电子线路第二章.ppt

第二章 晶体三极管,2.0 引言 2.1 放大模式下晶体三极管工作原理 2.2 晶体三极管的其它工作模式 2.3 埃伯尔斯莫尔模型 2.4 晶体三极管的伏安特性曲线 2.5 晶体三极管的小信号电路模型 2.6 晶体三极管电路分析方法 2.7 晶体三极管应用原理,引言,组成：,三个区：发射区、集电区、基区；三个极：发射极E、集电极C、基极B；两个结：发射结、集电结；,一、晶体管的结构及符号,是两个靠得很紧，而且是背对背的PN结。,结构：,晶体三极管是带正电的空穴和带负电的电子均参与导电，故又称为双极型晶体管。因为晶体管具有两个PN结，由于两个PN结的相互影响，使得晶体管对外加信号具有放大作用，这一点三极管和二极管截然不同。,2.0 引 言,E,C,B,集电结 CB结,发射结 EB结,集电极,基极,发射极,集电区,基区,发射区,三个区：发射区、集电区、基区；,NPN晶体管示意图,三个极：发射极E、集电极C、基极B；,两个结：发射结、集电结。,2.0 引 言,即 NPN型与 PNP型,电路符号（a）,电路符号（b）,NPN型结构示意图(a),PNP型结构示意图（b）,根据杂质半导体的排列方式不同，晶体三极管有两种不同的类型，并且只有两种类型。,2.0 引 言,二、晶体三极管的主要特性：,晶体三极管的主要特性与它的工作状态有关：,放大状态：定义为发射结外加正偏电压，集电结外加 反偏电压。,饱和状态：定义为发射结外加正偏电压，集电结外加 正偏电压。,截止状态：定义为发射结外加反偏电压，集电结外加 反偏电压。,主要特性：正向受控作用，是实现放大器的基础。,主要特性：受控开关特性，是实现开关电路的基础。,2.1 放大模式下晶体管的工作原理,内部载流子的传输,发射区向基区注入载流子的过程,电子在基区扩散和复合的过程,集电结收集电子的过程,电流的传输方程,各极电流之间的关系式：,和ICEO 的物理含义,晶体管一般模型,指数模型,简化电路模型,一、晶体管内载流子的传输过程,晶体三极管的两个PN结是通过基区产生耦合作用，连接在一起的。,以NPN型晶体三极管为例，分析晶体三极管处于放大模式下，载流子传输过程。,2.1 放大模式晶体管的工作原理,电子流,IE,（1）发射区向基区注入载流子的过程：,穴也要注入发射区，,发射结正偏后，N区的电子源源不断注入基区，,管内载流子传输过程,基区的空,正向扩散电流，即 IEn+IEp 方向由P区指向N区。,空穴流,由发射区和基区的多子通过PN结而形成,为满足电中性条件，必须通过外电路向发射区补充电子，因此外电路的电流为：IE=IEn+IEp,（IE 的方向为发射极流出）,2.1 放大模式晶体管的工作原理,（2）电子在基区扩散和复合的过程：,扩散过程中又会与基区空穴复合，复合掉的空穴有外电源补充，形成基极电流IB；,由于发射区向基区注入大量电子，基区电子浓度增大，于是电子不断的向集电结扩散。,由此可见，IB是电子在基区与空穴复合的电流。,IB,复合,2.1 放大模式晶体管的工作原理,漂移,ICBO,（3）集电结收集电子的过程：,集电结加较大的反偏，结电场很强，由基区扩散到集电结边缘的电子，迅速漂移越过集电结进入集电区。,流子也要经集电结漂移，构成反向饱和电流ICBO。,形成从外电路,流进集电区的集电极电流IC；,另一方面，集电结两边的少数载,2.1 放大模式晶体管的工作原理,（4）运动过程的载流子电流的关系：,ICp,ICn2,ICBO,ICn1,ICn1,由基区非平衡少子电子在外电场作用下形成的漂移电子电流。,ICp,由集电区中热平衡少子空穴，在外电场作用下，形成的漂移空穴电流。,ICn2,由基区中热平衡少子电子，在外电场作用下，形成的漂移电子电流。,集电结总的载流子电流为：,ICn1+ICp+ICn2；,为满足电中性条件，必须通过外电路向集电区补充空穴，因此，外电路的电流为,IC=ICn1+ICp+ICn2=ICn1+ICBO。,令 ICp+ICn2=ICBO。,2.1 放大模式晶体管的工作原理,IEp,由基区热平衡多子空穴，在外电场作用下，扩散到发射区形成的空穴电流。,IEn ICn1,由基区非平衡少子电子复合掉热平衡多子空穴的复合电流。,IEp,2.1 放大模式晶体管的工作原理,ICn1,IEn,总结两个PN结，共同形成流入基区的载流子电流为,为满足电中性条件，必须通过外电路向基区补充空穴，因此，外电路的电流为：,IB 的方向为基极流入。,IEp+(IEn ICn1)(ICp+ICn2),IB=IEp+(IEn ICn1)(ICp+ICn2),=IEp+(IEn ICn1)ICBO,2.1 放大模式晶体管的工作原理,综上所述可得：,IE=IEn+IEp,IC=ICn1+ICp+ICn2=ICn1+ICBO,IB=,IEp+(IEn ICn1)ICBO,IC+IB=ICn1+ICBO+IEp+(IEn ICn1)ICBO,=IEn+IEp=IE,即,IE=IC+IB,2.1 放大模式晶体管的工作原理,2.1 放大模式晶体管的工作原理,分析讨论：,（1）只有发射区中的多子自由电子通过发射结,基区,集电结,集电区。,并且ICn1 的大小只受发射结的电压VBE 的控制。,当 VBE,IEn,ICn1 时，,ICn1 的大小几乎不受集电结反偏电压的控制。,（2）其它载流子电流，只能分别产生两个结的电流，而不 会转化另一个结的电流。它们对正向控制作用来说都 是无用的。称为晶体三极管的寄生电流。,（3）对晶体三极管来说要减小寄生电流，以保证受控载流 子的传输效率，即提高放大性能。,即：将IEn 转化为ICn1，,2.1 放大模式晶体管的工作原理,通过上面的分析可知，在制造晶体三极管时，必须满足下列条件：,（1）发射结为不对称结。,（2）基区的宽度很窄。,（3）集电结的面积大于发射结的面积。,二、电流的传输方程,电流传输方程是指晶体三极管在上述正向受控（放大）过程中各极电流之间的关系。,晶体管为三端器件，作为四端网络时，必定有一个极作为输出与输入端口的公共端点，如下图所示。,2.1 放大模式晶体管的工作原理,共发射极组态,共集电极组态,2.1 放大模式晶体管的工作原理,2.1 放大模式晶体管的工作原理,1.各极电流之间的关系式：,根据内部载流子传输过程分析可知，ICn1是由IEn转化得到的：,设,为转化系数（或称为转化能力）。,定义：,（因 IEnIEp，故 IEnIE）。,已知：IC=ICn1+ICBO,(共基极连接时，电流传输方程),所以：,因 ICnIE，,通常ICBO很小，尤其是硅材料制作的硅管，一般可忽略。,方程可近似为：,称为共基极电流传输系数。,2.1 放大模式晶体管的工作原理,所以,已知：IE=IC+IB,令,则方程可为：,令,则,（共发射极连接时，电流传输方程）,称为共发射极电流放大系数，其值大于1,ICEO 是基极开路时（IB=0）的集电极电流，称为穿透电流。通常很小。,所以上式可简化为,*,将此式,2.1 放大模式晶体管的工作原理,将,得：,（共集电极连接时，电流传输方程）,通常ICEO 很小，可忽略，则,已知：IE=IC+IB,*,代入此式,（共集电极连接时，电流传输方程）,（共发射极连接时，电流传输方程）,(共基极连接时，电流传输方程),电流的传输方程,2.1 放大模式晶体管的工作原理,将,代入,故,表示晶体三极管的基极电流IB 对集电极电流IC 的控制能力。,实际上表示为IB中受发射结电压控制的电流成分（IB+ICBO）对集电极正向受控电流成分（ICn1=ICICBO）的控制能力。通常ICBO 很小，则可忽略。,的物理含义：,2.1 放大模式晶体管的工作原理,例如,时，,表明共发射极连接时，晶体三极管具有电流放大作用。但其值有较大的离散性。,2.1 放大模式晶体管的工作原理,ICEO 的物理含义,ICEO 是基极开路（即 IB=0）时，由集电极直通到发射极的电流。,根据图可得：,集电结上外加反偏电压，发射结外加正偏电压。晶体三极管仍工作在放大模式，具有放大模式，即放大作用。,2.1 放大模式晶体管的工作原理,当IB=0 时，,IEp+(IEn ICn1)=ICBO,所以,ICEO 远大于ICBO，在常温下ICEO 也很小，可以忽略。,三、一般模型,2.1 放大模式晶体管的工作原理,指数模型,电流传输方程,共B 组态,共E 组态,共C组态,不论采用哪种方式连接，其输出电流与输入电流之间的关系是线性的。,2.1 放大模式晶体管的工作原理,实际上，控制电流IE或IB是受发射结电压VBE控制的。VBE为发射结正向偏置电压，因此，IE应该服从下面的指数关系。,式中IEBS 为发射结的反向饱和电流。,则相应的集电极电流IC 可近似的表示为：,式中,2.1 放大模式晶体管的工作原理,简化电路模型：,晶体三极管实质上是输出电流受输入发射结电压控制的非线性器件。当共E连接时电路如图所示。,电流关系：,+VCE-,+VBE-,电路可等效为：,共发射极连接时模型,2.1 放大模式晶体管的工作原理,在工程分析时，可忽略二极管的正向导通电阻，电路又可等效为：,共发射极连接时模型,简化电路模型,2.1 放大模式晶体管的工作原理,晶体三极管的参数：,均为温度敏感参数。,在工程分析时，可近似认为：,每升高1,增大,（0.51）%,即,每升高1 VBE(on)减小（22.5）mV,每升高10 ICBO 增大一 倍，,即,2.2 晶体三极管的其它工作模式,放大模式,截止模式,饱和模式,一、饱和模式,当两个PN结均加正向偏置电压。,晶体三极管内部载流子传输过程：,2.2 晶体三极管的其它工作模式,可分解为两个方向相反的传输过程的叠加。即正向传输和反向传输。,正向传输,2.2 晶体三极管的其它工作模式,发射结产生的正向偏置电流为IF，现将它转移到集电极，则为,假设发射结正偏置，集电结零偏。,反向传输,2.2 晶体三极管的其它工作模式,集电结正偏产生的反向传输电流为IR，转移到发射极的电流为,假设发射结零偏置，集电结正偏置。,2.2 晶体三极管的其它工作模式,与 分别为共基极连接时，正向电流传输系数和反向电流传输系数。,综合分析：,由此可见，在饱和模式下，IE和IC将同时受到两个结正偏电压的控制作用，已不再具有放大模式下的正向受控作用。,2.2 晶体三极管的其它工作模式,若VBC,IE、IC,IR,由于,增加了IR 的空穴电流成分,IB,IR,因此，IC与IE之间或IC与IB之间均不满足放大状态下的电流传输方程。,在饱和模式下，可近似的用两导通电压表示。即,VBE(sat)与 VBC(sat)称为饱和导通电压。,对硅管一般取,VBE(sat)VBE(on)=0.7V,VBC(sat)VBC(on)=0.4V,当共发射极连接时（如图）：,VCE=VCB+VBE=VBE-VBC=0.7V 0.4V=0.3V,当晶体三极管处于饱和状态时，其饱和压降为：VCE(sat)=0.3V,2.2 晶体三极管的其它工作模式,饱和模式下共发射极连接时的简化电路模型（如图）：,(对小功率晶体三极管而言),二、截止模式,晶体三极管发射结、集电结均反偏。,若忽略它们的反向饱和电流，则可近似认为晶体三极管的各极电流为零。,2.2 晶体三极管的其它工作模式,截止模式下共发射极连接时的，简化电路模型（如图）：,2.3 埃伯尔斯莫尔模型,埃伯尔斯莫尔模型：是晶体三极管的通用模型，适用于各种工作模式。,设晶体三极管处于饱和模式时，两个结均加正偏。,由前节可知：,IF 为发射结正偏电流；,IR 为集电结正偏电流。,它们与结电压之间均满足指数关系：,将其代入右式：,则可得晶体三极管的 IE 与 IC。,2.3 埃伯尔斯莫尔模型,则晶体三极管的 IE 与 IC 可分别表示为：,根据上式，画出相应的电路模型：,2.3 埃伯尔斯莫尔模型,2.3 埃伯尔斯莫尔模型,2.3 埃伯尔斯莫尔模型,同理将 代入,得：,令：,所以,同理：,式中,2.3 埃伯尔斯莫尔模型,根据方程组,可画出相对应的电路模型：,2.3 埃伯尔斯莫尔模型,虽然是在晶体三极管工作在饱和模式下推导出来的，实际上它是用于各种工作模式下的通用模型。,例如 发射极正偏，集电结反偏。晶体三极管处在放大模式：,选用（b）图模型,当集电结反偏时，通过的电流为反向饱和电流 ICBO，其值很小，可以忽略。,即,此式为共基极连接时电流传输方程。,埃伯尔斯莫尔模型应用,2.3 埃伯尔斯莫尔模型,选用（a）图 模型,当发射结正偏、集电结反偏时IR=-ICBS，其值很小可忽略。,即：,当两个结均加反偏时：晶体三极管,则有：IR=-ICBS，IF=-IEBS。,工作在截止模式。,所以,由于ICBS与IEBS均很小可忽略。,故 IC=0、IE=0，因而 IB=0。,2.4 晶体三极管的伏安特性,引 言,输出特性曲线族,极 限 参 数,输入特性曲线族,2.4 晶体三极管的伏安特性,晶体三极管的理想伏安特性曲线，可以根据埃伯尔斯莫尔方程直接画出来。,理想伏安特性曲线：,是不考虑中性区所固有的体电阻、制造工艺上的离散性以及其它的寄生影响等因素。,如果考虑到这些影响，则实际的伏安特性曲线将偏离理想伏安特性曲线。一般都采用实验方法逐点描绘出来或用晶体三极管测试仪直接侧得。,一、引言,2.4 晶体三极管的伏安特性,以共发射极为例：,由电路可知：,有四个变量 IB、VBE、IC、VCE。,输入特性曲线族,输出特性曲线族,或,在某些应用场合下，还需要其它形式的特性曲线，这些特性曲线都可以从上述的输入和输出特性曲线转换得到。,例如转移特性曲线族,电流放大特性曲线族,2.4 晶体三极管的伏安特性,二、输入特性曲线族,实际测量得到的输入特性曲线族。,2.4 晶体三极管的伏安特性,基区宽度调制效应：,2.4 晶体三极管的伏安特性,三、输出特性曲线族,实际测量得到的输出特性曲线族。,放大区,击穿区,根据外加电压大小的不同，整个曲线族可划分为四个区：放大区、截止区、饱和区、击穿区。,2.4 晶体三极管的伏安特性,1、放大区：,晶体三极管工作在放大模式，即 发射结正偏，集电结反偏。,IC 与 IB 之间满足直流传输方程，即,特点：,（1）若设 为常数，当IB等量增加时，输出特性曲线也将等间隔的平行上移。由于基区宽度调制效应，当VCE 增大时，基区复合减小，导致 和相应的 略有增大。,因此，每一条以IB为参变量的曲线都随VCE 增大而略有上翘。,2.4 晶体三极管的伏安特性,（2）若取VBE 为参变量，作特性曲线：,VA称为厄尔利电压，其值的大小可用来表示输出特性曲线的上翘程度。VA越大，上翘程度就越小。,考虑厄尔,应该加以修正为：,利电压的影响，则,2.4 晶体三极管的伏安特性,2、截止区：,晶体三极管工作在截止模式，即发射结反偏，集电结反偏。,工程上可规定 IB=0（相应地 IC=ICEO）以下的区域称为截止区。,特点：,（1）VCE 很大，其值接近偏置电压。,（2）严格的说，截止区应该是 IE=0 以下的区域。,当 IE=0 时 IC=ICBO，IB=-ICBO。,2.4 晶体三极管的伏安特性,3、饱和区：,晶体三极管工作在饱和模式，即 发射结正偏，集电结正偏。,特点：,（1）VCE 很小，其值小于0.3V。（仅适合小功率管）,（2）IC 与 IB 之间不满足直流传输方程，并且有IC IB,（3）在工程上，一般忽略IB的影响，并以VCE=0.3V 作为放 大区和饱和区的分界线,（4）由于存在着体电阻和引线电阻，电流越大，在其上产生 的压降就越大，相应曲线开始饱和的VCE 也就越大，因 此，大功率管开始饱和的VCE 大于小功率管。,（5）如果VCE继续减小，并且延伸到负值方向，IC变为负值，晶体三极管便进入反向工作区。,2.4 晶体三极管的伏安特性,2.4 晶体三极管的伏安特性,4、击穿区：,随着VCE增大，加在集电结上反偏电压VCB相应增大，当VCE增大到一定值时，集电结发生反向击穿，使电流IC剧增。,特点：,（1）集电结是轻掺杂的，产生的反向击穿主要是雪崩 击穿，击穿电压较大。,（2）在基区宽度很小的三极管中，会发生特有的穿通 击穿。即 VCE增大，VCB相应增大，导致集电结宽 度增宽，直到集电结与发射结相遇，基区消失。,（3）集电极反向击穿电压随IB增大而减小（碰撞机会增加）。,当IE=0，即IC=ICBO，IB=-ICBO时，击穿电压最大用V(BR)CBO 表示。,V(BR)CBO V(BR)CEO,当基极开路，即IB=0，IC=ICBO时，击穿电压为V(BR)CEO。,2.4 晶体三极管的伏安特性,四、极限参数,ICM 最大允许集电极电流。,V(BR)CEO 集电极反向击穿电压。,PCM 最大允许集电极耗散功率。,2.5 晶体三极管的小信号电路,小信号电路模型,小信号电路模型导出,h参数的物理意义,输入电阻rbe的计算,2.5 晶体三极管的小信号电路,当叠加在Q点上的各交流量足够小时，它们之间的关系可近似用线性函数描述，则相应等效的线性电路，就是晶体三极管的小信号电路模型。,设在晶体三极管各极直流电压和电流上叠加一增量电压和电流（即交流量）。,以共发射极组态为例：,根据电路图有,iB=IBQ+ib，vBE=VBEQ+vbe,iC=ICQ+ic，vCE=VCEQ+vce,其中 IBQ、ICQ、VBEQ、VCEQ 为直流分量，是由直流静态工作点Q点所确定的电压和电流。,小信号电路模型,2.5 晶体三极管的小信号电路,注意：,大写字母、大写下标，表示直流量。,例如 IB、VBE 等，如增加下标Q，是用来限定Q点 上的直流量，,小写字母、小写下标，表示交流量。,例如 ib、vbe 等。,小写字母、大写下标，表示总瞬时量。,例如iB、vBE 等。,如IBQ、VBEQ 等。,为了避免符号混淆，应服从下面约定。,2.5 晶体三极管的小信号电路,晶体三极管可等效为二端网络.,晶体三极管的小信号电路模型，可以通过数学分析逐步推导出：,对四个变量iB、iC、vBE、vCE可以用其中的两个,如取iB 与 vCE 作为自变量，则,输入回路的非线性函数,输出回路的非线性函数,变量作为自变量，另外两个变量作为自变量的非线性函数。,小信号电路模型导出,2.5 晶体三极管的小信号电路,用幂级数在Q点上对交流量展开，得,高阶项,高阶项,其中,2.5 晶体三极管的小信号电路,高阶项,若交流量很小，则高阶项可以忽略。,高阶项,所以,令：,上述方程可写为：,输入回路,输出回路,2.5 晶体三极管的小信号电路,计算,当令 vce=0 时，,则有 vbe=h11 ib,故,输出端交流短路时的输入电阻,用rbe表示，即 h11=rbe（单位：欧姆）,当令 ib=0 时 则有 vbe=h12vce,故,输入端交流开路时的反向电压 传输系数,其值很小可忽略，无量纲。,2.5 晶体三极管的小信号电路,当令 vce=0 时 则有 ic=h21 ib,故,输出端交流短路时的正向电流 传输系数,h21通常用表示，无量纲。,当令 ib=0 时 则有 ic=h22vce,故,输入端交流开路时的输出电导（单位，西门子）,1/h22=rce,2.5 晶体三极管的小信号电路,由输入回路和输出回路方程，可画出晶体三极管的小信号电路模型。,输入回路得：,输出回路得：,如图为共E接法双口网络。,2.5 晶体三极管的小信号电路,将两电路组合成为晶体三极管的小信号电路模型：,2.5 晶体三极管的小信号电路,晶体三极管输入与输出回路电流变量与电压变量之间的关系：,2.5 晶体三极管的小信号电路,由网络参数的定义，指出四个参数（h11 h12 h21 h22）和晶体管特性曲线之间的关系及其物理意义。,当vCE为固定值时(vCEQ)，vBE对iB的偏导，从输入特性看就是在某条曲线上(vCE=vCEQ)Q处曲线斜率的倒数。,曲线较平直的部分有：所以用Q点附近的 来近似这点的导数是可以得。,由图可知，Q点越高，则h11越小。,h参数的物理意义,2.5 晶体三极管的小信号电路,当iB为固定值时，vCE对vBE的影响的大小。,2.5 晶体三极管的小信号电路,当vCE为固定值时(vCEQ)，iB对iC的影响。反映了晶体管对电流的放大能力。从图中可知，Q点附近曲线间距越大，则h21越大，反之越小。,当iB为固定值时，vCE对iC的影响的。从图中可知，输出特性越倾斜，h22越大。h22是Q点切线的斜率。,2.5 晶体三极管的小信号电路,输入电阻，其反映了输出电压vCE不变时，输入电压vBE对输入电流iB的影响程度。,反向电压传输系数，其反映了iB不变时输出电压vCE对输入电压vBE的影响程度。,正向电流传输系数，其反映了晶体管对电流的放大能力。,输出电导，其反映了iB不变时输出电压vCE对输出电流iC的影响程度。,2.5 晶体三极管的小信号电路,在实际应用中h12很小，而h22对与它相并联的负载来说很大。因此，它们在电路中可以忽略，因此电路可简化。,简化,2.5 晶体三极管的小信号电路,在低频运用中，rbb 约为200,（h21通常用表示）,晶体管输入电阻rbe的计算,2.5 晶体三极管的小信号电路,求 值，先求iE。,由PN结的伏安特性可得：,（vBE0.1V，）,对上式微分：,在静态时，iE=IE，VT=26mV；,2.5 晶体三极管的小信号电路,若取vBE、vCE 为自变量，,则有输入回路的非线性函数,则有输出回路的非线性函数,用幂级数在Q点上对交流量展开，得：,高阶项,高阶项,其中,2.5 晶体三极管的小信号电路,所以:,高阶项,高阶项,若交流量很小，则高阶项可以忽略。,故有：,2.5 晶体三极管的小信号电路,令：,则上述方程为：,输入回路,输出回路,根据电路方程画出等效电路：,输入回路,输出回路,2.5 晶体三极管的小信号电路,将两电路组合成为，晶体三极管的小信号电路模型：,2.5 晶体三极管的小信号电路,计算gbe、gbc、gm、gce 等参数：,令,所以,gm表示正向受控作用的增量电导，称为晶体三极管的互导或跨导。,令,称为晶体三极管的输入电阻。,2.5 晶体三极管的小信号电路,式中和分别称为共基极交流电流传输系数和共发射极交流电流放大系数。,由于iC 与iE、iC 与iB之间均为线性关系。,即,因而,今后不再在符号上加以区别，一律用和书写。,计算re：,所以,2.5 晶体三极管的小信号电路,由基区宽度调制效应引入的两个小信号参数：,式中,为集电极在Q点上的电流。,一般情况下VCEQ|VA|，因此有,rce一般在105106范围内，若与它并联的外电路电阻小于104，则rce可以忽略。,2.5 晶体三极管的小信号电路,gbc=1/rbc称为反馈电导，表示输出交流电压vce对输入交流电流ib的反作用。gbc远小于gce，在工程分析时，一般均忽略不计。,因此，晶体三极管的小信号电路模型可简化为：,2.5 晶体三极管的小信号电路,若考虑rce的影响时，等效电路为：,若考虑基区串联电阻rbb 的影响时，等效电路为：,在IEQ过大时，rbe过小，rbb 的影响显著。,2.5 晶体三极管的小信号电路,当晶体三极管在高频工作时，还必须考虑结电容的影响，则等效电路为：,2.5 晶体三极管的小信号电路,将上述的两种简化等效电路进行比较；,得,故,2.5 晶体三极管的小信号电路,总结：,（1）对于四端网络，选择不同的自变量，还可以形成其它形式的电路模型。但它们都是等价的，可以进行转换。,（2）除了共发射极连接型式外，还可以连接成共集电极与共基极的电路模型。,（3）小信号电路模型，是用来描述叠加在直流分量上的各交流分量之间的依存关系，与直流的极性或电流流向无关。,（4）无论哪种类型的晶体三极管，它们的小信号电路模型是一样的。,2.6 晶体三极管电路分析法,图解分析法,工程近似分析法,小信号等效电路分析法,一、图解法,2.6 晶体三极管电路分析法,用作图的方法定量的分析放大器的基本性能称为放大器的图解分析法。,重要特点：交流和直流共存于电路之中。,放大器的图解分析法：,1、先找出直流分量（确定静态工作点）。,2、确定交流分量（给出各电流、电压波形）。,在分析放大电路时，应遵循“先静态，后动态”的原则，求解静态工作点时应利用直流通路，求解动态参数时应利用交流通路。两种通路切不可混淆。,2.6 晶体三极管电路分析法,对放大器进行分析时，可分成直流通路和交流通路。,1直流通路和交流通路,直流通路是在直流电源作用下直流电流流经的路径。,交流通路是在输入信号作用下交流信号流经的路径。,直流通路可确定出晶体管的静态工作点。对于直流通路：,1、电容视为开路；2、电感线圈视为短路，即忽略线圈电阻；3、交流信号源视为零，但应保留其内阻。,1、容量大的电容（耦合电容）视为短路；2、无内阻的直流电源（如+VCC)视为短路；,交流通路可分析电路中各交流信号的关系，并可以用公式表示出放大器的性能指标。对于交流通路：,2.6 晶体三极管电路分析法,由所给电路图画出其直流通路和交流通路。,2.6 晶体三极管电路分析法,例1：单管放大电路，绘出其直流通路和交流通路。,2.6 晶体三极管电路分析法,例2：阻容耦合放大电路，绘出其交直流通路。,2.6 晶体三极管电路分析法,静态工作状态：没有输入信号时，放大器所处的状态，如图所示。,在未加VI时，输入回路由于静态工作点对放大器的放大倍数、失真和管耗都有影响，所以，分析静态工作点的目的就在于选择合适的静态工作点，使放大器工作在较佳的状态。,根据基尔霍夫定理可列方程：,输入回路：VBE=VBB-IBRB,输出回路：VCE=VCC-ICRC,2用图解法确定静态工作点（直流分析）,2.6 晶体三极管电路分析法,解决VBEQ、IBQ、VCEQ、ICQ 值的问题。,晶体三极管输入、输出特性曲线,已知晶体三极管的输入和输出特性曲线如图所示。,通过IB、VBE、IC、VCE来确定静态工作点。,2.6 晶体三极管电路分析法,输入回路方程：VBE=VBB-IBRB，,在输入特性曲线上作直线,VBE=0时，IB=VBB/RB,令：IB=0时，VBE=VBB,VBEQ,IBQ,VBB,VBB/RB,Q,负载线与输入特性曲线的交点Q即为输入回路的静态工作点。,此式代表一直线负载线，其斜率：-1/RB。,Q点坐标VBEQ和IBQ分别为晶体管静态时的发射极电压和基极电流。,（负载线）,2.6 晶体三极管电路分析法,在晶体三极管的输入特性曲线上作直线,2.6 晶体三极管电路分析法,输出回路方程：VCE=VCC-ICRC,在输出特性曲线上作直线,VCE=0时，IC=VCC/RC,令：IC=0时，VCE=VCC,负载线与IB一条输出特性曲线交点Q即为输出回的静态工作点。,此式为输出回路的负载线方程，其斜率：-1/RC。,Q点对应的坐标VCEQ和ICQ分别为晶体管静态时的集电极发射极电压和集电极电流。,（负载线）,IB,IB+IB,VCC,VCC/RC,Q,VCEQ,ICQ,IB-IB,2.6 晶体三极管电路分析法,在晶体三极管的输出特性曲线上作直线,2.6 晶体三极管电路分析法,3用图解法分析动态工作情况（交流分析）,在图电路的输入回路中，接入一个输入信号电压VI，则有：,输入回路方程为：,令：,+IB,+VBE,=vBE,=iB,2.6 晶体三极管电路分析法,输入回路方程为：,令：,VBB+VI,Q,在输入特性曲线上负载线。,负载线与输入特性曲线交点Q即为输入回路的静态工作点。,图中Q点坐标VBE+VBE和IB+IB分别为晶体管加入信号电压VI时后的发射极电压和基极电流。,VBE+VBE,IB+IB,2.6 晶体三极管电路分析法,输出回路负载线方程：VCE=VCC-ICRC,iC=IC+IC,此时：vCE=VCE+VCE,基极电流由IB变为IB+IB，所以应由IB+IB即iB的输入特性曲线与输出回路负载线的交点Q来确定其工作状态。,若VI负值，则输出回路的工作点将从Q点沿负载线下移。,Q,VCE+VCE,IC+IC,若输入信号为一正弦电压，则同样可按上述方法进行图解分析。,2.6 晶体三极管电路分析法,作负载线,输入回路图解,VBB-VI,VBB+VI,Q1,Q2,VBQ,若输入信号为一正弦电压，则分析图如图所示,2.6 晶体三极管电路分析法,（1）根据vi在输入特性上绘出iB的波形。,由输入特性上绘出iB的波形,2.6 晶体三极管电路分析法,ib,（2）根据iB的摆动范围绘出iC的vCE的波形。,由输出特性上绘出iC的vCE的波形,ic,二、工程近似分析法解法,2.6 晶体三极管电路分析法,在进行直流分析时，工程上常常采用简化电路模型的方法进行近似分析时。,采用工程近似分析时，必须确定晶体三极管的工作模式，才能采用相应的电路模式，通常先假定晶体三极管工作在放大模式，而后再由分析结果，确定实际的工作模式。,例1,例2,例3,三、小信号等效电路分析法,2.6 晶体三极管电路分析法,利用小信号等效电路模型分析时，必须先要对电路进行直流分析，计算出静态工作点Q上的各极直流电压和电流，,对图示电路进行分析：,再利用直流参数计算混合型等效电路中的各交流参数。,例如 gm、rbe（或 rbe）、rce 等。而后利用小信号等效电路模型，计算各极的交流电压和电流。,直流分析：,令交流电源为零，即交流电压源短路（vs=0），交流电流源开路（i），画直流通路：,IBQ,VBEQ,ICQ,2.6 晶体三极管电路分析法,再根据ICQ 或 IEQ 计算出gm、rbe（或 rbe）、rce得值。,2.6 晶体三极管电路分析法,交流分析：,再用小信号等效电路模型替代，晶体三极管T，画出相应的混合型等效电路。(忽略 rbb),令直流电源为零，即直流电压源短路（VBB=0，VCC=0），,画交流通路：,2.6 晶体三极管电路分析法,根据电路列方程：,所以各极的电压和电流为,2.6 晶体三极管电路分析法,例4,5,7,8,6,2.7 晶体三极管应用原理,电流源,放大器,跨导线性电路,一、电流源,2.7 晶体三极管应用原理,理想电流源及伏安特性如图所示：,晶体三极管的等效电流源及伏安特性如图所示：,二、放大器,2.7 晶体三极管应用原理,放大器的作用：,将输入信号进行不失真的放大，使输出信号强度（功率、电压或电流）大于输入信号强度，并不失真的重现输入波形。,图示为放大器的基本电路,VIQ为Q点的电压；,vi为要放大的输入信号电压。,vi叠加在直流电压VIQ 上。,2.7 晶体三极管应用原理,作为受控器件的控制量，控制受控电流源电流io。当vi 足够小时，io 将不失真的反映vi 的变化，即,输入端输入信号电压 vi，,工作原理：,vi叠加在直流电压VIQ 上，则有：,2.7 晶体三极管应用原理,根据上述讨论可画出晶体三极管各端电压和电流的波形图。,波形图：,2.7 晶体三极管应用原理,对放大电路中各部分功率的分析：,直流电源VCC 提供的功率,加到RC负载上的功率,2.7 晶体三极管应用原理,加到晶体管上的功率,由于,所以,三、跨导线性电路,2.7 晶体三极管应用原理,利用晶体三极管工作在放大模式下，呈现的指数律伏安特性，将N个（N为偶数）工作在放大模式下晶体三极管的发射结（或二极管）接成如图所示的闭合电路。,2.7 晶体三极管应用原理,由电路可以看出：其中一半管子按顺时针方向连接，另一半管子按逆时针方向连接,这种电路可以实现电流量之间线性和非线性的运算。,2.7 晶体三极管应用原理,工作原理：,由电路可知，各发射结电压之和应为零。,即,则可认为,2.7 晶体三极管应用原理,当工作在放大模式下，并且忽略基区宽度调制效应时，晶体三极管（或二极管）的伏安特性，可用指数特性表示。,或,则有,根据对数量之和可等于各量乘积的对数：,即,2.7 晶体三极管应用原理,在相同工艺条件下，晶体三极管的IS与其发射结面积S成正比，,因此上式可写为：,令,（称为发射结面积因子）,在环路中，当各管的发射结面积相等时=1，顺时针方向各管集电极电流的乘积，恒等于逆时针方向各管集电极电流的乘积。,2.7 晶体三极管应用原理,例如，图示的TL环发射结面积相同，证明：,证：已知TL环发射结面积相同，,逆时针集电极电流：,顺时针集电极电流：,设值足够大，根据电路有：,则,故,得证,第二章 例 题,例1：,解：,确定VBEQ、IBQ、VCEQ、ICQ 得值。,求电路中晶体三极管的各级电压和电流值，已知=100。,第二章 例 题,输入回路,所以,因为,根据电路列方程,第二章 例 题,输出回路,所以,故,第二章 例 题,例2：,解：,如图所示的实用电路，试求该电路中晶体三极管的各极电压和电流值。已知=100。,电路可等效为,第二章 例 题,由戴维宁定理可得等效电路：,第二章 例 题,根据电路列方程,输入回路方程,输出回路方程,处于放大模式。,第二章 例 题,例3：,解：,试求图示电路中晶体三极管的各极电压和电流值。,由电路图可得：,电路等效为,第二章 例 题,根据电路列方程,第二章 例 题,关于RE的折算关系：,根据电路有：,则,第二章 例 题,简化计算的误差可忽略。,例如：,估算若,则 RB可忽略。电路方程为：,第二章 例 题,例4：,如图所示的电路中，,两管的ICBO 很小，均可忽略，VA，,VCC=15V,R=100，并设两管均工作于放大模式，试求：,（1）画出电路的共发射极简化电路模型；,（2）计算电流IC1、IC2、IB1、IC 和VCE；,（3）比较两个单管的1、2与复合管值。,已知两管的：,第二章 例 题,（1）画简化电路模型：,解：,第二章 例 题,已知：,由电路模型可知,（2）计算电流IC1、IC2、IB1、IC 和VCE；,第二章 例 题,由于三极管处于放大模式，则有,第二章 例 题,已知,（3）比较两个单管的1、2与复合管值。,第二章 例 题,例5：,判断下面组成的复合三极管是否合理，如合理请说出复合三极管的类型，并标出管脚。,合理为NPN型,第二章 例 题,合理为PNP型,第二章 例 题,不合理,第二章 例 题,例6：,图示为某集成电路中的局部电路，已知 VBB=-13V，VBE(on)=0.7V，=100，RE1=50K，RE2=100，试计算IC1、IC2 的值。,解：根据电路有,第二章 例 题,第二章 例 题,例7：,图示放大电路中，已知VBE(on)1=0.7V,VBE(on)2=-0.25V，1=2=100，试求T1、T2管的集电极静态电流 IC1、IC2。,VB1,解：根据电路有,所以RB可忽略。,第二章 例 题,第二章 例 题,第二章 例 题,例8：,（2）若电路中元件分别作如下变化，试指出晶体三极管的工作模式：,解：（1）根据电路有,图示的电路中，已知VBE(on)=-0.7V，=200，ICBO0,（1）试求IB、IC、VCE；,(a)RB2=2K、(b)RB1=15K、(c)RE=100,第二章 例 题,RB不能忽略,第二章 例 题,（2）(a)RB2=2K,处于截止模式,第二章 例 题,(b)RB1=15K,VCE-0.3V 则处于饱和模式,第二章 例 题,(c)RE=100,VCE-0.3V 则处于饱和模式,休息一会儿！,2,准备上课了！,1,休息一会儿！,准备上课吧！,2,今天的课就讲到此，同学们，再见!,电 子 线 路,课件制作、主 讲：李 芮,新疆大学信息科学与工程学院,面 向 2 1 世 纪 课 程 教 材 Textbook Series for 21st Century,电 子 线 路,课件制作、主 讲：李 芮,新疆大学信息科学与工程学院,面 向 2 1 世 纪 课 程 教 材 Textbook Series for 21st Century,