电子线路线性部分-02.优秀PPT.ppt

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1、第第 2 章晶体三极管章晶体三极管概述概述2.1放大模式下晶体三极管的工作原理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晶体三极管的其他工作模式2.3埃伯尔斯埃伯尔斯莫尔模型莫尔模型2.4晶体三极管伏安特性曲线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晶体三极管电路分析方法2.7晶体三极管的应用原理晶体三极管的应用原理概概 述述 三极管结构及电路符号三极管结构及电路符号放射极放射极 E基极基极 BPNN+集电极集电极 C放射极放射极 E基极基极 BNPP+集电极集电极 CBCEBCE放射结放射结集电结集电结第第 2

2、 章晶体三极管章晶体三极管 三极管三种工作模式三极管三种工作模式放射结正偏，集电结反偏。放射结正偏，集电结反偏。放大模式：放大模式：放射结正偏，集电结正偏。放射结正偏，集电结正偏。饱和模式：饱和模式：放射结反偏，集电结反偏。放射结反偏，集电结反偏。截止模式：截止模式：留意：三极管具有正向受控作用，除了满足内部结构特留意：三极管具有正向受控作用，除了满足内部结构特点外，还必需满足放大模式的外部工作条件。点外，还必需满足放大模式的外部工作条件。三极管内部结构特点三极管内部结构特点1)放射区高掺杂（相对于基区）。放射区高掺杂（相对于基区）。2)基区很薄。基区很薄。3)集电结面积大。集电结面积大。第第

3、 2 章晶体三极管章晶体三极管2.1放大模式下三极管工作原理放大模式下三极管工作原理2.1.1内部载流子传输过程内部载流子传输过程 PNN+-+-+V1V2R2R1IEnIEpIBBICnICBOIEIE=IEn+IEpICIC=ICn+ICBOIBIB=IEp+IBB-ICBO=IEp+(IEn-ICn)-ICBO=IE-IC第第 2 章晶体三极管章晶体三极管q 放射结正偏：保证放射区向基区放射多子。放射结正偏：保证放射区向基区放射多子。放射区掺杂浓度放射区掺杂浓度 基区掺杂浓度基区掺杂浓度：削减基区向放射：削减基区向放射区放射的多子，提高放射效率。区放射的多子，提高放射效率。q 基基区区的

4、的作作用用：将将放放射射到到基基区区的的多多子子，自自放放射射结结传传输输到集电结边界。到集电结边界。基基区区很很薄薄：可可削削减减多多子子传传输输过过程程中中在在基基区区的的复复合合机机会会，保证绝大部分载流子扩散到集电结边界。保证绝大部分载流子扩散到集电结边界。q 集集电电结结反反偏偏且且集集电电结结面面积积大大：保保证证扩扩散散到到集集电电结结边边界界的载流子全部漂移到集电区，形成受控的集电极电流。的载流子全部漂移到集电区，形成受控的集电极电流。第第 2 章晶体三极管章晶体三极管 三极管特性三极管特性具有正向受控作用具有正向受控作用即即三三极极管管输输出出的的集集电电极极电电流流 IC，

5、主主要要受受正正向向放放射射结结电压电压 VBE 的限制，而与反向集电结电压的限制，而与反向集电结电压 VCE 近似无关。近似无关。留意：留意：NPN 型管与型管与 PNP 型管工作原理相像，但由于它们型管工作原理相像，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。方向相反，加在各极上的电压极性相反。V1NPP+PNN+V2V2V1+-+-+-+-+-+IEICIBIEICIB第第 2 章晶体三极管章晶体三极管q 视察输入信号作用在哪个电极上，输出信号从哪个电视察输入信号作用在哪个电极上，输出信号从哪个电极取出

6、，此外的另一个电极即为组态形式。极取出，此外的另一个电极即为组态形式。2.1.2电流传输方程电流传输方程 三极管的三种连接方式三极管的三种连接方式三种组态三种组态BCEBTICIEECBETICIBCEBCTIEIB(共放射极共放射极)(共基极共基极)(共集电极共集电极)q 放大电路的组态是针对沟通信号而言的。放大电路的组态是针对沟通信号而言的。第第 2 章晶体三极管章晶体三极管 共基极直流电流传输方程共基极直流电流传输方程BCEBTICIE直流电流传输系数：直流电流传输系数：直流电流传输方程：直流电流传输方程：共放射极直流电流传输方程共放射极直流电流传输方程ECBETICIB直流电流传输方程

7、：直流电流传输方程：其中：其中：第第 2 章晶体三极管章晶体三极管 的物理含义：的物理含义：表示，受发射结电压控制的复合电流表示，受发射结电压控制的复合电流 IB+ICBO，对集，对集电极正向受控电流电极正向受控电流 ICn 的控制能力。的控制能力。若忽略若忽略 ICBO，则：，则：ECBETICIB 可见，可见，为共发射极电流放大系数。为共发射极电流放大系数。第第 2 章晶体三极管章晶体三极管 ICEO 的物理含义：的物理含义：ICEO 指基极开路时，集指基极开路时，集电极直通到放射极的电流。电极直通到放射极的电流。因为因为IB=0IEPICBOICnIEn+_VCENPN+CBEICEOI

8、B=0 所以所以IEp+(IEn-ICn)=IE-ICn=ICBO因此因此第第 2 章晶体三极管章晶体三极管三极管的正向受控作用，听从指数函数关系式：三极管的正向受控作用，听从指数函数关系式：2.1.3放大模式下三极管的模型放大模式下三极管的模型 数学模型数学模型(指数模型指数模型)IS 指指放放射射结结反反向向饱饱和和电电流流 IEBS 转转化化到到集集电电极极上上的的电电流值，它不同于二极管的反向饱和电流流值，它不同于二极管的反向饱和电流 IS。式中式中第第 2 章晶体三极管章晶体三极管 放大模式直流简化电路模型放大模式直流简化电路模型ECBETICIB共发射极共发射极VBE(on)为放射

9、结导通电压，工程上一般取：为放射结导通电压，工程上一般取：硅管硅管 VBE(on)=0.7 V锗管锗管 VBE(on)=0.25 V第第 2 章晶体三极管章晶体三极管电路模型电路模型VBE+-ECBEICIBIB VCE+-直流简化电路模型直流简化电路模型VBE(on)ECBEICIBIB+-+-VCEv 三极管参数的温度特性三极管参数的温度特性q 温度每上升温度每上升 1C，/增大增大 0.5%1%，即，即q 温度每上升温度每上升 1 C，VBE(on)减小减小(2 2.5)mV，即，即q 温度每上升温度每上升 10 C，ICBO 增大一倍，即增大一倍，即第第 2 章晶体三极管章晶体三极管P

10、NN+V1V2R2R12.2晶体三极管的其他工作模式晶体三极管的其他工作模式2.2.1饱和模式饱和模式(E 结正偏，结正偏，C 结正偏结正偏)-+IF FIF+-IR RIRIE=IF-RIRICIC=FIF-IRIE 结论：结论：三极管失去正向受控作用。三极管失去正向受控作用。第第 2 章晶体三极管章晶体三极管 饱和模式直流简化电路模型饱和模式直流简化电路模型ECBETICIB共发射极共发射极通常，饱和压降通常，饱和压降 VCE(sat)硅管硅管 VCE(sat)0.3 V锗管锗管 VCE(sat)0.1 V电路模型电路模型VBE+-ECBEICIB+-VCE(sat)直流简化电路模型直流简

11、化电路模型VBE(on)ECBEICIB+-+-VCE(sat)若忽视饱和压降，三极管输出端近似短路。若忽视饱和压降，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。即三极管工作于饱和模式时，相当于开关闭合。第第 2 章晶体三极管章晶体三极管2.2.2截止模式截止模式(E 结反偏，结反偏，C 结反偏结反偏)若忽视反向饱和电流，三极管若忽视反向饱和电流，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。即三极管工作于截止模式时，相当于开关断开。ECBETICIB共发射极共发射极电路模型电路模型VBE+-ECBEICIB 截止模式直流简化电路模型截止模式直流简化

12、电路模型直流简化电路模型直流简化电路模型ECBEIC 0IB 0第第 2 章晶体三极管章晶体三极管2.3埃伯尔斯埃伯尔斯莫尔模型莫尔模型埃埃伯伯尔尔斯斯莫莫尔尔模模型型是是三三极极管管通通用用模模型型，它它适适用用于任何工作模式。于任何工作模式。IE=IF-RIRIC=FIF-IR其中其中ECBIEIF RIRIC FIFIRIB第第 2 章晶体三极管章晶体三极管2.4晶体三极管伏安特性曲线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。于任何工作模式。IB=f1E(VBE)VCE=常数常数IC=f2E(VCE)IB=常

13、数常数共发射极共发射极输入特性：输入特性：输出特性：输出特性：+-TVCEIBVBEIC+-第第 2 章晶体三极管章晶体三极管 输入特性曲线输入特性曲线VCE=0IB/AVBE/VVBE(on)0.3V10 VOV(BR)BEOIEBO+ICBOq VCE 确定：确定：类似二极管伏安特性。类似二极管伏安特性。q VCE 增加：增加：正向特性曲线略右移。正向特性曲线略右移。由于由于 VCE=VCB+VBEWB WBEBC基区宽度调制效应基区宽度调制效应注：注：VCE 0.3 V 后，曲线移动可忽视不计。后，曲线移动可忽视不计。因此当因此当 VBE 确定时：确定时：VCEVCB 复合机会复合机会

14、IB 曲线右移。曲线右移。第第 2 章晶体三极管章晶体三极管 输出特性曲线输出特性曲线q 饱和区饱和区(VBE 0.7 V，VCE 0.3 V)IC/mAVCE/VOIB=40 A30 A20 A10 A0特点特点条件条件发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏VCE曲线略上翘曲线略上翘具有正向受控作用具有正向受控作用满足满足 IC=IB+ICEO说明说明IC/mAVCE/VOVA上翘程度上翘程度取决于厄尔利电压取决于厄尔利电压 VA上翘原因上翘原因基区宽度调制效应基区宽度调制效应(VCE IC 略略)第第 2 章晶体三极管章晶体三极管在考虑三极管基区宽度调制效应时，电流在考虑三极管基区宽度调

15、制效应时，电流 IC 的修正方程的修正方程基宽基宽 WB 越小越小调制效应对调制效应对 IC 影响越大影响越大则则 VA 越小。越小。与与 IC 的关系：的关系：ICO 在在 IC 一定范围内一定范围内 近似为常数。近似为常数。IC 过小过小使使 IB 造成造成 。IC 过大过大发射效率发射效率 造成造成 。考虑上述因素，考虑上述因素，IB 等量增加时，等量增加时，ICVCEO输出曲线不再等间隔平行上移。输出曲线不再等间隔平行上移。第第 2 章晶体三极管章晶体三极管q 截止区截止区(VBE 0.5 V，VCE 0.3 V)IC/mAVCE/VOIB=40 A30 A20 A10 A0特点：特点

16、：条件：条件：放射结反偏，集电结反偏。放射结反偏，集电结反偏。IC 0，IB 0近似为近似为 IB 0 以下区域以下区域 严格说，截止区应是严格说，截止区应是 IE=0 即即 IB=-ICBO 以下的区域。以下的区域。因为因为 IB 在在 0 -ICBO 时，仍满时，仍满足足第第 2 章晶体三极管章晶体三极管q 击穿区击穿区特点：特点：VCE 增大到确定值时，集电结反向击穿，增大到确定值时，集电结反向击穿，IC 急剧增大。急剧增大。V(BR)CEO集电结反向击穿电压，随集电结反向击穿电压，随 IB 的增大而减小。的增大而减小。留意：留意：IB=0 时，击穿电压为时，击穿电压为 V(BR)CEO

17、IE=0 时，击穿电压为时，击穿电压为 V(BR)CBOV(BR)CBO V(BR)CEOIC/mAVCE/VOIB=40 A30 A20 A10 A0IB=-ICBO(IE=0)V(BR)CBO第第 2 章晶体三极管章晶体三极管q 三极管平安工作区三极管平安工作区ICVCEOV(BR)CEOICMPCM 最大允许集电极电流最大允许集电极电流 ICM(若若 IC ICM 造成造成 )反向击穿电压反向击穿电压 V(BR)CEO(若若 VCE V(BR)CEO 管子击穿管子击穿)VCE PCM 烧管烧管)PC PCM 要求要求IC ICM 第第 2 章晶体三极管章晶体三极管放放大大电电路路小小信信

18、号号作作用用时时，在在静静态态工工作作点点旁旁边边的的小小范范围围内内，特特性性曲曲线线的的非非线线性性可可忽忽视视不不计计，近近似似用用一一段段直直线线来来代代替替，从从而而获获得得一一线线性性化化的的电电路路模模型型，即即小小信信号号(或微变或微变)电路模型。电路模型。2.5晶体三极管小信号电路模型晶体三极管小信号电路模型三三极极管管作作为为四四端端网网络络，选选择择不不同同的的自自变变量量，可可以以形形成成多多种种电电路路模模型型。最最常常用用的的是是混混合合 型型小小信信号号电电路路模型。模型。第第 2 章晶体三极管章晶体三极管 混合混合型电路模型的引出型电路模型的引出基区体电阻基区体

19、电阻发射结电阻与电容发射结电阻与电容集电结电阻与电容集电结电阻与电容反映三极管正向受反映三极管正向受控作用的电流源控作用的电流源由基区宽度调制效由基区宽度调制效应引起的输出电阻应引起的输出电阻ibicbcerbb rb ecb ecb crb cb gmvb erce第第 2 章晶体三极管章晶体三极管 混合混合 型小信号电路模型型小信号电路模型 若忽视若忽视 rb c 影响，整理后即可得出混合影响，整理后即可得出混合 型电路模型。型电路模型。rb ercecb ccb erbb bcegmvb eb ibic电电路路低低频频工工作作时时，可可忽忽视视结结电电容容影影响响，因因此此低低频频混混合

20、合 型电路模型简化为：型电路模型简化为：rb ercerbb bcegmvb eb ibic第第 2 章晶体三极管章晶体三极管 小信号电路参数小信号电路参数 rbb 基区体电阻，其值较小，约几十欧，常忽视不计。基区体电阻，其值较小，约几十欧，常忽视不计。rb e 三极管输入电阻三极管输入电阻，约千欧数量级。约千欧数量级。跨导跨导 gm 表示三极管具有正向受控作用的增量电导。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。三极管输出电阻，数值较大。RL 0.3 V放大模式放大模式若若 VE 0.3 V，所以三极管工作在，所以三极管工作在放大模式放大模式。VC=VCEQ=4

21、.41 V 第第 2 章晶体三极管章晶体三极管例例 3 若将上例电路中的电阻若将上例电路中的电阻 RB 改为改为 10 k，试重新，试重新 推断三极管工作状态，并计算推断三极管工作状态，并计算 VC。解：解：假设假设 T 工作在放大模式工作在放大模式 VCCRCRB(+6V)1 k 10 k T因为因为 VCEQ 0.3 V，假设不成立，所以三极管工作在，假设不成立，所以三极管工作在饱和模式。饱和模式。第第 2 章晶体三极管章晶体三极管例例 4 已知已知 VBE(on)=0.7 V，VCE(sat)=0.3 V，=30，试，试推断三极管工作状态，并计算推断三极管工作状态，并计算 VC。解：解：

22、所以三极管工作在所以三极管工作在截止模式，截止模式，VCCRCRB1(+6V)1 k 100 k TRB22 k VBE(on)第第 2 章晶体三极管章晶体三极管+-VBBRBRC+-VCC2.6.2沟通分析法沟通分析法q 小信号等效电路法小信号等效电路法(微变等效电路法微变等效电路法)分分析析电电路路加加沟沟通通输输入入信信号号后后，叠叠加加在在 Q 点点上上的的电电压压与电流变更量之间的关系。与电流变更量之间的关系。在在沟沟通通通通路路基基础础上上，将将三三极极管管用用小小信信号号电电路路模模型型代代替替得得到到的的线线性性等等效效电电路路即即小小信信号号等等效效电电路路。利利用用该该等等

23、效效电电路路分析分析 Av、Ri、Ro 的方法即小信号等效电路法。的方法即小信号等效电路法。沟通通路：沟通通路：即即沟沟通通信信号号流流通通的的路路径径。它它是是将将直直流流电电源源短短路路、耦耦合、旁路电容短路时对应的电路。合、旁路电容短路时对应的电路。第第 2 章晶体三极管章晶体三极管小信号等效电路法分析步骤：小信号等效电路法分析步骤：画沟通通路画沟通通路(直流电源短路，耦合、旁路电容短路直流电源短路，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。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沟通指标。利用小信号等效电路分析沟通指标。计算微变参数

24、计算微变参数 gm、rb e。留意：留意：小小信信号号等等效效电电路路只只能能用用来来分分析析沟沟通通量量的的变变更更规规律律及动态性能指标，不能分析静态工作点。及动态性能指标，不能分析静态工作点。第第 2 章晶体三极管章晶体三极管例例 5 已知已知 ICQ=1 mA，=100,vi =20sin t(mV)，C=k ，画电路的沟通通路及沟通等效电路，画电路的沟通通路及沟通等效电路,计算计算 vo。virb e ibibicRB+-RCRLvo+-viibicRBRC+-RL+-vovi+-iBVBBiCVCCRBRC+-+-RLC1C25 k 第第 2 章晶体三极管章晶体三极管q 图解法图解

25、法 确定静态工作点确定静态工作点(方法同前方法同前)。画沟通负载线。画沟通负载线。画波形，分析性能。画波形，分析性能。过过 Q 点、作斜率为点、作斜率为-1/R L 的直线即沟通负载线。的直线即沟通负载线。其中其中 R L=RC/RL。分析步骤：分析步骤：图图解解法法直直观观、好好用用，简简洁洁看看出出 Q 点点设设置置是是否否合合适适，波波形形是是否否产产生生失失真真，但但不不适适合合分分析析含含有有电电抗抗元元件件的的困困难难电路。同时在输入信号过小时作图精确度降低。电路。同时在输入信号过小时作图精确度降低。第第 2 章晶体三极管章晶体三极管例例 6 输入正弦信号时，画各极电压与电流的波形

26、。输入正弦信号时，画各极电压与电流的波形。tvBEOQvBEiBOiCvCEOQIBQICQ tvCEO交流负载线交流负载线-1/R LVCEQibvi+-iBVBBiCVCCRBRC+-vBE+-vCE+-+-RLC1C2第第 2 章晶体三极管章晶体三极管 tiBOiC tOQ 点位置与波形失真：点位置与波形失真：Q 点过点过低低，vO 负负半周易半周易截止截止失真失真。PNP 管管 Q 点过点过高高，vO 正正半周易半周易饱和饱和失真失真。Q 点过点过低低，vO 正正半周易半周易截止截止失真失真。NPN 管管 Q 点过点过高高，vO 负负半周易半周易饱和饱和失真失真。由于由于 PNP 管电

27、压极性与管电压极性与 NPN 管相反，故横轴管相反，故横轴 vCE 可可改为改为-vCE。消除饱和失真消除饱和失真降低降低 Q 点点：增大增大 RB，减小减小 IBQ减小减小 RC：负载线变陡：负载线变陡,输出动态范围增加。输出动态范围增加。消退截止失真消退截止失真 上升上升 Q 点：减小点：减小 RB，增大，增大 IBQ第第 2 章晶体三极管章晶体三极管2.7晶体三极管应用原理晶体三极管应用原理2.7.1电流源电流源利用三极管放大区利用三极管放大区 iB 恒定时恒定时 iC 接近恒流的特性，可接近恒流的特性，可构成集成电路中广泛接受的一种单元电路构成集成电路中广泛接受的一种单元电路电流源。电

28、流源。iCvCEOiBVCE(sat)QiCR+-VQ+viB 恒值恒值外电路外电路(负载电路负载电路)该该电电流流源源不不是是一一般般意意义义上上的的电电流流源源，因因它它本本身身不不供供应应能能量量。电流源电路的输出电流电流源电路的输出电流 I，由外电路中的直流电源供应。，由外电路中的直流电源供应。I 只只受受 IB 限限制制，与与外外电电路路在在电电流流源源两两端端呈呈现现的的电电压压大大小小几乎无关。就这个意义而言，将其看作为电流源。几乎无关。就这个意义而言，将其看作为电流源。第第 2 章晶体三极管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。放大器的作用就是将输入信号进行不

29、失真的放大。2.7.2放大器放大器q 放大原理放大原理VIQ tvBEOIBQ tiBO tviICQ tiCOVCEQ tvCEO tvoO利利用用 ib 对对 ic 的的限制作用实现放大。限制作用实现放大。第第 2 章晶体三极管章晶体三极管+-iBviiCVCCRC+-+-VIQvo 电源电源 VCC 供应的功率：供应的功率：q 放大实质放大实质 三极管集电极上的功率：三极管集电极上的功率：负载电阻负载电阻 RC 上的功率：上的功率：第第 2 章晶体三极管章晶体三极管留意：留意：放放大大器器放放大大信信号号的的实实质质：是是利利用用三三极极管管的的正正向向受受控控作作用用，将将电电源源 V

30、CC 供供应应的的直直流流功功率率，部部分分地地转转换换为为输输出功率。出功率。电源电源 VCC 不仅要为三极管供应偏置，保证管子工作在不仅要为三极管供应偏置，保证管子工作在放大区，同时还是整个电路的能源。放大区，同时还是整个电路的能源。电源供应的功率电源供应的功率 PD 除了转换成负载上有用的输出功除了转换成负载上有用的输出功率率 PL 外，其余均消耗在晶体三极管上外，其余均消耗在晶体三极管上(PC)。三极管仅是一个换能器。三极管仅是一个换能器。第第 2 章晶体三极管章晶体三极管 顺时针与逆时针方向顺时针与逆时针方向 三极管个数相等；三极管个数相等；2.7.3跨导线性电路跨导线性电路q 跨导

31、线性环跨导线性环(TL 环环)vBE2vBE4vBE6vBE8vBE10+-+-+-+-+vBE1vBE3vBE5vBE7vBE9+-+-+-+-+N 个放大模式下工个放大模式下工 作的三极管放射结作的三极管放射结 连成一闭合回路；连成一闭合回路；若各管放射结面积相等，则：若各管放射结面积相等，则：若各管放射结面积不等，则：若各管放射结面积不等，则：其中其中第第 2 章晶体三极管章晶体三极管q 跨导线性环应用电路跨导线性环应用电路由图知：由图知：由由 TL 环知：环知：则：则：例例 1设各管放射结面积相等。设各管放射结面积相等。当当 iY 为定值时，电路可实现对为定值时，电路可实现对 iX 的平方运算。的平方运算。第第 2 章晶体三极管章晶体三极管VCCT1T2T3T4iXiYio由图知：由图知：则：则：例例 2设各管放射结面积相等。设各管放射结面积相等。由由 TL 环知：环知：若两输入电流中有一个恒定，则可实现对另一电流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。的平方根运算。第第 2 章晶体三极管章晶体三极管VCCT1T2T3T4iXiYio