模拟电路课件 第一篇第2章(2).ppt

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1、第二章 晶体三极管及其应用电路,集成电子技术基础教程,第一篇 电子器件与电子电路基础,1.2.1 晶体管的偏置与工作状态,半导体三极管,简称：晶体管、三极管,双极型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT）,分类：,NPN型（多为硅）,PNP型（多为锗）,自由电子和空穴两种极性的载流子同时参与导电,NPN平面三极管结构与电路符号,三个区：基区，发射区，集电区,三个极：基极，发射极，集电极,二个结：发射结，集电结,注意工艺特点：E区掺杂浓度高，基区薄， 集电结面积大,PNP平面三极管结构与电路符号,三个区：基区，发射区，集电区,三个极：基极，发射极，集电极,二个结：发

2、射结，集电结,注意工艺特点,三极管的放大工作原理（以NPN管为例）,放大工作条件,发射结正偏,集电结反偏,放大工作时各电流的分配关系,b (P),c (N),e (N),三极管的其它工作状态,三极管的基本组态,三极管三个极：,共基极(CB)，共基组态,共发射极(CE) ，共射组态,共集电极(CC)，共集组态,一极作为输入端,一极作为输出端,第三个极则必将作为输入和输出的公共端,三种基本组态:,共基极(CB) ，共基组态,共基直流电流放大倍数,E区自由电子到达C极形成的电流与E极电流之比,输入：E极,一定条件下，输入/出电流成线性关系，三极管是一种电流控制器件,输出：C极,公共端：B极,共发射极

3、(CE) ，共射组态,共射极电流放大倍数,到达集电极的电流与基区复合电流的比值,输入：B极,一定条件下，输入/输出电流成线性关系，三极管是一种电流控制器件,输出：C极,公共端：E极,共基共射电流放大倍数的关系,共射：,共基：,共集电极(CC)，共集组态,输入：B极,一定条件下，输入/输出电流成线性关系，三极管是一种电流控制器件,输出：E极,公共端：C极,三极管的伏安特性曲线,通过晶体管特性图示仪直接显示三极管的伏安特性曲线,共射极输入特性,VCE=0：相当于2个二极管并联；,VCE增为0.7V：JC由正偏转为反偏，C区吸引E区电子的能力增强，IB相对偏低，曲线右移。,共射极输出特性,截止区,饱

4、和区,放大区,截止区,三极管处于截止状态的条件： 外加电压使发射结和集电结均处于反向偏置，三极管失去了放大能力。 即：VBE0, VBC0, IB0, IC0。,实际上，发射结存在死区电压，对于硅三极管，在VBE0.5V(锗管小于0.1V) 就进入了截止状态。,为了可靠截止，常使发射结处于零偏压或反偏压,如果把晶体管当作一个开关，截止状态就相当于开关断开状态，这时管子各电极如同开路一样,饱和区,三极管处于饱和状态的条件：发射结正偏，VBE = 0.7 0.8V (锗管为0.2 0.3V)，而集电结也由反偏转为正偏。,特征是iC随CE下降而减小，增大iB，iC增加很少或几乎不增加，三极管失去放大

5、能力。,IBIBS(基极饱和电流)时，管子进入深饱和。这时VCES值很小，小功率硅管的VCES0.3V(锗管约为0.1V)。则三极管可当作一个开关，这时开关处于闭合状态,饱和时集电极-射极间的电压用VCES表示，称为三极管的饱和压降。,放大区（恒流区 ）,三极管处于放大状态的条件：必须使发射结正偏，集电结反偏,特征是IC仅受IB控制，与VCE的大小无关，具有恒流特性,PNP型晶体管的伏安特性曲线,判断三极管工作状态的方法（NPN管）,第一步: IB小于0，截止状态,第二步: IB大于0 VCE IBS或 IC ICS 饱和状态,第三步: IB大于0 VCE 0.3V或 IB IBS或 IC I

6、CS 放大状态,三极管的主要参数,电流放大系数（倍数）,直流共射电流放大系数：,交流共射电流放大系数：,直流共基电流放大系数：,交流共基电流放大系数：,极间反向电流,集电结反向饱和电流 ICBO,穿透电流 ICEO,取决于温度和少子浓度。小功率硅管，ICBO小于0.1A；锗管ICBO在几A至十几A,发射极开路时，集电极与基极间的反向饱和电流,基极开路，集射间加上一定反向电压时，从集电极穿过基区流入发射极的反向饱和电流，,ICEO是衡量三极管性能稳定与否的重要参数之一，值愈小愈好。小功率硅管在几微安以下，小功率锗管约在几十至几百微安。,极限参数,集电极最大允许电流 ICM,ICM是指电流放大系数

7、下降至正常值2/3时的IC值,集电极最大允许功率损耗 PCM,PCM = ICVCEPCM取决于管子所允许的温升。硅管最高结温为150，锗管为75。超过这个数值将导致管子性能迅速变坏，以至烧毁。PCM与散热条件有关。,反向击穿电压,V(BR)EBO集电极开路，Je结的反向击穿电压，值几伏十几伏,V(BR)CBO发射极开路，Jc结的反向击穿电压，值通常为几十伏,高反压管可高达上千伏,V(BR)CEO指基极开路，JC-JE间的反向击穿电压，通常比V(BR)CBO小,三极管的安全工作范围和温度稳定性,三极管的安全工作范围,三极管的下列三个极限参数： PCM、ICM和V(BR)CEO，在输出特性曲线上

8、画出安全工作区,三极管的温度稳定性,输入特性与温度的关系,温度升高，发射结正向压降VBE减小，温度系数约-2.5mV/,ICBO和ICEO均随温度升高迅速增大，随温度升高而增大，温度升高，整族输出特性曲线都上移，曲线间距拉大,输出特性与温度的关系,1.2.2 三极管放大电路的组成原理,放大电路(共射)的组成与各元件的作用,NPN:放大器件,核心元件,Rb和Rc:提供适合偏置-发射结正偏，集电结反偏,电容器C1、C2隔直(耦合)电容.隔离直流，传输交流,VS ，RS: 信号源电压与内阻,RL:负载电阻,将集电极电流的变化IC转换为集电极与发射极间的电压变化VCE,放大电路的基本工作原理,静态(V

9、i=0,假设放大工作状态),VBE=VBEQ，基极电流IB=IBQ=(VCC-VBEQ)/Rb,IC=ICQ=IBQ,VCE=VCEQ=VCC-ICQRc,静态:计算三极管的三极电流和极间电压值,动态(Vi0),BE=VBEQ+be=VBEQ+i,iB=IBQ+ib,iC=ICQ+ic=ICQ+ib,CE=VCEQ+ce=VCEQ-icRL,0=ce=-icRL,输入电压变化引起输出电压的变化,放大电路对信号的放大作用是利用三极管的电流控制作用来实现,1.2.3 电压传输特性和静态工作点,单管放大电路的电压传输特性(图解分析法 ),输入回路方程,输入特性曲线,输出回路方程,AB段：输出特性曲线

10、中IB0的截止区,BCDEFG段：放大区,HI段：饱和区,*静态工作点Q位置与工作状态的对应关系*,输出特性曲线,单管放大电路静态工作点(公式法计算),单电源固定偏置电路,目的：选择合适的Rb，Rc，使电路工作在放大状态,*设计时通常令: VBEQ=0.7V,VCEQ=VCC/2，ICQ=XmA 由此求两个偏置电阻*,前提:已知三极管的参数,例:已知VCC=12V，三极管的VBE=0.7V，=50。(1)若Rb=280k，RC=3k，试用估算法求静态工作点Q (2)若Rb改为110k，其余参数不变，重新计算电路的静态工作点Q值,(1),假定工作在放大状态,假设成立,(2),假定工作在放大状态,

11、假设不成立,电路处于饱和状态,需重新计算,工作点稳定的偏置电路,*工作点的稳定对电路性能有举足轻重的影响*,电路结构,电路工作原理,*三极管的静态工作点与其参数无关*,稳定工作点的另一种解释,温度TICIEVE(=IERe) (VB固定) VBE (=VB-VE) IB IC,在静态情况下，温度上升引起IC增加，由于基极电位VB固定，该电流增量通过Re产生负反馈，迫使Ic自动下降,Re愈大，负反馈作用愈强，稳定性也愈好。但Re过大，不仅会降低电源VCC的利用率，输出信号的动态范围(CE)变小，容易引起失真,Rb1、Rb2愈小，VB愈稳定。它们过小将使直流功耗增大，并造成输入交流信号的分流作用加

12、大，最终导致放大能力下降,经验公式： I1=(510)IBQ VEQ=IEQRe=0.2VCC (或VEQ=13V),例:已知VCC=15V,Rb1=36K,Rb2=10k，Rc=3.6k，Re=2k，晶体管的=60,VBE=0.7V。(1)试用估算法求静态工作点Q (2)验算放大电路参数是否满足静态工作点的稳定工作条件,验证:,例:设晶体管的VBE=0.7V,=75，其余参数如图中所示。(1)试计算电路的静态工作点Q (2)若已知晶体管的输出特性，用图解法分析该电路的Q点。,分析法,假定电路工作在放大状态,图解法,输出回路方程 :,由输出回路方程和输出特性曲线可得ICQ及VCEQ,例:设计一

13、个双极型PNP晶体管的偏置电路，设晶体管的VBE=0.6V,=60，其余参数如图中所示。为使VECQ=2.5V,试确定基极偏置电阻Rb的值,1.2.4 三极管放大与开关应用,放大器,BJT必须工作在放大区，外电路参数应保证让BJT工作在电压传输特性曲线的线性控制区,第一步:进行静态分析，求静态工作点,第二步:动态分析，求放大倍数等动态参数,I=VBB+i,i=0.5sint(V),静态分析,图示电路，取Q点在E处,动态分析,由输入特性曲线与VI求IB,I=VBB+i =1.6+0.5sint(V) iB=IBQ+ib =35+20sint(A),由输出特性曲线与IC求VCE,iC =ICQ+ic =1.5+0.5sint(mA) CE=VCEQ+ce =10-3.4sint(V),用作可控开关(或反相器),I=0:三极管截止,I=3V:三极管饱和,I C = I CN + I CB0， I CN = I C - I CB0,I B = I BN - I CB0， I BN = I B + I CB0,I E = I CN + I BN = I C + I B,I E = I CN + I BN = I C + I B,