《模擬電子線路》全套PPT課件

《模擬電子線路》全套PPT課件,模擬電子線路,模擬,電子線路,全套,PPT,課件 第二章第二章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路1vBipolar Junction Transistor 縮寫 BJT簡稱晶體管晶體管或三極管三極管v雙極型雙極型 器件兩種載流子兩種載流子（多子、少子多子、少子）2ecb發(fā)射極發(fā)射極基極基極集電極集電極發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)集電結(jié)集電結(jié)基區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)集電區(qū)N+PNcbeNPNPNPcbe(a)NPN管的原理結(jié)構(gòu)示意管的原理結(jié)構(gòu)示意圖圖(b)電路符電路符號號2-1 雙極型晶體管的工作原理雙極型晶體管的工作原理base collector emitter3(c)平面管結(jié)構(gòu)剖面圖平面管結(jié)構(gòu)剖面圖圖圖2-1 晶體管的結(jié)構(gòu)與符號晶體管的結(jié)構(gòu)與符號4 解釋解釋v三個電極三個電極 發(fā)射極，基極，集電極發(fā)射極，基極，集電極發(fā)射極發(fā)射極箭頭方向箭頭方向是指發(fā)射結(jié)正偏時的電流方向是指發(fā)射結(jié)正偏時的電流方向v三個區(qū)三個區(qū) 發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)(重摻雜重摻雜)，基區(qū)，基區(qū)(很薄很薄)，集電區(qū)（，集電區(qū)（結(jié)面積大結(jié)面積大）v兩個兩個PN結(jié)結(jié)發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)(eb結(jié)結(jié)),集電結(jié)集電結(jié)(cb結(jié)結(jié))5晶體管處于放大狀態(tài)的工作條件晶體管處于放大狀態(tài)的工作條件內(nèi)部條件內(nèi)部條件發(fā)射區(qū)重摻雜發(fā)射區(qū)重摻雜(故管子故管子e、c極不能互換極不能互換)基區(qū)很薄基區(qū)很薄(幾個幾個 m)集電結(jié)面積大集電結(jié)面積大外部條件外部條件 發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)(eb結(jié)結(jié))正偏正偏集電結(jié)集電結(jié)(cb結(jié)結(jié))反偏反偏6 2-1-1 放大狀態(tài)下晶體管中載流子的傳輸過程放大狀態(tài)下晶體管中載流子的傳輸過程CUceNPNbUBBRB圖圖22 晶體管內(nèi)載流子的運動和各極電流晶體管內(nèi)載流子的運動和各極電流RCC15V7cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN 2-1-1 放大狀態(tài)下晶體管中載流子的傳輸過程放大狀態(tài)下晶體管中載流子的傳輸過程圖圖22 晶體管內(nèi)載流子的運動和各極電流晶體管內(nèi)載流子的運動和各極電流8內(nèi)部機理內(nèi)部機理v晶體管工作的內(nèi)部機理：晶體管工作的內(nèi)部機理：-“非平衡載流子非平衡載流子”的傳輸?shù)膫鬏?在發(fā)射結(jié)處在發(fā)射結(jié)處v以以NPN為例。為例。veb結(jié)正偏結(jié)正偏，擴散運動擴散運動 漂移運漂移運動動。v發(fā)射區(qū)和基區(qū)發(fā)射區(qū)和基區(qū)多子多子（電子和空（電子和空穴）的相互穴）的相互注入注入。但。但發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)（e e區(qū)）高摻雜區(qū)）高摻雜，向，向P區(qū)的區(qū)的多子擴多子擴散（電子）散（電子）為主（為主（IEn）,另有另有P區(qū)向區(qū)向N區(qū)的多子（空穴）擴散，區(qū)的多子（空穴）擴散，故相互注入是不對稱的。擴散故相互注入是不對稱的。擴散(IEP)可忽略?？珊雎浴以上構(gòu)成了以上構(gòu)成了發(fā)射結(jié)電流的主發(fā)射結(jié)電流的主體體。10在基區(qū)內(nèi)在基區(qū)內(nèi)v基區(qū)很薄基區(qū)很薄。v一部分一部分(N區(qū)區(qū)擴散到擴散到P區(qū)區(qū)的）的）不平衡載流子（電不平衡載流子（電子）子）與基區(qū)內(nèi)的空穴與基區(qū)內(nèi)的空穴（多子）的（多子）的復合復合運動運動（復合電流復合電流I IBNBN）。）。v大多數(shù)不平衡載流子連大多數(shù)不平衡載流子連續(xù)擴散到續(xù)擴散到cb結(jié)邊緣處。結(jié)邊緣處。v以上構(gòu)成了以上構(gòu)成了基極電流（基極電流（I IBNBN）的的主體。主體。11在集電結(jié)處在集電結(jié)處v集電結(jié)反偏集電結(jié)反偏。v故故 漂移運動擴散運漂移運動擴散運動動。v集電結(jié)（集電結(jié)（自建電場自建電場）對非平衡載流子（電對非平衡載流子（電子）的強烈吸引作用子）的強烈吸引作用(收集作用收集作用）形成）形成ICN。v另外有基區(qū)和集電區(qū)另外有基區(qū)和集電區(qū)本身的本身的少子漂移（電少子漂移（電子和空穴）子和空穴），形成，形成反反向飽和漏電流向飽和漏電流ICBO。12非平衡載流子傳輸三步曲非平衡載流子傳輸三步曲(以以NPN為為例例)發(fā)射區(qū)向基區(qū)的發(fā)射區(qū)向基區(qū)的多子注入多子注入(擴散運擴散運動）動）為主為主基區(qū)的基區(qū)的 復合復合 和和 繼續(xù)擴散繼續(xù)擴散集電結(jié)對非平衡載流子的集電結(jié)對非平衡載流子的收集作用收集作用（漂移漂移為主）為主）13偏置要求偏置要求v 對對 NPNNPN管管 要求要求 UC UB UE UC UEUB14偏置要求偏置要求v 對對 PNPPNP管管 要求要求 UC UB UE UC UEUB152-1-2 電流分配關系電流分配關系bceIBICIEcICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN16晶體管主要功能晶體管主要功能:電流控制（電流控制（current control）電流放大（電流放大（current amplify）17 一、直流電流放大系數(shù)：一、直流電流放大系數(shù)：一般一般共射極共射極IBNIICNEN含義：基區(qū)每復合一個電子，就有含義：基區(qū)每復合一個電子，就有個電個電子擴散到集電區(qū)去。子擴散到集電區(qū)去。18共基極共基極一般一般兩者關系：兩者關系：IBNIICNEN19二、二、IC、IE、IB三者關系：三者關系：cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICN 若忽略若忽略 ICBO，IEP,則則2022 晶體管伏安特性曲線及參數(shù)晶體管伏安特性曲線及參數(shù)全面描述晶體管各極電流與極間電壓關系的曲線。全面描述晶體管各極電流與極間電壓關系的曲線。圖圖23晶體管的三種基本接法（晶體管的三種基本接法（組態(tài)組態(tài)）(a)cebiBiC輸出輸出回路回路輸入輸入回路回路(b)ecbiBiEceiEiCb(c)(a)共發(fā)射極；共發(fā)射極；(b)共集電極；共集電極；(c)共基極共基極 21 221 晶體管共發(fā)射極特性曲線晶體管共發(fā)射極特性曲線一、共發(fā)射極輸出特性曲線一、共發(fā)射極輸出特性曲線測測量量電電路路共發(fā)射極輸出特性曲線：輸出電流共發(fā)射極輸出特性曲線：輸出電流iC與輸出電壓與輸出電壓uCE的關系曲線的關系曲線(以以iB為參變量為參變量)22圖圖25 共射輸出特性曲線共射輸出特性曲線uCE/V5101501234飽和區(qū)截止區(qū)iBICBO放大區(qū)iC/mAuCEuBEIB40 A30 A20 A10 A0 A231.放大區(qū)放大區(qū)發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏集電結(jié)反偏（2）uCE 變化對變化對 IC 的影響很?。ǖ挠绊懞苄。ê懔魈匦院懔魈匦裕?）iB 對對iC 的控制作用很強。的控制作用很強。用交流電流放大倍數(shù)來描述：用交流電流放大倍數(shù)來描述：在數(shù)值上近似等于在數(shù)值上近似等于 問題：問題：特性圖中特性圖中=？即即IC主要由主要由IB決定，與輸出環(huán)路的外電路無關。決定，與輸出環(huán)路的外電路無關。24基區(qū)寬度調(diào)制效應基區(qū)寬度調(diào)制效應(厄爾利效應厄爾利效應)cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIEPIENICNuCE c結(jié)反向電壓結(jié)反向電壓 c結(jié)寬度結(jié)寬度 基區(qū)寬度基區(qū)寬度 基區(qū)中電子與空穴復合的機會基區(qū)中電子與空穴復合的機會 iC 25基調(diào)效應表明：輸出交流電阻基調(diào)效應表明：輸出交流電阻rCE=uCE/iCQUCEQUA(厄爾利電壓厄爾利電壓)ICQ262.飽和區(qū)飽和區(qū) 發(fā)射結(jié)和集電發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于正向偏置。結(jié)均處于正向偏置。由于集電結(jié)正偏，由于集電結(jié)正偏，不利于集電極收集電子，不利于集電極收集電子，ICN比放大區(qū)的比放大區(qū)的ICN小。小。cICeIENPNIBRCUCCUBBRBIbIBNIEPIENICNC127（1）iB 一定時，飽和區(qū)一定時，飽和區(qū)iC 比放大區(qū)的小比放大區(qū)的?。?）UCE一定時一定時 i B 增大，增大，iC 基基 本不變（飽和區(qū)）本不變（飽和區(qū)）臨界飽和：臨界飽和：UCE=UBE，即，即UCB=0（C結(jié)零偏）。結(jié)零偏）。IcCeIENPNIBRCUCCUBBRBIbIBNIEPIENICNC128飽和時，飽和時，c、e間的電壓稱為飽和壓降，記作間的電壓稱為飽和壓降，記作UCE(sat)。（小功率（小功率Si管）管）UCE(sat)=0.3V；（小功率（小功率Ge管）管）UCE(sat)=0.1V。三個電極間的電壓很小，三個電極間的電壓很小，管子完全導通，管子完全導通，相相當一個開關當一個開關“閉合（閉合（Turn on）”。293.截止區(qū)截止區(qū)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于反向偏置于反向偏置,三個電三個電極均為反向電流，所極均為反向電流，所以數(shù)值很小。以數(shù)值很小。管子不通，相當于一管子不通，相當于一個個“開關開關”打開打開（Turn off）。）。i B=-i CBO（此時此時i E=0）以下稱為截止區(qū)。以下稱為截止區(qū)。工程上認為：工程上認為：i B=0 以下即為截止區(qū)。以下即為截止區(qū)。cICeIENPNIBRCUCCUBBRBICBO15VbIBNIENICNIBEO30 二、共發(fā)射極輸入特性曲線二、共發(fā)射極輸入特性曲線31cICeIENPNIBRCUCCUBBRBIbIBNIEPIENICNC1圖圖26 共發(fā)射極輸入特性曲線共發(fā)射極輸入特性曲線 32（1）0 UCE 1 時，隨著時，隨著 UCE 增加，曲線右移，增加，曲線右移，特別在特別在 0 UCE1 時，進入放大區(qū)，曲線近似重合。時，進入放大區(qū)，曲線近似重合。33三、溫度對晶體管三、溫度對晶體管特性曲線特性曲線的影響的影響T，uBE：T，ICBO ：T，：342-2-2 晶體管的主要參數(shù)晶體管的主要參數(shù) 1、電流放大系數(shù)、電流放大系數(shù)1.共射直流放大系數(shù)共射直流放大系數(shù)反映靜態(tài)時集電極電流與基極電流之比。反映靜態(tài)時集電極電流與基極電流之比。2.共射交流放大系數(shù)共射交流放大系數(shù)反映動態(tài)時的電流放大特性。反映動態(tài)時的電流放大特性。由于由于ICBO、ICEO 很小，因此很小，因此在在以后的計算中，不必區(qū)分。以后的計算中，不必區(qū)分。354.共基交流放大系數(shù)共基交流放大系數(shù) 3.共基直流放大系數(shù)共基直流放大系數(shù)由于由于ICBO、ICEO 很小，因此很小，因此在在以后的計算中，不必區(qū)分。以后的計算中，不必區(qū)分。362 極間反向電流極間反向電流v極間反向電流極間反向電流 是指管子各電極是指管子各電極之間的之間的反向漏電流反向漏電流參數(shù)參數(shù)。37C、B間反向飽和漏電流間反向飽和漏電流v 發(fā)射極開路時，集電極發(fā)射極開路時，集電極基極間的反向基極間的反向電流，稱為集電極反向飽和電流。電流，稱為集電極反向飽和電流。38 管子管子C、E間反向飽和漏電流間反向飽和漏電流基極開路時，集電極基極開路時，集電極發(fā)射極間的反向電流，發(fā)射極間的反向電流，稱為集電極穿透電流。稱為集電極穿透電流。39管子反向飽和漏電流管子反向飽和漏電流v硅管比鍺管小。硅管比鍺管小。v此值與此值與本征激發(fā)本征激發(fā)有關。有關。v取決于取決于溫度特性（少子特性）。溫度特性（少子特性）。404.極限參數(shù)極限參數(shù)v使用時不應超過管子的極限參數(shù)值。使用時不應超過管子的極限參數(shù)值。否則使用時可能損壞。否則使用時可能損壞。（1）反向擊穿電壓）反向擊穿電壓（2）集電極最大允許電流）集電極最大允許電流vICM 留有一定的余量。留有一定的余量。vICM 指指下降到額定值的下降到額定值的2/3時時 的的IC值值41圖圖27 晶體管的安全工作區(qū)晶體管的安全工作區(qū) 功耗線功耗線（3）集電極最大允許功耗）集電極最大允許功耗PCM4223 晶體管工作狀態(tài)分析及偏置電路晶體管工作狀態(tài)分析及偏置電路應用晶體管時，首先要將晶體管設置在應用晶體管時，首先要將晶體管設置在合適的工作區(qū)間，如進行語音放大需將晶體管合適的工作區(qū)間，如進行語音放大需將晶體管設置在放大區(qū)，如應用在數(shù)字電路，則晶體管設置在放大區(qū)，如應用在數(shù)字電路，則晶體管工作在飽和區(qū)或截止區(qū)。工作在飽和區(qū)或截止區(qū)。因此，如何設置和分析晶體管的工作狀態(tài)因此，如何設置和分析晶體管的工作狀態(tài)是晶體管應用的一個關鍵。是晶體管應用的一個關鍵。43 231 晶體管的直流模型晶體管的直流模型由外電路偏置的晶體管，其各極直流電由外電路偏置的晶體管，其各極直流電流和極間直流電壓所對應的伏安特性曲線上的流和極間直流電壓所對應的伏安特性曲線上的一個點。一個點。靜態(tài)工作點（簡稱靜態(tài)工作點（簡稱Q點）：點）：靜態(tài)工作電壓、電流。在下標再加個靜態(tài)工作電壓、電流。在下標再加個Q表表示，如示，如IBQ、UBEQ、ICQ、UCEQ 44(a)輸入特性近似輸入特性近似 圖圖28晶體管伏安特性曲線的折線近似晶體管伏安特性曲線的折線近似uBE0iBUBE(on)0uCEiCUCE(sat)IB 0(b)輸出特性近似輸出特性近似飽和區(qū)飽和區(qū)放大區(qū)放大區(qū)截止區(qū)截止區(qū)45(b)圖圖29晶體管三種狀態(tài)的直流模型晶體管三種狀態(tài)的直流模型(a)截止狀態(tài)模型；截止狀態(tài)模型；(b)放大狀態(tài)模型；放大狀態(tài)模型；(c)飽和狀態(tài)模飽和狀態(tài)模型型 ebcIBIBUBE(on)(a)ebc(c)ebcUBE(on)UCE(sat)46例例1 晶體管電路如圖晶體管電路如圖210(a)所示。若已知晶所示。若已知晶體管工作在放大狀態(tài)，體管工作在放大狀態(tài)，=100，試計算晶體管的試計算晶體管的IBQ，ICQ和和UCEQ。(a)電路電路ICQUCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12VRC3k47(b)直流等效電路直流等效電路圖圖210晶體管直流電路分析晶體管直流電路分析eRBUBE(on)bIBQIBQcICQUCCRCUCEQUBB48 解解 因因為為UBB使使e結(jié)結(jié)正正偏偏，UCC使使c結(jié)結(jié)反反偏偏，所所以以晶晶體體管管可可以以工工作作在在放放大大狀狀態(tài)態(tài)。這這時時用用圖圖29(b)的的模模型型代代替替晶晶體體管管，便便得得到到圖圖2-10(b)所所示示的的直直流流等效電路。由圖可知等效電路。由圖可知故有故有49(a)電路電路ICQUCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12VRC3k例例2：若：若UBB從零增加，說明晶體管的工作區(qū)間以從零增加，說明晶體管的工作區(qū)間以及及IBQ、ICQ、UCEQ的變化情況？的變化情況？當當UBB從從00.7V之之間時，管子進入間時，管子進入截止區(qū)。截止區(qū)。IBQ=ICQ0UCEQUCC 分析：分析：50(a)電路電路ICQUCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12VRC3k當當UBB繼續(xù)增大，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，管繼續(xù)增大，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，管子進入放大區(qū)。隨著子進入放大區(qū)。隨著IBQ的增大，的增大，ICQ=IBQ也增大。也增大。UCEQ=UCC-ICQRC不斷下降。不斷下降。51(a)電路電路ICQUCEQ270kRBUBB6VIBQUCC12VRC3k當當UBB增大到增大到UCEQUBE(on)則發(fā)射結(jié)正偏，下面則發(fā)射結(jié)正偏，下面關鍵是判斷集電結(jié)是關鍵是判斷集電結(jié)是 正偏還是反偏。正偏還是反偏。54若若假假定定為為放放大大狀狀態(tài)態(tài)：則則直直流流等等效效電電路路如如圖圖2-11(b)所示，所示，RBUBBRCUCCUEEREUBE(on)IB圖圖2-11(b)放大狀態(tài)下的等效電路放大狀態(tài)下的等效電路55 UBB-UEE-UBE(on)=IBQRB+(1+)IBQRE則晶體管處于放大狀態(tài)；則晶體管處于放大狀態(tài)；則晶體管處于飽和狀態(tài)；則晶體管處于飽和狀態(tài)；56 圖圖211晶體管直流分析的一般性電路晶體管直流分析的一般性電路RBUBBRCUCCUEEREUBE(on)(c)飽和狀態(tài)下的等效電路飽和狀態(tài)下的等效電路UCE(sat)57晶體管處于飽和狀態(tài)時：晶體管處于飽和狀態(tài)時：58例例2 晶晶體體管管電電路路及及其其輸輸入入電電壓壓ui的的波波形形如如圖圖2-12(a),(b)所所示示。已已知知=50，試試求求ui作作用用下下輸輸出出電電壓壓uo的值，并的值，并畫出波形圖。畫出波形圖。R33kUCC5VRB39kuiuo(a)電路電路59 圖圖212例題例題2電路及電路及ui,uo波形圖波形圖05tuo/V0.3(c)uo波形圖波形圖03tui/V(b)ui波形圖波形圖R33kUCC5VRB39kuiuo=5060 解解:當當ui=0時，時，UBE=0，則晶體管則晶體管截止。此時，截止。此時，ICQ=0,uo=UCEQ=UCC=5VR33kUCC5VRB39kuiuo當當ui=3V=3V時，晶體管導通且有時，晶體管導通且有61 而集電極電流為而集電極電流為 因為因為 R33kUCC5VRB39kuiuoICQ=IBQ=500.06=3mAUCEQ=UCC-ICQR3=5-33=-4V0.7V 所以晶體管處于飽和。所以晶體管處于飽和。62uo=UCEQ=UCE(sat)=0.3Vuo波形如圖波形如圖212(c)所示。所示。R33kUCC5VRB39kuiuo ICQ=ICE(sat)=63補充例題補充例題1電路電路補補充充例例題題1 晶晶體體管管電電路路如如下下圖圖所所示示。已已知知=100，試判斷晶體管的工作狀態(tài)試判斷晶體管的工作狀態(tài)。5VRBUBBRERCUCC500K1K2K 12V641.先判斷晶體管是否處于截止狀態(tài)：先判斷晶體管是否處于截止狀態(tài)：晶體管不處于晶體管不處于截止狀態(tài)截止狀態(tài)；2.再判斷晶體管是處于放大狀態(tài)還是飽和狀態(tài)：再判斷晶體管是處于放大狀態(tài)還是飽和狀態(tài)：UBB-UBE(on)=IBQRB+(1+)IBQRE65晶體管處于放大狀態(tài)；晶體管處于放大狀態(tài)；66補充例題補充例題2電路電路補補充充例例題題2 晶晶體體管管電電路路如如下下圖圖所所示示。已已知知=100，試判斷晶體管的工作狀態(tài)試判斷晶體管的工作狀態(tài)。5VRBUBBRCUCC50K2K 12V671.先判斷晶體管是否處于截止狀態(tài)：先判斷晶體管是否處于截止狀態(tài)：晶體管不處于晶體管不處于截止狀態(tài)截止狀態(tài)；2.再判斷晶體管是處于放大狀態(tài)還是飽和狀態(tài)：再判斷晶體管是處于放大狀態(tài)還是飽和狀態(tài)：UBB-UBE(on)=IBQRB68晶體管不可能處于放大區(qū)，而應工作在飽和區(qū)晶體管不可能處于放大區(qū)，而應工作在飽和區(qū)6970Op Amp Slew rate(or rise time)The maximum rate of change of the output of an opamp is known as the slew rate(in units of V/s)The slew rate affects all signals-not just square waves For example,at high enough frequencies,a sine wave input is converted to a triangular wave output due to limited slew rate square wave input71Slew rate example Consider an inverting amplifier,gain A=10,built using an opamp with a slew rate of S0=1V/s.Input a sinusoid with an amplitude of Vi=1V and a frequency,.For a sinusoid,the slew rate limit is of the form AViS0.We can therefore avoid this non-linear behaviour by decreasing the frequency()lowering the Amplifier gain(A)lower the input signal amplitude(Vi)Typical values:741C:0.5V/s,LF356:50V/s,LH0063C:6000V/s,72作業(yè)作業(yè)2.12.12.62.62.72.77374AmplifiersvConvert a weak signal into a higher power signalvTypical devices used in amplifiers:TransistorsOperational Amplifiers7475TransistorsvTypically composed of 3 silicon layers in“N”and“P”material7576Transistor OperationvTransistors operate like a faucet,with the base of the transistor controlling the flow of current between the collector and emitter76