模电课件第二章.pptx

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1、双极型晶体管又称为半导体三极管、晶体双极型晶体管又称为半导体三极管、晶体三极管，简称晶体管。是电子电路主要的有源三极管，简称晶体管。是电子电路主要的有源器件，可用来放大、振荡、调制等。器件，可用来放大、振荡、调制等。第1页/共71页ecb发射极发射极基极基极集电极集电极发射结发射结集电结集电结基区基区发射区发射区集电区集电区NPNcbeNPNPNPcbe(a)NPN管的原理结构示意图管的原理结构示意图(b)电路符号电路符号2-1 双极型晶体管的工作原理双极型晶体管的工作原理base collector emitter第2页/共71页(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

2、构与符号第3页/共71页说明说明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）（发射区相对于基区重掺杂）基基区薄区薄集电结的面积大集电结的面积大4.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型型第4页/共71页 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cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN图图22 晶体管内载流子

3、的运动和各极电流晶体管内载流子的运动和各极电流第5页/共71页二、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、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 第6页/共71页2-1-2 电流分配关系电流分配关系bceIBICIEcICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN第7页/共71页 一、直流电流放大系数：一、直流电流放大系数：一般一般共射极共射极含义

4、：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区去。子扩散到集电区去。第8页/共71页共基极共基极一般一般两者关系：第9页/共71页二、IC、IE、IB、三者关系：cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN 若忽略 ICBO,则第10页/共71页22 晶体管伏安特性曲线及参数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)cebiBiC输出回路输入回路(b)ecbiBiEceiEiCb(c)(a)共发射极；(b)共集电极；(c)共基极 第11页/共71页 221

5、 晶体管共发射极特性曲线一、共发射极输出特性曲线测测量量电电路路共发射极输出特性曲线：输出电流iC与输出电压uCE的关系曲线(以iB为参变量)第12页/共71页图图25 共射输出特性曲线共射输出特性曲线第13页/共71页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：在数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

6、外电路无关。第14页/共71页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)cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICNuCE 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机会 iC 第15页/共71页基调效应表明：输出交流电阻基调效应表明：输出交流电阻rCE=uCE/iCQUCEQUA(厄尔利电压厄尔利电压)ICQ第16页/共71页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

7、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 比放大时要小比放大时要小（2）U CE一定时 i B 增大，i C 基 本不变（饱和区）临界饱和：UCE=UBE，即UCB=0（C结零偏）。第17页/共71页饱和时，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Si管）UCE(sat)=0.5V|0.3V(深饱和)；（小功率Ge管）UCE(sat)=0.2V|0.1V(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。第18页/共71页3.截止区发射结和集

8、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。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。第19页/共71页 二、共发射极输入特性曲线二、共发射极输入特性曲线图图26 共发射极输入特性曲线共发射极输入特性曲线 第20页/共71页（1）U CE=0 时，晶体管相当于两个并联二极时，晶体管相当于两个并联二极管，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 U

9、CE 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。第21页/共71页三、温度对晶体管特性曲线的影响T，uBE：T，ICBO ：T，：T，IC ：结结 论论 第22页/共71页2-2-2 晶体管的主要参数 一、电流放大系数1.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。2.共射交流放大系数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。第23页/共71页4.共基交流放大系数 3.共基直流放大系数由于由于ICBO、ICEO 很小，因此很小，因此在以后的计算中，不

10、必区分。在以后的计算中，不必区分。第24页/共71页二、极间反向电流1 ICBO发射极开路时，集电极基极间的反向电流，称为集电极反向饱和电流。2 ICEO基极开路时，集电极发射极间的反向电流，称为集电极穿透电流。3 IEBO集电极开路时，发射极基极间的反向电流。第25页/共71页三、结电容包括发射结电容Ce 和集电结电容Cc 四、晶体管的极限参数 1 击穿电压U(BR)CBO指发射极开路时，集电极基极间的反向击穿电压。U(BR)CEO指基极开路时，集电极发射极间的反向击穿电压。U(BR)CEO ICM时，虽然管子不致于损坏，但值已经明显减小。例如：3DG6(NPN)，U(BR)CBO=115V

11、，U(BR)CEO=60V，U(BR)EBO=8V。第27页/共71页3 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、散热条件及环境温度等因素有关。PCM=ICUCE第28页/共71页图图27 晶体管的安全工作区晶体管的安全工作区 功耗线功耗线第29页/共71页23 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适应用晶体管时，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在的工作区间，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，则晶体管工作在饱放大区，如应用

12、在数字电路，则晶体管工作在饱和区或截止区。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。第30页/共71页直流工作状态分析（静态分析）将输入、输出特性曲线线性化（即用若干直线段表示）等效电路（模型）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第31页/共71页 231 晶体管的直流模型由外电路偏置的晶体管，其各极直流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

13、）：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 第32页/共71页(a)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uBE0iBUBE(on)0uCEiCUCE(sat)IB 0(b)输出特性近似饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区第33页/共71页(a)ebc(b)ebcIBIBUBE(on)(c)ebcUBE(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

14、 第34页/共71页例1 晶体管电路如图210(a)所示。若已知晶体管工作在放大状态，=100，试计算晶体管的IBQ，ICQ和UCEQ。(a)电路ICQUCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12VRC3k第35页/共71页(b)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eRBUBE(on)bIBQIBQcICQUCCRCUCEQUBB第36页/共71页 解 因为UBB使e结正偏，UCC使c结反偏，所以晶体管可以工作在放大状态。这时用图29(b)的模型代替晶体管，便得到图2-10(b)所示的直流等效电路。由图可知故有故有第37页/共71页(a)电路ICQUCEQ270kRBU

15、BB6VIBQUCC12VRC3k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：第38页/共71页(a)电路ICQUCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12VRC3k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。随着IBQ的增大，的增大，ICQ=IBQ也增大。也增大。UCEQ=UCC-ICQ

16、RC不断下降。不断下降。第39页/共71页(a)电路ICQUCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12VRC3k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。第42页/共71页若若假假定定为为放放大大状状态态：则则直直流流等等效效电电路路如如图图2-11(b)所示，所示，RBUBBRCUCCUEEREUBE(on)IB图2-11(b)放大状态下的等效电路第43页/共71页 UBB-UEE-UBE(on)=IBQRB+(1+)IBQRE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

17、管处于饱和状态；则晶体管处于饱和状态；第44页/共71页方法方法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态；则晶体管处于饱和状态；第45页/共71页 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RBUBBRCUCCUEEREUBE(on)UCE(sat)第46页/共71页晶体管处于饱和状态时：晶体管处于饱和状态时：RBUBBRCUCCUEEREUBE(on)UCE(sat)第47页/共71页补充例题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。5VRBUBBRERCUCC500K1K2K 12V补充例题1电

18、路第48页/共71页1.先判断晶体管是否处于截止状态：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第49页/共71页晶体管处于放大状态；第50页/共71页补充例题2 晶体管电路如下图所示。已知=100，试判断晶体管的工作状态。5VRBUBBRCUCC50K2K 12V补充例题2电路第51页/共71页1.先判断晶体管是否处于截止状态：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第52页/共71页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

19、在饱和区；则第53页/共71页例2 晶体管电路及其输入电压ui的波形如图2-12(a),(b)所示。已知=50，试求ui作用下输出电压uo的值，并画出波形图。R33kUCC5VRB39kuiuo(a)电路第54页/共71页 图图212例题例题2电路及电路及ui,uo波形图波形图05tuo/V0.3(c)uo波形图03tui/V(b)ui波形图第55页/共71页 解:当ui=0时，UBE=0，则晶体管截止。此时，ICQ=0,uo=UCEQ=UCC=5V。当ui=3V时，晶体管导通且有 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 第56页/共71页所以晶体管处于饱和。ICQIC(sat

20、)=1.4mA，uo=UCEQ=UCE(sat)=0.3V。uo波形如图212(c)所示。第57页/共71页 233 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 第58页/共71页 一、固定偏流电路图图213固定偏流电路固定偏流电路RBUCCRC单电源供电。单电源供电。UEE=0，UBB由由UCC提供提供 只只要要合合理理选选择择RB，RC的的阻阻值值，晶晶体体管管将将处处于于放大状态

21、。放大状态。第59页/共71页图图213固定偏流电路固定偏流电路RBUCCRC缺缺点点：工工作作点点稳稳定定性性差差；（IBQ固固定定，当当、ICBO等等变变化化ICQ、UCEQ的的变变化化工工作作点点产产生生较较大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）优点：电路结构简单。优点：电路结构简单。第60页/共71页二、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RBUCCRCRE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电阻电阻 第61页/共71页若 ICQIEQ UEQ(=IEQRE)ICQ IBQ UBEQ(=UBQ-UE

22、Q)RBUCCRCRE负反馈机制工作点计算式：第62页/共71页三、分压式偏置电路(a)电路RB1UCCRCRERB2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。第63页/共71页 为确保UB固定，应满足流过RB1、RB2的电流I1IBQ，这就要求RB1、RB2的取值愈小愈好。但是RB1、RB2过小，将增大电源UCC的无谓损耗，因此要二者兼顾。通常选取并兼顾并兼顾UCEQ而取而取第64页/共71页分析：电路的基极与地之间用戴维南定理等效(a)电路RB1UCCRCRERB2图图215分压式偏置电路分压式偏置电路

23、RB2UCC基极基极地地RB1RBUBB基极基极地地第65页/共71页其中 RB=RB1RB2(b)用戴维南定理等效后的电路UCCRCRERBICQUBBIBQ工作点计算：第66页/共71页例3 电路如图215(a)所示。已知=100,UCC=12V,RB1=39k,RB2=25k,RC=RE=2k，试计算工作点ICQ和UCEQ。(a)电路RB1UCCRCRERB2第67页/共71页 解：(a)电路RB1UCCRCRERB2=100,UCC=12V,RB1=39k,RB2=25k,RC=RE=2k第68页/共71页若按估算法直接求ICQ，则：第69页/共71页若增加，工作点是否发生改变？设=150。(a)电路RB1UCCRCRERB2第70页/共71页感谢您的观看。第71页/共71页