCECCQEECC ECQBQonBEBBQEEBB RIIURIUU RIIURIUU )( )( )( )( 晶体管处于饱和状态时：晶体管处于饱和状态时： RB U BB RC UCC U EE R E UBE(on) UCE(sat) 补充例题补充例题1 晶体管电路如下图所示。已知 =100，试判断晶体管的工作状态。 5V R B UBB R E R C

24、 UCC 500K 1K 2K 12V 补充例题1电路 1.先判断晶体管是否处于截止状态： CCBBonBEBB UUUU且, )( 晶体管不处于截止状态； 2.再判断晶体管是处于放大状态还是饱和状态： UBB - UBE(on) =IBQRB+(1+)IBQRE mA RR UU I EB OnBEBB BQ 2 )( 1072. 0 101500 7 . 05 )1 ( mAII BQCQ 72. 01072. 0100 2 V RRIUU ECCQCCCEQ 10372. 012 )( )(onBECEQ UU 晶体管处于放大状态； 补充例题补充例题2 晶体管电路如下图所示。已知 =10

25、0，试判断晶体管的工作状态。 5V R B UBB R C UCC 50K 2K 12V 补充例题2电路 1.先判断晶体管是否处于截止状态： CCBBonBEBB UUUU且, )( 晶体管不处于截止状态； 2.再判断晶体管是处于放大状态还是饱和状态： UBB - UBE(on) =IBQRB mA R UU I B OnBEBB BQ 2 )( 106 . 8 50 7 . 05 mAII BQCQ 6 . 8106 . 8100 2 VRIUU CCQCCCEQ 2 . 526 . 812 0 CEQ U 晶体管不可能处于放大区，而应工作在饱和区晶体管不可能处于放大区，而应工作在饱和区；

26、VU satCE 5 . 0 )( 设则 mA R UU I C satCECC CQ 75. 5 2 5 . 012 )( VU CEQ 5 . 0 例例2 晶体管电路及其输入电压晶体管电路及其输入电压ui的波形如图的波形如图2- 12(a),(b)所示。已知所示。已知=50，试求，试求ui作用下输出电作用下输出电 压压uo的值，并画出波形图。的值，并画出波形图。 R3 3k UCC 5V RB 39k ui uo (a)电路电路 图图212例题例题2电路及电路及ui,uo波形图波形图 0 5 t uo / /V 0.3 (c) uo波形图波形图 0 3 t ui / /V (b) ui波形

27、图波形图 解解:当当ui=0时，时，UBE=0，则晶体管截止。此时，则晶体管截止。此时， ICQ=0,uo=UCEQ=UCC=5V。当。当ui =3V时，晶体管导时，晶体管导 通且有通且有 m028. 0 50 4 . 1 I m06. 0I )sat(C BQ 而集电极而集电极临界临界饱和电流为饱和电流为 因为因为 m06. 0 39 7 . 03 R Uu I B )on(BEi BQ m4 . 1 3 7 . 05 R UU I C )on(BECC )sat(C 所以晶体管处于饱和。所以晶体管处于饱和。 ICQIC(sat)=1.4mA， uo=UCEQ=UCE(sat)=0.3V。

28、uo波形如图波形如图212(c)所示。所示。 233 放大状态下的偏置电路放大状态下的偏置电路 电路形式简单电路形式简单 偏置下的工作点在环境温度变化或更换管子偏置下的工作点在环境温度变化或更换管子 时，应力求保持稳定，应始终保持在放大区。时，应力求保持稳定，应始终保持在放大区。 对信号的传输损耗应尽可能小对信号的传输损耗应尽可能小 一、固定偏流电路一、固定偏流电路 图图213固定偏流电路固定偏流电路 RB UCC RC 单电源供电。单电源供电。UEE=0， UBB由由UCC提供提供 只要合理选择只要合理选择RB，RC 的阻值，晶体管将处于的阻值，晶体管将处于 放大状态。放大状态。 图图213

29、固定偏流电路固定偏流电路 RB UCC RC 缺点：工作点稳定性差；（缺点：工作点稳定性差；（IBQ固定，当固定，当、 ICBO等变化等变化ICQ、UCEQ的变化的变化工作点产生较大工作点产生较大 的漂移的漂移使管子进入饱和或截止区）使管子进入饱和或截止区） B CC B onBECC BQ R U R UU I )( ,II BQCQ CCQCCCEQ RIUU 优点：电路结构简单。优点：电路结构简单。 二、电流负反馈型偏置电路二、电流负反馈型偏置电路 图图214 电流负反馈型偏置电路电流负反馈型偏置电路 RB UCC RC RE 在固定偏置电路的发射极加一个在固定偏置电路的发射极加一个RE

30、电阻电阻 若若 ICQIEQ UEQ(=IEQRE) EB )on(BECC BQ R)(R UU I 1 ICQ IBQ UBEQ(= UBQ -UEQ) RB UCC RC RE 负反馈机制负反馈机制 工作点计算式：工作点计算式： BQCQ II ECCQCCCEQ RRIUU 三、分压式偏置电路三、分压式偏置电路 (a)电路电路 RB1 UCC RC RE RB2 图图215分压式偏置电路分压式偏置电路 在电流负反馈型偏置电在电流负反馈型偏置电 路的基极加一个偏置电路的基极加一个偏置电 阻阻RB2。 为确保为确保UB固定固定，应满足流过，应满足流过RB1、RB2的电流的电流 I1IBQ，这就要求，这就要求RB1、RB2的取值愈小愈好。但的取值愈小愈好。但 是是RB1 、 RB2过小，将增大电源过小，将增大电源UCC的无谓损耗，的无谓损耗， 因此要二者兼顾。通