模块教学二(晶体三极管和场效)

晶体三极管和放大电路本章学习目标晶体三极管放大电路晶体三极管晶体三极管：是一种利用输入电流控制输出电流的电流控制型器件。特点：管内有两种载流子参与导电。三极管的结构、分类和符号一、晶体三极管的基本结构1．三极管的外形特点：有三个电极，故称三极管。2．三极管的结构三极管的结构图特点：有三个区——发射区、基区、集电区；两个PN结——发射结(BE结)、集电结(BC结)；三个电极——发射极e(E)、基极b(B)和集电极c(C)；两种类型——PNP型管和NPN型管。工艺要求：发射区掺杂浓度较大；基区很薄且掺杂最少；集电区比发射区体积大且掺杂少。二、晶体三极管的符号三极管符号箭头：表示发射结加正向电压时的电流方向。文字符号：V三、晶体三极管的分类1．三极管有多种分类方法。按内部结构分：有NPN型和PNP型管；按工作频率分：有低频和高频管；按功率分：有小功率和大功率管；按用途分：有普通管和开关管；按半导体材料分：有锗管和硅管等等。2．国产三极管命名法：见《电子线路》（陈其纯主编）P261附录。例如：3DG表示高频小功率NPN型硅三极管；3CG表示高频小功率PNP型硅三极管；3AK表示PNP型开关锗三极管等。场效晶体管场效晶体管：是利用输入电压产生的电场效应控制输出电流的电压控制型器件。特点：管子内部只有一种载流子参与导电，称为单极型晶体三极管。结型场效晶体管N沟道结型场效晶体管P沟道结型场效晶体管一、结构和符号N沟道结型场效晶体管的结构、符号如图所示；P沟道结型场效晶体管如图所示。特点：由两个PN结和一个导电沟道所组成。三个电极分别为源极S、漏极D和栅极G。漏极和源极具有互换性。工作条件：两个PN结加反向电压。二、工作原理以N沟道结型场效晶体管为例，原理电路如图所示。动画结型场效晶体管结构工作原理如下：VDS0；VGS0。在漏源电压VDS不变条件下，改变栅源电压VGS，通过PN结的变化，控制沟道宽窄，即沟道电阻的大小，从而控制漏极电流ID。结论：1．结型场效晶体管是一个电压控制电流的电压控制型器件。2．所以输入电阻很大。一般可达107~108。三极管的工作电压和基本连接方式一、晶体三极管的工作电压三极管的基本作用是放大电信号。三极管工作在放大状态的外部条件是：发射结加正向电压，集电结加反向电压。三极管电源的接法三极管电源的接法V为三极管GC为集电极电源GB为基极电源，又称偏置电源Rb为基极电阻Rc为集电极电阻。二、晶体三极管在电路中的基本连接方式有三种基本连接方式：共发射极、共基极和共集电极接法。最常用的是共发射极接法。三极管在电路中的三种基本连接方式三极管内电流的分配和放大作用一、电流分配关系测量电路如图调节电位器，测得发射极电流、基极电流和集电极电流的对应数据如表所示。因IB很小，则ICIEIE=IC+IB由表可见，三极管中电流分配关系如下：IB/mA-0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.96说明：1．IE=0时，IC=-IB=ICBO。ICBO称为集电极——基极反向饱和电流，见图2.1.7(a)。一般ICBO很小，与温度有关。2．IB=0时，IC=IE=ICEO。ICEO称为集电极——发射极反向电流，又叫穿透电流，见图(b)。ICEO越小，三极管温度稳定性越好。硅管的温度稳定性比锗管好。ICBO与ICEO示意图二、晶体三极管的电流放大作用当基极电流IB由0.01mA变到0.02mA时，集电极电流IC由0.56mA变到1.14mA。上面两个变化量之比为58mA01.0mA58.0BCII这说明，当IB有一微小变化时，就能引起IC较大的变化，这种现象称为三极管的电流放大作用。比值用符号来表示，称为共发射极交流电流放大系数，简称“交流”，即BCII结论：1．三极管的电流放大作用——基极电流IB微小的变化，引起集电极电流IC较大变化。BCII2．交流电流放大系数——表示三极管放大交流电流的能力4．通常，，所以可表示为BCIIBCII考虑ICEO，则CEOBCIIIBCII3．直流电流放大系数——表示三极管放大直流电流的能力三极管的输入和输出特性一、共发射极输入特性曲线集射极之间的电压VCE一定时，发射结电压VBE与基极电流IB之间的关系曲线。共发射极输入特性曲线由图可见：1．当VCE≥2V时，特性曲线基本重合。2．当VBE很小时，IB等于零，三极管处于截止状态。共发射极输入特性曲线4．三极管导通后，VBE基本不变。硅管约为0.7V，锗管约为0.3V，称为三极管的导通电压。5．VBE与IB成非线性关系。3．当VBE大于门槛电压(硅管约0.5V，锗管约0.2V)时，IB逐渐增大，三极管开始导通。二、晶体三极管的输出特性曲线基极电流一定时，集、射极之间的电压与集电极电流的关系曲线。动画晶体三极管的输出特性曲线输出特性曲线可分为三个工作区:1．截止区条件：发射结反偏或两端电压为零。特点：IB=0，IC=ICEO。2．饱和区条件：发射结和集电结均为正偏。特点：VCE=VCES。VCES称为饱和管压降，小功率硅管约0.3V，锗管约为0.1V。3．放大区条件：发射结正偏，集电结反偏。特点：IC受IB控制，即IC=IB。在放大状态，当IB一定时，IC不随VCE变化，即放大状态的三极管具有恒流特性。三极管主要参数三极管的参数是表征管子的性能和适用范围的参考数据。一、共发射极电流放大系数1．直流放大系数2．交流放大系数电流放大系数一般在10~100之间。太小，放大能力弱，太大易使管子性能不稳定。一般取30~80为宜。二、极间反向饱和电流1．集电极——基极反向饱和电流ICBO。2．集电极——发射极反向饱和电流ICEO。ICEO=(1+)ICBO反向饱和电流随温度增加而增加，是管子工作状态不稳定的主要因素。因此，常把它作为判断管子性能的重要依据。硅管反向饱和电流远小于锗管，在温度变化范围大的工作环境应选用硅管。三、极限参数1．集电极最大允许电流ICM三极管工作时，当集电极电流超过ICM时，管子性能将显著下降，并有可能烧坏管子。2．集电极最大允许耗散功率PCM当管子集电结两端电压与通过电流的乘积超过此值时，管子性能变坏或烧毁。3．集电极——发射极间反向击穿电压V(BR)CEO管子基极开路时，集电极和发射极之间的最大允许电压。当电压越过此值时，管子将发生电击穿，若电击穿导致热击穿会损坏管子。三极管的简单测试判别硅管和锗管的测试电路一、硅管或锗管的判别当V=0.1~0.3V时为锗管。当V=0.6~0.7V时，为硅管二、估计比较的大小NPN管估测电路如图所示。估测的电路万用表设置在R1k挡，测量并比较开关S断开和接通时的电阻值。前后两个读数相差越大，说明管子的越高，即电流放大能力越大。估测PNP管时，将万用表两只表笔对换位置。三、估测ICEONPN管估测电路如图所示。所测阻值越大，说明管子的ICEO越小。若阻值无穷大，三极管开路；若阻值为零，三极管短路。测PNP型管时，红、黑表笔对调，方法同前。ICEO的估测四、NPN管型和PNP管型的判断基极b的判断将万用表设置在R1k或R100k挡，用黑表笔和任一管脚相接(假设它是基极b)，红表笔分别和另外两个管脚相接，如果测得两个阻值都很小，则黑表笔所连接的就是基极，而且是NPN型的管子。如图(a)所示。如果按上述方法测得的结果均为高阻值，则黑表笔所连接的是PNP管的基极。如图(b)所示。五、e、b、c三个管脚的判断估测的电路如图所示，首先确定三极管的基极和管型，然后采用估测值的方法判断c、e极。方法是先假定一个待定电极为集电极(另一个假定为发射极)接入电路，记下电阻表的摆动幅度，然后再把两个待定电极对调一下接入电路，并记下电阻表的摆动幅度。摆动幅度大的一次，黑表笔所连接的管脚是集电极c，红表笔所连接的管脚为发射极e。测PNP管时，只要把图示电路中红、黑表笔对调位置，仍照上述方法测试。场效晶体管结型场效晶体管场效晶体管的主要参数和特点场效晶体管场效晶体管：是利用输入电压产生的电场效应控制输出电流的电压控制型器件。特点：管子内部只有一种载流子参与导电，称为单极型晶体三极管。结型场效晶体管N沟道结型场效晶体管P沟道结型场效晶体管一、结构和符号N沟道结型场效晶体管的结构、符号如图所示；P沟道结型场效晶体管如图所示。特点：由两个PN结和一个导电沟道所组成。三个电极分别为源极S、漏极D和栅极G。漏极和源极具有互换性。工作条件：两个PN结加反向电压。二、工作原理以N沟道结型场效晶体管为例，原理电路如图所示。动画结型场效晶体管结构工作原理如下：VDS0；VGS0。在漏源电压VDS不变条件下，改变栅源电压VGS，通过PN结的变化，控制沟道宽窄，即沟道电阻的大小，从而控制漏极电流ID。结论：1．结型场效晶体管是一个电压控制电流的电压控制型器件。2．所以输入电阻很大。一般可达107~108。三、结型场效晶体管的特性曲线和跨导1．转移特性曲线结型场效晶体管的转移特性曲线反映栅源电压VGS对漏极电流ID的控制作用。如图所示，若漏源电压一定：当栅源电压VGS=0时，漏极电流ID=IDSS，IDSS称为饱和漏极电流；当栅源电压VGS向负值方向变化时，漏极电流ID逐渐减小；当栅源电压VGS=VP时，漏极电流ID=0，VP称为夹断电压。2．输出特性曲线结型场效晶体管的输出特性曲线表示在栅源电压一定条件下，漏极电流与漏源电压之间的关系。如图所示。(1)可调电阻区(图中Ⅰ区)VGS不变时，ID随VDS作线性变化，漏源间呈现电阻性。栅源电压VGS越负，输出特性越陡，漏源间的电阻越大。结论：在Ⅰ区中，场效晶体管可看作一个受栅源电压控制的可变电阻。二、场效晶体管的特点场效晶体管与普通三极管比较表项目器件名称晶体三极管场效应管极型特点双极型单极型控制方式电流控制电压控制类型PNP型、NPN型N沟道、P沟道放大参数=50~200gm=1000~5000μA/V输入电阻102~104107~1015噪声较大较小热稳定性差好抗辐射能力差强制造工艺较复杂简单、成本低工程应用——场效晶体管使用常识1.结形场效晶体管的栅源电压必须使PN结反偏，不能接反。因结型场效晶体管的源极及漏极通常制成对称的，所以原极和漏极可以调换使用。2.绝缘栅场效晶体管中，有的产品将彻底引出(有四个管脚)，此时源极和漏极可以互换使用，但有的产品在制造时已把源极和衬底连接在一起，这种管子源极和漏极就不能调换使用。3.绝缘栅场效晶体管由于输入电阻很高，如果在管脚开路状态下保存，会使管子还未使用时就已击穿或性能下降。因此，无论管子使用与否，都应将三个电极短路或用铝箔包好。结型场效晶体管可以在开路状态下保存。基极电源7.1共发射极电压放大器双电源共发射极单管放大电路ECC2+RCRB+C13DG6ICIBIE＋－EB＋RL输入回路输出回路集电极电阻，约为几至几十欧NPN型管耦合电容耦合电容基极电阻，约几十至几百千欧集电极电源，约为几至几十伏负载电阻电路中发射极是输入、输出回路的公共支路，而且放大的是电压信号，因此称之为共发射极电压放大器。电路各部分作用：晶体管T：放大器的核心部件，在电路中起电流放大作用；电源EC：为放大电路提供能量和保证晶体管工作在放大状态；电源EB和电阻RB：使管子发射结处于正向偏置，并提供适当的基极电流IB；耦合电容C1和C2：一般为几微法至几十微法，利用其通交隔直作用，既隔离了放大器与信号源、负载之间的直流干扰，又保证了交流信号的畅通；电阻RC：将集电极的电流变化变换成集电极的电压变化，以实现电压放大作用。第2页单电源共发射极单管放大电路+UCCC2+RCRB+C1RL实用中，一般都采用单电源供电，而且把发射极的公共端作为“地”点，并按习惯画法把集电极电源以电位形式标在图中。放大电路的直流通道晶体管放大电路实际上是一个交、直流共存的电路。当交