三极管伏安特性曲线与参数.ppt

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1、上 页 下 页 返 回 模 拟 电 子 技 术 基 础 1 1-5-3 晶 体 三 极 管 的 伏 安 特 性 曲 线E 晶 体 管 的 伏 安 特 性 曲 线 是 描 述 三 极 管 的 各 端 电 流 与两 个 PN结 外 加 电 压 之 间 的 关 系 的 一 种 形 式 ， 其 特 点 是 能直 观 ， 全 面 地 反 映 晶 体 管 的 电 气 性 能 的 外 部 特 性 。E 晶 体 管 的 特 性 曲 线 一 般 用 实 验 方 法 描 绘 或 专 用 仪 器（ 如 晶 体 管 图 示 仪 ） 测 量 得 到 。E 晶 体 三 极 管 为 三 端 器 件 ， 在 电 路 中 要

2、构 成 四 端 网 络 ，它 的 每 对 端 子 均 有 两 个 变 量 （ 端 口 电 压 和 电 流 ） ， 因 此要 在 平 面 坐 标 上 表 示 晶 体 三 极 管 的 伏 安 特 性 ， 就 必 须 采用 两 组 曲 线 簇 ， 我 们 最 常 采 用 的 是 输 入 特 性 曲 线 簇 和 输出 特 性 曲 线 簇 。 上 页 下 页 返 回 模 拟 电 子 技 术 基 础 2E 输 入 特 性 是 指 三 极 管 输 入 回 路 中 ， 加在 基 极 和 发 射 极 的 电 压 UBE与 由 它 所 产 生的 基 极 电 流 IB之 间 的 关 系 。E（ 1） UCE = 0

3、时 相 当 于 集 电 极 与 发 射 极短 路 ， 此 时 ， IB和 UBE的 关 系 就 是 发 射 结和 集 电 结 两 个 正 向 二 极 管 并 联 的 伏 安 特性 。E 因 为 此 时 JE和 JC均 正 偏 ， IB是 发 射 区 和集 电 区 分 别 向 基 区 扩 散 的 电 子 电 流 之 和 。 一 、 输 入 特 性 曲 线 上 页 下 页 返 回 模 拟 电 子 技 术 基 础 3输 入 特 性曲 线 簇 上 页 下 页 返 回 模 拟 电 子 技 术 基 础 4E（ 2） UCE 1V 即 ： 给 集 电 结 加 上 固 定的 反 向 电 压 ， 集 电 结 的

4、 吸 引 力 加 强 ！ 使 得从 发 射 区 进 入 基 区 的 电 子 绝 大 部 分 流 向 集电 极 形 成 Ic。E 同 时 ， 在 相 同 的 UBE值 条 件 下 ， 流 向 基极 的 电 流 IB减 小 ， 即 特 性 曲 线 右 移 ， E 总 之 ， 晶 体 管 的 输 入 特 性 曲 线 与 二 极管 的 正 向 特 性 相 似 ， 因 为 b、 e间 是 正 向 偏置 的 PN结 （ 放 大 模 式 下 ） 上 页 下 页 返 回 模 拟 电 子 技 术 基 础 5 1.3.4 特 性 曲 线 ICm AA V V UCEUBERB IB ECE B 实 验 线 路 上

5、 页 下 页 返 回 模 拟 电 子 技 术 基 础 6 一 、 输 入 特 性 UCE 1VIB(A) UBE(V)20406080 0.4 0.8 工 作 压 降 ： 硅 管UBE0.60.7V,锗管 UBE0.20.3V。UCE=0V UCE =0.5V 死 区 电压 ， 硅 管0.5V， 锗管 0.2V。 上 页 下 页 返 回 模 拟 电 子 技 术 基 础 7 二 、 输 出 特 性 曲 线E 输 出 特 性 通 常 是 指 在 一 定 的 基 极 电 流IB控 制 下 ， 三 极 管 的 集 电 极 与 发 射 极 之 间的 电 压 UCE同 集 电 极 电 流 Ic的 关 系

6、。E 现 在 我 们 所 见 的 是 共 射 输 出 特 性 曲 线表 示 以 IB为 参 变 量 时 ， Ic和 UCE间 的 关 系 ：E 即 Ic= f(UCE)|IB = 常 数E 实 测 的 输 出 特 性 曲 线 如 图 所 示 ： 根 据外 加 电 压 的 不 同 ， 整 个 曲 线 可 划 分 为 四 个区 ： 放 大 区 、 截 止 区 、 饱 和 区 、 击 穿 区 上 页 下 页 返 回 模 拟 电 子 技 术 基 础 8 二 、 输 出 特 性 IC(mA )1234 U CE(V)3 6 9 12 IB=020A40A60A80A100A此 区 域 满足 IC=IB称

7、 为 线 性区 （ 放 大区 ） 。 当 UCE大 于 一定 的 数 值 时 ， IC只 与 IB有 关 ，IC=IB。 上 页 下 页 返 回 模 拟 电 子 技 术 基 础 9IC(mA )1234 UCE(V)3 6 9 12 IB=020A40A60A80A100A此 区 域 中 UCEUBE,集 电 结 正 偏 ，IBIC， UCE0.3V称 为 饱 和 区 。 上 页 下 页 返 回 模 拟 电 子 技 术 基 础 10IC(mA )1234 UCE(V)3 6 9 12 IB=020A40A60A80A100A此 区 域 中 : IB=0,IC=ICEO,UBEIC， UCE0.

8、3V (3) 截 止 区 ： U BE 死 区 电 压 ， IB=0 ， IC=ICEO 0 上 页 下 页 返 回 模 拟 电 子 技 术 基 础 13 1、 截 止 区 ： 晶 体 管 工 作 在 截 止 模 式 下 ， 有 ： UBE0.7V， UBC 0.7V, UBC IB； 随 着 UCE的 增 加 ， 曲 线 有 些 上 翘 。 此 时 : IcIB， 管 子 在 放 大 区 具 有 很 强 的电 流 放 大 作 用 。 上 页 下 页 返 回 模 拟 电 子 技 术 基 础 15 结 论 ： 在 放 大 区 ， UBE 0.7V， UBC IB， 具 有 很 强 的 电 流 放

9、 大 作 用 ！ 上 页 下 页 返 回 模 拟 电 子 技 术 基 础 16 3、 饱 和 区 ：E 晶 体 管 工 作 在 饱 和 模 式 下 ：E UBE0.7V， UBC0， 即 ： Je、 Jc均 正 偏 。E 特 点 ： 曲 线 簇 靠 近 纵 轴 附 近 ， 各 条 曲 线的 上 升 部 分 十 分 密 集 ， 几 乎 重 叠 在 一 起 ， 可以 看 出 ： 当 IB 改 变 时 ， Ic 基 本 上 不 会 随 之 而 改 变 。E 晶 体 管 饱 和 的 程 度 将 因 I B和 Ic的 数 值 不 同而 改 变 ， 上 页 下 页 返 回 模 拟 电 子 技 术 基 础

10、17E一 般 规 定 ： 当 UCE=UBE 时 的 状 态 为 临 界 饱 和 （ VCB=0） 当 UCE UBE 时 的 状 态 为 过 饱 和 ；E 饱 和 时 的 UCE用 UCES表 示 ， 三 极 管 深 度 饱和 时 UCES很 小 ， 一 般 小 功 率 管 的 UCES 0.3V，而 锗 管 的 UCES 0.1V， 比 硅 管 还 要 小 。 上 页 下 页 返 回 模 拟 电 子 技 术 基 础 18 4、 击 穿 区E 随 着 UCE增 大 ， 加 在 JE上 的 反 向 偏 置 电 压 UCB相 应 增 大 。E 当 UCE增 大 到 一 定 值 时 ， 集 电 结

11、 就 会 发 生 反 向 击 穿 ， 造 成 集 电 极 电流 Ic剧 增 ， 这 一 特 性 表 现 在 输 出 特 性 图 上 则 为 击 穿 区 域 。E 造 成 击 穿 的 原 因 ：E 由 于 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 。 除 此 之 外 ， 在 基 区 宽 度 很 小 的 三 极 管 中 ， 还 会 发 生 特 有的 穿 通 击 穿 ， 即 ： 当 U CE增 大 时 ， UCB相 应 增 大 ， 导 致 集 电 结 Jc的 阻挡 层 宽 度 增 宽 ， 直 到 集 电 结 与 发 射 结

12、相 遇 ， 基 区 消 失 ， 这 时 发 射 区的 多 子 电 子 将 直 接 受 集 电 结 电 场 的 作 用 ， 引 起 集 电 极 电 流 迅 速 增 大 ，呈 现 类 似 击 穿 的 现 象 。E 三 极 管 的 反 向 击 穿 主 要 表 现 为 集 电 结 的 雪 崩 击 穿 。 上 页 下 页 返 回 模 拟 电 子 技 术 基 础 19 5、 晶 体 管 三 极 管 的 工 作 特 点 如 下 ：E（ 1） 为 了 在 放 大 模 式 信 号 时 不 产 生 明 显 的失 真 ， 三 极 管 应 该 工 作 在 输 入 特 性 的 线 性部 分 ， 而 且 始 终 工 作

13、在 输 出 特 性 的 放 大 区 ，任 何 时 候 都 不 能 工 作 在 截 止 区 和 饱 和 区 。E（ 2） 为 了 保 证 三 极 管 工 作 在 放 大 区 ， 在 组成 放 大 电 路 时 ， 外 加 的 电 源 的 极 性 应 使 三有 管 的 发 射 结 处 于 正 向 偏 置 状 态 ， 集 电 结则 处 于 反 向 偏 置 状 态 。 上 页 下 页 返 回 模 拟 电 子 技 术 基 础 20E（ 3） 即 使 三 极 管 工 作 在 放 大 区 ， 由 于 其 输入 ， 输 出 特 性 并 不 完 全 理 想 （ 表 现 为 曲 线而 非 直 线 ） ， 因 此 放

14、 大 后 的 波 形 仍 有 一 定程 度 的 非 线 性 失 真 。E（ 4） 由 于 三 极 管 是 一 个 非 线 性 元 件 ， 其 各项 参 数 （ 如 、 rbe等 ） 都 不 是 常 数 ， 因 此 在分 析 三 极 管 组 成 的 放 大 电 路 时 ， 不 能 简 单地 采 用 线 性 电 路 的 分 析 方 法 。 而 放 大 电 路的 基 本 分 析 方 法 是 图 解 法 和 微 变 等 效 电 路（ 小 信 号 电 路 分 析 ） 法 。 上 页 下 页 返 回 模 拟 电 子 技 术 基 础 21三 、 温 度 对 晶 体 管 特 性 的 影 响E 由 于 三 极

15、管 也 是 由 半 导 体 材 料 构 成 ， 和 二 极 管 一 样 ，温 度 对 晶 体 管 的 特 性 有 着 不 容 忽 视 的 影 响 。 表 现 在 以 下三 个 方 面 ：E 1、 温 度 对 UBE的 影 响 ： 输 入 特 性 曲 线 随 温 度 升 高 向 左移 ， 这 样 在 IB不 变 时 ， UBE将 减 小 。 UBE随 温 度 变 化 的 规律 与 二 极 管 正 向 导 通 电 压 一 样 ， 即 ： 温 度 每 升 高 1 ，UBE减 小 2 2.5mV。E 2、 温 度 对 ICBO的 影 响 ： ICBO是 集 电 结 的 反 向 饱 和 电 流 ，它 随

16、 温 度 变 化 的 规 律 是 ： 温 度 每 升 高 10 ， ICBO约 增 大一 倍 。 上 页 下 页 返 回 模 拟 电 子 技 术 基 础 22E 3、 温 度 对 的 影 响 ： 晶 体 管 的 电 流 放 大系 数 随 温 度 升 高 而 增 大 ， 变 化 规 律 是 ：每 升 高 1 ， 值 增 大 0.5 1%。E 在 输 出 特 性 曲 线 上 ， 曲 线 间 的 距 离 随 温度 升 高 而 增 大 。E 总 之 ： 温 度 对 UBE、 ICBO和 的 影 响 反映 在 管 子 上 的 集 电 极 电 流 Ic上 ， 它 们 都 是使 Ic随 温 度 升 高 而

17、增 大 ， 这 样 造 成 的 后 果将 在 后 面 的 放 大 电 路 的 稳 定 及 反 馈 中 详 细讨 论 。 上 页 下 页 返 回 模 拟 电 子 技 术 基 础 23 四 、 三 极 管 的 开 关 工 作 特 性 ：E （ 轮 流 工 作 在 饱 和 模 式 和 截 止 模 式 下 ）E 三 极 管 的 开 关 特 性 在 数 字 电 路 中 用 得非 常 广 泛 ， 是 数 电 路 中 最 基 本 的 开 关 元件 ， 通 常 不 是 工 作 在 饱 和 区 就 是 工 作 在截 止 区 ， 而 放 大 区 只 是 出 现 在 三 极 管 由饱 和 区 变 为 截 止 或 由

18、 截 止 变 为 饱 和 的 过渡 过 程 中 ， 是 瞬 间 即 逝 的 ，E 因 此 对 开 关 管 ， 我 们 要 特 别 注 意 其 开关 条 件 和 它 在 开 关 状 态 下 的 工 作 特 点 。（ 重 点 在 结 论 ） 上 页 下 页 返 回 模 拟 电 子 技 术 基 础 24 如 右 图 电 路 中 ： 当 UI=0时 ， 晶体 管 截 止 当 UI=3V时 ， 晶体 管 饱 和 导 通 。 Rb20k Rc1k3v000VoVi VCCIB IC 上 页 下 页 返 回 模 拟 电 子 技 术 基 础 25 饱 和 导 通 条 件 及 饱 和 时 的 特 点 ： 条 件

19、 ： 三 极 管 临 界 饱 和 时 UCE=UCES , Ic=ICS , IB=IBS 由 上 面 电 路 知 ： 其 中 UCES很 小 ！CCCSBS CCC CESCCS RELI RERUEI . 上 页 下 页 返 回 模 拟 电 子 技 术 基 础 26 在 工 作 中 ， 若 三 极 管 的 基 极 电 流 IB大 于 临 界饱 和 时 的 IBS， 则 晶 体 管 T导 通 ， 即 当 : 时 ， T 导 通 特 点 ： 由 输 入 和 输 出 特 性 知 ： 对 硅 管 来 说 ，饱 和 导 通 后 ， UBE=UBES= 0.7V， UCE= UCES 0.3V， 如

20、同 闭 合 的 开 关 。CCBSB REII 上 页 下 页 返 回 模 拟 电 子 技 术 基 础 27 截 止 条 件 及 截 止 时 的 特 点 ： 条 件 ： UBEUON= 0.5V， VON为 硅 管 发 射结 的 死 区 电 压 。 由 三 极 管 的 输 入 特 性 知 道 ， 当 UBE 0.5V时 ， 管 子 基 本 上 截 止 的 ， 所 以 ， 在 数 字 电路 的 分 析 估 算 中 ， 常 把 UBEU(BR)CEO（ 3） 集 电 极 最 大 允 许 功 率 损 耗 PCM： PCM = Ic UCE PCM决 定 于 管 子 允 许 的 温 升 ， 管 子 在

21、 使 用时 的 功 耗 不 能 超 过 P CM， 而 且 要 注 意 散 热 ， Si管 为 150 ， Ge管 为 70 即 为 上 限 温 度 。 上 页 下 页 返 回 模 拟 电 子 技 术 基 础 37 集 电 极 最 大 允 许 功 耗 PCM 集 电 极 电 流 IC 流 过 三 极 管 ， 所 发 出 的 焦 耳 热 为 ：PC =ICUCE 必 定 导 致 结 温 上 升 ， 所 以 P C 有 限 制 。PCPCM IC UCEICUCE=PCMICM U(BR)CEO安 全 工 作 区 上 页 下 页 返 回 模 拟 电 子 技 术 基 础 38 六 、 晶 体 三 极

22、 管 的 应 用 作 为 三 端 器 件 的 晶 体 三 极 管 是 伏 安 特 性 为 非 线 性 的 有源 器 件 ， 工 作 在 放 大 区 时 具 有 正 向 受 控 作 用 ， 等 效 为 一 个受 控 电 流 源 ， 而 工 作 在 饱 和 区 和 截 止 区 时 具 有 可 控 开 关 特性 。 这 种 非 线 性 和 可 控 性 （ 正 向 受 控 和 可 控 开 关 ） 是 实 现众 多 功 能 电 路 的 基 础 ， 或 者 说 ， 众 多 的 应 用 电 路 都 是 以 三极 管 为 核 心 ， 配 以 合 适 的 管 外 电 路 组 成 的 。 利 用 三 极 管 组

23、成 的 电 路 可 以 有 ： 放 大 电 路 、 电 流 源 、 跨 导 线 性 电 路 、 有 源 电 阻 、 可 控 开关 等 。 上 页 下 页 返 回 模 拟 电 子 技 术 基 础 39 例 ： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 当 USB = -2V， 2V， 5V时 ，晶 体 管 的 静 态 工 作 点 Q位于 哪 个 区 ？当 USB =-2V时 ： ICUCEIB USCRBUSB CB E RCUBE m A2612m ax CSCC RUIIB=0 ， IC=0 IC最 大 饱 和 电 流 ：Q位 于 截 止 区 上 页 下 页 返 回 模

24、拟 电 子 技 术 基 础 40 例 ： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 当 USB = -2V， 2V， 5V时 ，晶 体 管 的 静 态 工 作 点 Q位于 哪 个 区 ？I C ICmax (=2mA) ， Q位 于 放 大 区 。 ICUCEIB USCRBUSB CB E RCUBEUSB =2V时 ： 9m A010 70 702 .R UUI B BESBB 0.95m A9m A01050 .II BC 上 页 下 页 返 回 模 拟 电 子 技 术 基 础 41USB =5V时 : 例 ： =50， USC =12V， RB =70k， RC =

25、6k 当 USB = -2V， 2V， 5V时 ，晶 体 管 的 静 态 工 作 点 Q位于 哪 个 区 ？ ICUCEIB USCRBUSB CB E RCUBEQ 位 于 饱 和 区 ， 此 时 I C 和 IB 已 不 是 倍 的 关 系 。m A061070 705 .R UUI B BESBB cmaxB I.I 5m03m A061050 m A2 cmaxc II 上 页 下 页 返 回 模 拟 电 子 技 术 基 础 42 七 、 三 极 管 的 等 效 电 路 模 型 我 们 将 在 放 大 电 路 分 析 中 再 讲 ， 以 免 重复 。 上 页 下 页 返 回 模 拟 电 子 技 术 基 础