晶体三极管及应用原理讲义

1、晶体三极管及应用原理讲义第1页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三概 述 三极管结构及电路符号发射极E基极BPNN+集电极C发射极E基极BNPP+集电极CBCEBCE发射结集电结第2页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三 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。2）基区很薄。3）集电结面积大。第3页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星

2、期三2.1 放大模式下三极管工作原理 内部载流子传输过程 PNN+- +- +V1V2R2R1IEnIEpIBBICnICBOIEIE= IEn+IEpICIC=ICn+ICBOIBIB= IEp+IBB -ICBO = IEp+(IEn-ICn) -ICBO =IE -IC第4页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三 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：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、

3、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5页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三 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IC ，主要受正向发射结电压VBE的控制，而与反向集电结电压VCE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。 V1NPP+PNN+V2V2V1+ - + - - + - + IEICIBIEICIB第6页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三 观察输入信号作用在那个电极上，输出信号从

4、那个电极取出，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BCEBTICIEECBETICIBCEBCTIEIB（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7页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三 共基极直流电流传输方程BCEBTICIE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ECBETICIB直流电流传输方程： 其中： 第8页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三 的物理含义： 表示，受发射结电压控制的复合电流IBB ，对集电极正向受控电流ICn的控制能力。

5、若忽略ICBO，则：ECBETICIB 可见， 为共发射极电流放大系数。第9页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三 ICEO的物理含义： ICEO指基极开路时，集电极直通到发射极的电流。 IB=0IEPICBOICnIEn+_VCENPN+CBEICEOIB=0 IEp+(IEn-ICn) =IE -ICn =ICBO 因此： 即：第10页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三三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） IS指发射结反向饱和电流IEBS转化到集电极上的电流值，它不同于二极管的反向饱和

6、电流IS。式中：第11页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三 放大模式直流简化电路模型电路模型VBE+-ECBEICIBIBECBETICIB共发射极直流简化电路模型VBE(on)ECBEICIBIB+-VBE(on)为发射结导通电压，工程上一般取：硅管VBE(on)= 0.7V锗管VBE(on)= 0.25V第12页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三 三极管参数的温度特性 温度每升高1C， / 增大（0.5 1）%，即： 温度每升高1 C ，VBE(on) 减小（2 2.5）mV,即： 温度每升高10 C ，ICBO 增大一倍，即： 第13页，共51

7、页，2022年，5月20日，18点14分，星期三PNN+V1V2R2R12.2 晶体三极管的其它工作模式 饱和模式 ( E结正偏，C结正偏)- +IFFIF+ -IRRIRIE= IF-RIRICIC= FIF - IRIE 结论：三极管失去正向受控作用。第14页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三 饱和模式直流简化电路模型ECBETICIB共发射极通常，饱和压降VCE(sat) 硅管VCE(sat) 0.3V锗管VCE(sat) 0.1V电路模型VBE+-ECBEICIB+-VCE(sat)直流简化电路模型VBE(on)ECBEICIB+-+-VCE(sat)若忽略饱和压

8、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15页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三 截止模式 ( E结反偏，C结反偏) 若忽略反向饱和电流，三极管IB 0，IC 0。即三极管工作于截止模式时，相当于开关断开。 ECBETICIB共发射极电路模型VBE+-ECBEICIB 截止模式直流简化电路模型直流简化电路模型ECBEIC 0IB 0第16页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三2.3 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。IE= IF-RIRIC= FIF -IR 其中ECBIEIFRI

9、RICFIFIRIB第17页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三2.4 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。IB= f1E ( VBE )VCE = 常数IC= f2E ( VCE )IB = 常数共发射极输入特性：输出特性：+-TVCEIBVBEIC+-第18页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三 输入特性曲线VCE =0IB /AVBE /VVBE(on)0.3V10V0V(BR)BEOIEBO +ICBO VCE一定：类似二极管伏安特性。 VCE增加：正向特性曲线略右移。由于VCE=VCB+VBEWBW

10、BEBC基区宽度调制效应注：VCE0.3V后，曲线移动可忽略不计。因此当VBE一定时：VCEVCB 复合机会 IB 曲线右移。第19页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三 输出特性曲线 饱和区（ VBE 0.7V，VCE0.3V）IC /mAVCE /V0IB = 40 A30 A20 A10 A0特点条件发射结正偏集电结反偏VCE曲线略上翘具有正向受控作用满足IC= IB + ICEO说明IC /mAVCE /V0VA上翘程度取决于厄尔利电压VA上翘原因基区宽度调制效应（VCE IC略）第21页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三在考虑三极管基区宽度调

11、制效应时，电流IC的修正方程：基宽WB越小调制效应对IC影响越大则VA越小。 与IC的关系：IC0在IC一定范围内 近似为常数。IC过小使IB造成 。IC过大发射效率 造成 。考虑上述因素，IB等量增加时，ICVCE0输出曲线不再等间隔平行上移。第22页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三 截止区（ VBE 0.5V， VCE 0.3V）IC /mAVCE /V0IB = 40 A30 A20 A10 A0特点：条件：发射结反偏，集电结反偏。IC 0，IB 0近似为IB0以下区域 严格说，截止区应是IE = 0即IB = -ICBO以下的区域。 因为IB 在0 -ICBO时

12、，仍满足第23页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三 击穿区特点：VCE增大到一定值时，集电结反向击穿，IC急剧增大。V(BR)CEO集电结反向击穿电压，随IB的增大而减小。注意：IB = 0时，击穿电压为V(BR)CEOIE = 0时，击穿电压为V(BR)CBOV(BR)CBO V(BR)CEOIC /mAVCE /V0IB = 40 A30 A20 A10 A0IB = -ICBO (IE = 0)V(BR)CBO第24页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三 三极管安全工作区ICVCE0V(BR)CEOICMPCM 最大允许集电极电流ICM（若ICI

13、CM 造成 ） 反向击穿电压V(BR)CEO（若VCEV(BR)CEO 管子击穿）VCE PCM 烧管）PCPCM 要求IC ICM 第25页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三 放大电路小信号运用时，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26页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三 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

14、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ibicbcerbbrbecbecbcrbcbgmvberce第27页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三 混合型小信号电路模型 若忽略rbc影响，整理即可得出混电路模型。rbercecbccberbbbcegmvbebibic 电路低频工作时，可忽略结电容影响，因此低频混电路模型简化为：rbercerbbbcegmvbebibic第28页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三 小信号电路参数 rbb基区体电阻，其值较小，约几十欧，常忽略不计。 rbe三极管输入电阻，约千欧数量级。 跨

15、导gm表示三极管具有正向受控作用的增量电导。 rce三极管输出电阻，数值较大。RL 0.3V放大模式若VE0.3V饱和模式第35页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三例2 已知VBE(on)=0.7V ，VCE(sat)=0.3V ，=30 ，试 判断三极管工作状态，并计算VC。解：假设T工作在放大模式 VCCRCRB(+6V)1k100kT因为 VCEQ0.3V，所以三极管工作在放大模式 。VC = VCEQ= 4.41V 第36页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三例3 若将上例电路中的电阻RB 改为10k，试重新 判断三极管工作状态，并计算VC。解

16、：假设T工作在放大模式 VCCRCRB(+6V)1k10kT因为 VCEQ0.3V，所以三极管工作在饱和模式。第37页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三例4 已知VBE(on)=0.7V ，VCE(sat)=0.3V ，=30 ，试 判断三极管工作状态，并计算VC。解：所以三极管工作在截止模式 。VCCRCRB1(+6V)1k100kTRB22k+ -VBBRBRC+ -VCC VBE(on)第38页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三2.6.2 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

17、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Av 、Ri 、Ro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39页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三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 gm、rbe。 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40页，共5

18、1页，2022年，5月20日，18点14分，星期三例5 已知ICQ=1mA, =100 , vi =20sint(mV), 试画出图示电路的交流通路及交流等效电路, 并计算vo。virbeibibicRB+ -RCRLvo+ -viibicRBRC+ -RL+ -vovi+ -iBVBBiCVCCRBRC+ -+ -RLC1C25k第41页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三 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/RL的直线即交流负载线。其中 RL= RC / RL分析步骤: 图解法直观、实用，容易看出Q点设置是否合适

19、，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42页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三例6 输入正弦信号时，画各极电压与电流的波形。tvBE0QvBEiB0iCvCE0QtiBIBQiCtICQtvCE0-1/RLVCEQibvi+ -iBVBBiCVCCRBRC+-vBE+ -vCE+ -+ -RLC1C2第43页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三Q点位置与波形失真：Q点过低，vO负半周易截止失真。 PNP管 Q点过高，vO正半周易饱和失真。 Q点过低，vO正半周易截止失真。 NPN管 Q点过高，vO

20、负半周易饱和失真。 由于PNP管电压极性与NPN管相反，故横轴vCE可改为-vCE。 消除饱和失真降低Q点:增大RB ，减小IBQ减小RC : 负载线变徒, 输出动态范围增加。消除截止失真 升高Q点: 减小RB ，增大IBQ第44页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三2.7 晶体三极管应用原理 电流源 利用三极管放大区iB恒定时iC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。 iCvCE0iBVCE(sat)QiCR+ -VQ+ viB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IO，由外电路中的直流电源提供。IO只受IB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45页，共51页，2022年，5月20日，18点14分，星期三放大器的作用就是将输入信号进行不失真的放大。 放大器 放大原理+ -iBviiCVCCRC+ -+ -VIQvoVIQtvBE0IBQtiB0tviICQtiC0VCEQtvCE0tvo0利用ib 对ic的控制作用实现放大。第46页，共51页，2022年