汽车电工电子技术基础第8章

第8章晶体管的应用孙乐春汽车工程学院晶体管的结构8.1共发射极放大电路8.2目录共集电极放大电路8.3共发射极放大电路8.2多级放大电路8.4汽车中的应用8.5特殊晶体管8.68.1晶体管的结构一、晶体管的结构晶体管的基本结构半导体三极管简称晶体管，具有放大和开关作用集电区基区发射区B基极E发射极C集电极PN结PN结N发射结集电结PN各区特点：基区：厚度很薄（几个微米），且杂质浓度很低集电区：收载流子，面积较大发射区：半导体杂质掺杂浓度大晶体管分类NPNPNP根据三层半导体组合方式根据基片材料分：锗管、硅管二、电流放大原理电流放大原理验证试验IB（µA）02030405060IC（mA）≈01.42.33.244.7IE（mA）≈01.422.333.244.054.76IC/IE07076808078结论：1）IE=IC+IB，三个电流符合基尔霍夫电流定律2）基极微小电流变化时，集电极电流将发生较大变化。IEICIBEBRBRCEC晶体管内部载流子运动发射区向基区扩散载流子，形成发射极电流IEPNN基区中电子的扩散与复合,形成复合电流IB集电区收集载流子，形成集电极电流IC晶体管内部电流分配关系共基极直流电流放大系数≈IC/IE又有：IE=IC+IB所以：BCII---1---1—然后令：即：BIIC其中β称为共发射极直流电流放大系数，数值一般在20～200三、三极管伏安特性曲线晶体管极间电压和电极电流的关系用伏安特性曲线来表示，由于晶体管有输入、输出两个回路，故其有两组特性曲线，即：输入特性曲线和输出特性曲线。输入特性曲线输入特性关系表达式为：IB=f（UBE）｜常数CEU1.UCE=0时2.UCE=1时结论1）输入特性是非线性的，与二极管正向伏安特性相似2）输入特性也有一段死区，锗管约为0.1V，硅管为0.5V输出特性曲线输出特性关系表达式为：IC=f（UCE）｜常数BI1）放大区2）饱和区3）截止区Uce≦UbeIB=0结论：晶体管工作放大区，具有电流放大作用晶体管工作在截止区和饱和区,具有开关作用。四、三极管主要参数三极管参数可用来表征管子性能的优劣和使用范围，是合理选择和正确使用三极管的依据少一个重要参数β三极管特性参数1）电流放大系数β电流放大系数表示三极管的电流放大能力。由于制造工艺的离散性，同一型号的三极管的β值也有很大差别。一般在20～200之间。直流电流放大系数=IC/IB在静态情况下：交流电流放大系数在动态情况下：β=Δic/Δib≈IC/IB直流电流放大系数和交流放大系数意义不同，但通常在输出特性曲线近于平行等距并且ICE0较小的情况下，两者数值近，所以，在近似估算时，可以不作严格区分。三极管极限参数1）集电极最大允许电流ICM2）集射极反向击穿电压UCE(BR)3）集电极最大损耗功率PCMβICM达到一定数值基极开路，允许加在集————射极之间的最大电压总结：要使三极管安全可靠的工作，需满足以下条件：ICICMUCEUCE(BR)ICUCMPCM小结1.晶体管的基本结构2.晶体管的放大原理3.晶体管特性曲线4.习题课后习题第二题8.2共发射极放大电路一、电路组成（c）晶体管放大电路的基本要求是电路中的晶体管应处于放大工作状态，即其发射结应加正向电压，集电结加反向电压。各电路元件作用：1）晶体管T：放大元件起电流放大作用2）耦合电容C1、C2，隔断直流、传输交流信号3）集电极直流电源UCC，其一：保证晶体管发射结正向偏置，集电结反向偏置，以使晶体管具有放大作用；其二：提供放大电路能源4）集电极负载电阻RC、基极偏置电阻RB二、电路的静态分析晶体管交流放大电路是交、直流共存的电路，在直流电源UCC及交流输入信号ui的作用下，电路中既有直流，也有交流。1.交流输入信号ui=0时的情况2.ui≠0时的情况，这时电路中既有直流，也有交流，处于放大工作状态。为了便于分析，我们对放大电路各级电压、电流的符号作如下的规定，见下表名称直流量交流量脉动直流总量关系式瞬时值最大值基极电流IBibIbmiBiB=IB+ib集电极电流ICicIcmiCiC=IC+ic射极电流IEieIemiEiE=IE+ie集—射极电压UCEUceucemuCEuCE=UCE+Uce基—射极电压UBEUBEubemuBEuBE=UBE+Ube共射极放大电路直流通路IBVBE+-ICVCE+-直流通路直流通路画法：交流电源短路，保留其内阻，电容相当于开路BEbBCCURIV直流通路IBVBE+-ICVCE+-估算电路中的电压和电流RbVRU-VICCbBECCB由IB可求得：UCE=UCC-ICRC由IB、IC、UCE这三个静态值，可在晶体管的特性曲线上找到一个对应点，这个点称为晶体管的静态工作点，常用字符Q表示例：设UCC=12V，RC=3kΩ，RB=240kΩ，β=40试计算电路中的IB、IC和UCE共射极放大电路直流通路IBVBE+-ICVCE+-解：A5024012RVIBCCB2mAA20005040IIBC6V6-1232-12RIVUCCCCCE图解法确定静态工作点所谓图解法，是利用晶体管的特性曲线，通过作图来分析放大电路工作性能的方法直流通路IBVBE+-ICVCE+-以上例所列数据来分析输出回路的电压方程式为UCE=UCC-ICRC=12-3IC1.这是一个直线方程，此直线在Y右图横轴上的截距ON应为IC=0，UCE=UCC=12V在纵轴上的截距OM应为2.直线斜率为CCCCCCR1URUONOMtan——此线表示了放大电路输出回路直流电压UCE和直流电流IC之间的关系，故称为直流负载线。静态工作点Q的位置是否合适对放大电路的工作性能有很大影响。Q的位置可以用改变IB数值的方法来调整。IBIB三、电路的动态分析动态分析就是分析交流信号在电路中放大、传输的情况，可采用函数解析法和微变等效电路法。函数解析法设输入的信号电压ui是正弦交流电压，即ui=Umsinωt，有：uBE=UBE+Ube=UBE+UmsinωtiB=IB+ib=IB+IbmsinωtiC=IC+ic=IC+Icmsinωtu0=UCE-iCRC=UCE+uce=UCE+Ucemsinωt其中uce=-iCRC•结论①脉动直流。②电压uBE的极性始终不变，从而保证发射结始终处于正向偏置，而集电结始终处于反向偏置，晶体管总是在放大工作状态。③ib、ic与输入信号电压ui相位相同，而uce、u0则与ui相位相反。输出电压u0与输入电压ui相位相反，这是共发射极放大电路的重要特点。微变等效电路，就是把非线性元件晶体管组成的放大电路等效为一个线性电路。在小信号条件下，在静态工作点附近可以把晶体管特性曲线近似看成一条直线，这样就可以把晶体管电路等效为线性电路来分析。微变等效电路法输入端bbeBBEbeiuIUr低频小功率管））（）（(mVImV261300rEbe输出端bcii故ic受ib控制，所以可以等效为一个电流源结合以上两个方面，有：画微变等效电路步骤c微变等效电路b交流通路a共射放大电路以下图为例的微变等效电路求动态指标Rb＋－(b)rorbecRc－＋eUi.Ii.Ib．riri′＝rbeIb．Ic.bUo.RLRL′图8-25电压放大系数放大电路的电压放大倍数定义为其输出电压与输入电压的比值。i0uUUAbebriIU式中LCLCLC/LRRRRRRRLb/LCoRIIURbeLbebLrRrIR//bi0uIUUA输入电阻Ri输入电阻是从放大器的输入端看进去的等效电阻，定义为输入电压与电流的比值用符号表示。iUiIirIUriibeBirRrberRBrberi输出电阻输出电阻从放大电路的输出端看进去的等效电阻，用ro表示0Us0Ib0IbC0Rr例在下图电路中，β＝５０，UBE＝０.７Ｖ求：(1)静态工作点参数IBQ、ICQ、UCEQ、Uo值；(2)计算动态指标u、ri、ro的值。RbC1Rc＋3DG6＋C2RL＋UCCUi.20F280k3k20F3kUo.(a)(＋12v)画出上图直流通路有：VRIUUmIImRUIcCQCCCEQBQCQbCCBQ61031021221004.0504004.0102807.0127.03333画出微变等效电路有Rb(b)rbeRceUi.Ib．Uo.RLIb.kmmVImVrEbe96.0963)(2)(2651300)(26)1(300kRrkrrRrkkrRAcobebebibeLu396.0//1.7896.0)3//3(50四、工作点与波形关系饱和失真图8-30截止失真不稳定原因：1、温度变化对ICEO的影响2、温度变化对UBE的影响3、温度变化对β的影响五、静态工作点的稳定分压式偏置共射极放大电路(稳定静态工作点）（1）电路的基本特点I1=I2+IBI2》IBVB与晶体管的参数无关，当UCC、RB1、RB2均固定不变时，VB能保持稳定不变。B2B1CC21RRUIICCB2B1B2B22BURRRRIV图8-32（2）利用发射极电阻RE产生反映IC变化的电位VE，VE作用于输入偏置电路，能自动调节IB，使IC保持不变UBE=VB-VE=VB-IEREVB》UBEVB不变RE也不变，则IC和IE也能稳定不变。以上可知，只要满足上述两个条件，则VB、IC和IE均与晶体管的参数无关，不受温度变化的影响，保持静态工作点不变。调节过程EBEBECRUVIIEBECRVII调节过程CCB2B1B2B22BURRRRIVEBEBECRUVII1IIEB静态工作点：UCE=UCC-ICRC-IEREUCC-IC(RC+RE)8.3共集电极放大电路一、电路组成这种电路结构的特点是发射极电路中接有电阻RE，而集电极则直接接到电源UCC上，输出电压从发射极（对地）取出，故称为射极输出器。直流通路UCC交流通路其输入信号vi从基极与地（集电极）之间接入；而输出信号vo从发射极与地(集电极）之间取出，集电极是输入与输出的公共端，故这种电路称为共集电极放大电路。二、工作原理1.静态分析UCC=IBRB+UBE+IERE=IBRB+UBE+（1+β）IBREEBCCEBBECCBβ）R（1RUβ）R（1RUUIEBCIIIUCE=UCC-IEREUCC-ICRE2.动态分析ui=ube+u0因ube很小1uuAi0u射极输出器不具有电压放大作用，但它的发射极电流Ie=（1+β）Ib，故有电流放大和功率放大作用。射极输出器具有电压跟随作用，所以又叫做射极跟随器。1）电压放大倍数2）输入电阻]')([||')(LbeBLbeiiiiiiRβrRRβrRiRB11uuuu当1，beLrR时，Lbi//RRR其中LEL//RRRri=RB∥（l+β）RE通常RB阻值很大（几十千欧至几百千欧），同时（1+β）RE也比共发射极电路的输入电阻（）大得多。可见，射极输出器的输入电阻很高，可达几十千欧以至几百千欧。beirr3）输出电阻射极输出器中有u0因此，它的等效内阻（即输出电阻）很低，在几十欧至几百欧之间，比共射放大电路的低得多。可以证明，一般情况下，射极输出器的输出电阻可按下式估算：ui，当ui的大小一定时，不论负载怎么变化，u0基本保持不变，这表明射极输出器具有恒压输出的特性，即近似于一个恒压源。be0rr综上所述，射极输出器虽然电压放大倍数小于1而接近1，但其输入电阻高，可减小放大器从信号源（或前级）取用的信号电流；同时，输出电阻低