三极管特性曲线分析

目录一、三极管特性曲线分析……………………………………………………………………………..…..11.1三极管结构…………………………………………………………………………………………..11.2三极管输入特性曲线…………………………………………………………………………..21.3三极管输出特性曲线……………………………………………………………………..……2二、三极管应用举例……………………………………………………………………………..………..32.1三极管在放大状态下的应用……………………………………………….………………32.2三极管在开关状态下的应用……………………………………………………………….3三、线性电路和非线性电路………………………………………………………………………………43.1线性电路理论……………………………………………………………………………………….43.2非线性电路理论………………………………………………………………………………..…53.3线性电路的分析应用举例………………………………………………………………..….63.4非线性电路的分析应用举例…………………………………………………………….….7四、数字电路和模拟电路……………………………………..…………………………………………...84.1数字电路……………………………………………………………………..……………………….84.2模拟电路……………………………………………………………………………………………...84.3数字电路和模拟电路区别与联系………………………………………………………….9五、总结与体会…………………………………………………………………………………………………..9六、参考文献………………………………………………….…………………………..……………………..101三极管输入输出曲线分析——谈线性电路与非线性电路摘要：三极管是电路分析中非常重要的一个元器件。本文主要分析了三极管输入输出特性曲线，介绍了线性电路和非线性电路的理论在分析工具的不同之处。同时，线性电路和非线性电路在分析电路时各有着不同的用处。最后，介绍了数字电路及模拟电路区别与联系。关键词：三极管；数字电子技术；模拟电子技术一、三极管特性曲线分析1.1三极管结构双极结型三极管是由两个PN结背靠背构成。三极管按结构不同一般可分为PNP和NPN两种。图1-1三极管示意图及符号PNP型三极管和NPN型三极管具有几乎等同的电流放大特性，以下讨论主要介绍NPN型三极管工作原理。NPN型三极管其两边各位一块N型半导体，中间为一块很薄的P型半导体。这三个区域分别为发射区、集电区和基区，从三极管的三个区各引出一个电极，相应的称为发射极（E）、集电极（C）和基极（B）。虽然发射区和集电区都是N型半导体，但是发射区的掺杂浓度比集电区的掺杂浓度要高得多。另外在几何尺寸上，集电区的面积比发射区的面积要大。由此可见，发射区和集电区是不对称的。双极型三极管有三个电极：发射极（E）、集电极（C）、基极（B），其中两个可以作为输入，两个可以作为输出，这样就有一个电极是公共电极。三种接法就有三种组态：共发射极接法（CE）、共基极接法（CC）、共集电极接法（CB）。这里只以共射接法为例分析其输入输出曲线。2图1-2三极管三种组态晶体三极管的输入特性和输出特性曲线描述了各电极之间电压、电流的关系。1.2三极管输入特性曲线输入特性曲线描述了在管压降CEU一定的情况下，基极电流Bi与发射结压降BEU之间的函数关系，即()CECBBEUifu。图1-3三极管输入特性曲线1.3三极管输出特性曲线输出特性曲线描述是基极电流BI为一常量时，集电极电流Ci与管压降CEu之间的函数关系，即()BCCEICifu。输出特性曲线可以分为三个工作区域，如下图所示：在饱和区内，发射结和集电结均处于正向偏置。Ci主要随CEu增大而增大，对Bi的影响不明显，即当BEu增大时，Bi随之增大，但Ci增大不大。在饱和区，Ci和Bi之间不再满足电流传输方程，即不能用放大区中的来描述Ci和Bi的关系，三极管失去放大作用。在放大区内，发射结正向偏置，集电结反向偏置，各输出特性曲线近似为水平的直线，1.死区2.线性区3.非线性区Uce=0V时，发射极与集电极短路，发射结与集电结均正偏，实际上是两个二极管并联的正向特性曲线。当1CEUV，0cbcebeUUU时,，集电结已进入反偏状态，开始1CEUV收集载流子，且基区复合减少，特性曲线将向右稍微移动一些,IC/IB增大。但Uce再增加时，曲线右移很不明显。3表示当Bi一定时，图1-4三极管输出特性曲线Ci的值基本上不随CEu而变化。此时表现出Bi对Ci的控制作用，CBII。三极管在放大电路中主要工作在这个区域中。一般将0bI的区域称为截止区，由图可知，CI也近似为零。在截止区，三极管的发射结和集电结都处于反向偏置状态。二、三极管应用举例三极管在电路中有着非常重要的应用地位。2.1三极管在放大状态下的应用分压式电流负反馈放大电路是各种电子设备中经常采用的一种弱信号放大电路，其核心部件就是三极管，当三极管工作在放大状态，那么在通电过程中，三极管静态时的工作电压必须满足发射极正偏，集电极反偏，而且随着输入信号的变化，各种电压或电流都能随着发生相应的变化，图2-1分压式电流负反馈放大电路不能出现信号的失真现象。2.2三极管在开关状态下的应用三极管的开关特性在数字电路中应用广泛，是数字电路最基本的开关元件。当处于开状态时,三极管为处于饱和状态,Uce≤Ube，Uce间的电压很小,一般小于PN结正向压降(0.7V).当处于关状态时,基极电流Ib为0.Uce＞1V时为放大状态。右图是共射型三极管典型电路，同时参考三极管输出特性曲线进行分析。三极管是以基极电流Bi作为输入，操控整个图2-2共射型三极管电路三极管的工作状态。若三极管是在截止区，Bi趋近于0(BEV亦趋近于0)，C极与E极间约呈断路状态，Ci=0，CECCVV。若三极管是在线性区，Bi的值适中(0.7BEVV)，CfeBIhI，呈比例放大，CECCCCCCfeBVVRIVhI可被BI操控。若三极管在饱和区，BI很大，0.8BEVV0.2CEVV，0.6BCVV，CfeBIhI，B-C与B-E两接面均为正向偏压，C-E间等同于一个带有0.2V电位落差的通路，可得(0.2)/CCCCIVR，CI与BI无关了，因此时的BI大过线性放大区的BI值，CfeBIhI是必然的。三极管在截止态时C-E间如同断路，在饱和态时C-E间如同通路(带有0.2V电位降)，因此可以作为开关。控制此开关的4是BI，也可以用BBV作为控制的输入讯号。下图显示三极管开关的通路、断路状态，及其对应的等效电路。图2-3截止态如同断路图2-4饱和态如同通路三、线性电路和非线性电路是否满足叠加定理和齐次性是线性电路和非线性电路之间最主要的区别。3.1线性电路理论线性电路是指完全由线性元件、独立源或线性受控源构成的电路。线性就是指输入和输出之间关系可以用线性函数表示。齐次，非齐次是指方程中有没有常数项，即所有激励同时乘以常数k时，所有响应也将乘以k。线性电路的最基本的特性是它具有叠加性和齐次性。电路的叠加性是指在有几个电源共同作用下的线性电路中，通过每一个元件的电流或其两端的电压，可以看成是由每一个电源单独作用时在该元件上所产生的电流或电压的代数和。线性电路的齐次性是指当激励信号（如电源作用）增加或减小Ｋ倍时，电路的响应（即在电路其它各电阻元件上所产生的电流和电压值）也将增加或减小Ｋ倍。叠加性和齐次性是线性电路独有的特性，这两个定理也简化了线性电路分析的过程。叠加性和齐次性可表示如下：图3-1线性电路的叠加性图3-2线性电路的齐次性5图3-3线性电路叠加性和齐次性的综合特性在线性电路中，由多个独立电源共同作用所引起的响应等于这些独立电源分别单独作用时所引起的响应的代数和，所以对电路的分析比较简单，小信号和大信号作用下的结果基本一致。分析线性电路时，我们采用戴维南定理和诺顿定理进行分析。戴维南定理是指任一线性有源单口网络，可用一个电压源串联一个阻抗来代替，电压源的电压等于该网络端口的开路电压，而等效阻抗则等于该网络中全部独立源为零值时从端口看进去的阻抗。由这一电压源和等效阻抗组成的等效电路，称为戴维南等效电路。诺顿定理是指一个有源线性单口网络，可用一个电流源并联一个等效阻抗来代替，电流源等于该网络端口的短路电流，等效阻抗等于该网络中全部独立源为零值时从端口看进去的阻抗。电流源和等效阻抗并联的电路，称为诺顿等效电路。图3-4戴维南定理图3-5诺顿定理3.2非线性电路理论当电路中至少含有一个非线性电路元件时（例如非线性电阻元件、非线性电感元件等），其运动规律就要由非线性微分方程或非线性算子来描述，我们称这样的电路为非线性电路。一百多年以来，人们对电路理论的研究，取得的较多成果在于线性电路理论方面。而事实上自然界是千变万化的，绝大多数行为均是非线性的，电路也是如此。与线性电路相比，非线性电路较为复杂，有其独特的地方。首先，非线性电路不满足叠加定理，所以在线性电路中一系列行之有效的分析方法在非线性电路中就不在适用。其次，非线性系统的解不一定存在。非线性电路的特性一般是由一组非线性代数方程来6描述。对实际系统来说，它在一定初始条件下的解应该存在且唯一。但当我们去求解这组方程时，方程可能有多个解，也有可能没有解。因此，在求解之前，应对系统的解得性质进行判断。若解肯本不存在，求解它就没有任何意义。再者，对线性系统来说，一般存在一个平衡状态，我们很容易判断系统的平衡状态是否为稳定的。但非线性系统一般存在多个平衡态，其中有些平衡态是稳定的，有些平衡态可能不是稳定的。当我们在考察非线性电路的性质时，定性分析法是非常重要的方法。定性分析法设计的数学工具有微分方程定性理论、稳定性理论、泛函分析中的不动点定理等。其侧重于电路解的特性、解的全局性和渐进性。除了定性分析法，近似解析法也是比较常见的方法。分析仅含有二端非线性电阻的非线性动态电路时，可以采用分段线性化方法，用较简单的分段线性函数来逼近非线性电阻的电压电流非线性关系，从而可以用解析的方法求出较简单的非线性电路的解，并能定量的考察一些参数变化对电路响应的影响。分析电路时，无论是线性还是非线性电路，实验方法是很重要的研究方法。电路理论分析正确与否，应该以事实为准则。除了理论分析和物理实验外，我们还可以采用电路的数字仿真方法。3.3线性电路的分析应用举例一阶RC电路是典型的线性电路，通常由一个电容器和一个电阻器组成。RC电路可组成简单的有源滤波器，低通滤波器或者高通滤波器。下面简单介绍下有RC有源电路组成的滤波器。一阶RC低通滤波器如图所示，电压传输系数为：111111oiHUjCAufUjRCRjjCf令1/HRC，则1/2HfRC，此时图3-6RC低通滤波器211(/)UHAff，arctan/Hff，处于滞后状态。当0f时，1uA。当0,Hff时，0uA上述电路的频率特性可用特定的渐近线—波特图来表示，其幅频和相频波特图如下：7图3-7RC低通滤波器的幅聘波特图和相频波特图由幅频特性图可知，用渐近线代替实际幅频特性时最大误差发生在转折频率Hf处，在Hff处偏差为-3dB。由相频特性图可知，用渐近线代替实际相频特性时最大误差发生在转折频率0.1Hff及10Hff处。3.4非线性电路的分析应用举例理想二极管是我们在电子线路系列课程中接触的第一个非线性理想器件，也是最为简单的非线性器件。理想二极管是实际二极管的理想化模型，具有单向导电性。在通常的电压电流参考方向下，理想二极管正偏时导通，且电压为0，电流为任意正值；反偏时截止，电流为0，电压为任意负值，其伏安特性曲线如右：图3-8理想二极管伏安特性曲线二极管可用做整流电路、滤波电路等。单