晶體管的特性和參數(shù)
發(fā)布時(shí)間:2011/12/14 11:18:40 訪問(wèn)次數(shù):4111
我們先介紹兩個(gè)重要的參數(shù),βDC(直流電流增益)和aDC,并且利用它們來(lái)分析晶體管電路。同時(shí)也會(huì)討論晶體管的特性曲線,你將會(huì)學(xué)習(xí)到如何由這些曲線來(lái)說(shuō)明電晶體的工作原理。最后,將會(huì)討論晶體管的最大額定值。
在學(xué)完這一節(jié)后,你應(yīng)該能夠:討論晶體管參數(shù)和特性,以及使用這些來(lái)分析晶體管電路;定義直流p值(βDC);定義直流a值(aDC);確認(rèn)晶體管電路中所有的電流和電壓;分析基本的晶體管直流電路;說(shuō)明集電極特性曲線和如何使用直流負(fù)載線(DC load line);說(shuō)明βDC是如何隨溫度和集電極電流變化;參與討論和應(yīng)用最大的晶體管額定值;如何將晶體管的功率消耗加以額降;說(shuō)明晶體管的特性參數(shù)表。
如上一節(jié)所討論,當(dāng)晶體管接上直流偏壓時(shí),如圖4.6中所示的NPN和PNP類型,VCC對(duì)基極一發(fā)射極結(jié)施加正向偏壓,而VCC對(duì)基極一集電極結(jié)施加反向偏壓。雖然在這一章,我們使用電池符號(hào)來(lái)表示偏置電壓,但實(shí)際上這些電壓通常是由直流電源供應(yīng)器提供。例如,VCC通常是直接從電源供應(yīng)器的輸出端取得,而(這個(gè)電壓較低)則可利用分壓器產(chǎn)生。
1. 直流β值 (βDC)與直流a值(aDC)
直流集電極電流(Ic)與直流基極電流(IB)的比值,即是直流β值(β3DC),它代表電晶體的直流電流增益。
βDC=Ic/IB (4.2)
βDC的標(biāo)準(zhǔn)值范圍是從小于20~200或更高。βDC在晶體管特性參數(shù)表中,通常表示為另一個(gè)相同的hybrid(h)參數(shù),hFE。目前你所需要知道的就是 hFE=βDC
直流集電極電流(Ic)與直流發(fā)射極電流(IE)的比值,即為直流a值(aDC)。在晶體管電路中,a值是比β值較少被用到的參數(shù)。
aDC=Ic/IE
通常,aDC僮的范圍是從o.95~0. 99或是更大,但是aDc永遠(yuǎn)小于1。原因是Ic永遠(yuǎn)會(huì)比IE少一個(gè)IB的值。舉例來(lái)說(shuō),若IE =lOOmA以及IB=lmA,那IC=99mA以及aDC=0.99。
2.電流與電壓的分析
考慮圖4.7中的基本晶體管偏壓電路狀態(tài)。
IB為直流基極電流;
IE為直流發(fā)射極電流;
IC為直流集電極電流;
VBE為基極對(duì)發(fā)射極直流電壓;
VCB為集電極對(duì)基極的直流電壓;
VCE為集電極對(duì)發(fā)射極的直流電壓。
對(duì)基極一發(fā)射極結(jié)施加正向偏壓,對(duì)基極一集電極結(jié)施加反向偏壓。當(dāng)基極一發(fā)射極結(jié)為正向偏壓時(shí),它就像一個(gè)正向偏壓的二極管,并且會(huì)有一個(gè)微小的正向電壓降值:
VBE≈0.7V (4.3)
雖然在一個(gè)真正的晶體管中,可以到達(dá)0.9V之高而且會(huì)和電流有關(guān),我們?cè)诒緯?shū)中將使用0.7V,這是為了簡(jiǎn)化分析以便能夠表達(dá)基本概念的目的。
既然發(fā)射極是接地(OV),由基爾霍夫電壓定律(Kirchhoff's Voltage Law),
兩端的電壓為 VRn=VBB-VBE
同時(shí),由歐姆定律(Ohm's law), VRn=IBRB
3.集電極特性曲線
使用如圖4.9(a)所示的電路,你可以產(chǎn)生一組集電極特性曲線( collector characteristic curves),用來(lái)表示集電極電流在固定的基極電流下,是如何隨著集電極一發(fā)射極電壓VCE改變。請(qǐng)注意,電路圖中的VBB和Vcc都是可調(diào)電壓源。
假設(shè)設(shè)定的VBB可產(chǎn)生一定的IB值,且Vcc為零。在這種情況下,基極一發(fā)射極結(jié)和基極一集電極結(jié)都是正向偏壓,這是因?yàn)榛鶚O電壓大約在0. 7V,而發(fā)射極與集電極都在是OV;鶚O電流會(huì)通過(guò)基極一發(fā)射極,這是因?yàn)樗浇拥刂g為低阻抗,因此為零。當(dāng)兩個(gè)PN結(jié)都是正向偏壓時(shí),晶體管會(huì)工作在飽和區(qū)(saturation)。
當(dāng)Vcc增加,會(huì)因?yàn)榧姌O電流的增加,導(dǎo)致VCE慢慢地增加。這可由圖4.9(b)中的特性曲線,介于A點(diǎn)和B點(diǎn)之間的部分看出。Ic會(huì)隨著Vcc增加,這是因?yàn)闀?huì)因基極一集電極結(jié)正向偏壓而維持在低于0.7V的幅度。
理論上,當(dāng)VCE超過(guò)0.7 V時(shí),基極一集電極結(jié)會(huì)成為反向倔壓,而晶體管會(huì)進(jìn)入它的作用區(qū)(active)或線性( linear)工作區(qū)。一旦基極一集電極結(jié)成為反向偏壓時(shí),對(duì)于一定的IB,當(dāng)VCE不斷地增加時(shí),Ie會(huì)大略持平且基本上維持一個(gè)定值。事實(shí)上,Ie會(huì)稍微隨著VCE的增加而增加,這是由于基極一發(fā)射極結(jié)的耗盡區(qū)變寬所引起。這會(huì)導(dǎo)致在基極區(qū)域較少數(shù)量的空穴能夠與自由電子再結(jié)合,因此造成稍微增加。這可由圖4.9(b)中的特性曲線,介于點(diǎn)B和點(diǎn)C之間的部分看出。在這個(gè)部分的特性曲線圖,IC完全由IC=βDCIB的關(guān)系決定。
當(dāng)VCE到達(dá)一個(gè)夠高的電位時(shí),反向偏壓的基極一集電極結(jié)會(huì)進(jìn)入擊穿區(qū),這時(shí)集電極電流IC會(huì)快速增加,如圖4.9(b)中C點(diǎn)右邊的曲線所表示。晶體管應(yīng)該不能工作于擊穿區(qū)。
按照不同的IB值來(lái)繪制Ie對(duì)VCE的曲線,就可得到一系列的集電極特性曲線,如圖4.9(c)所示。當(dāng)IB=O,晶體管是在截止( cutoff)區(qū),雖然這時(shí)仍有很小的集電極泄漏電流,如圖所示。圖中所見(jiàn)的IB=0時(shí)的集電極泄漏電流,D3P-052 是為了說(shuō)明而加以放大顯示。
我們先介紹兩個(gè)重要的參數(shù),βDC(直流電流增益)和aDC,并且利用它們來(lái)分析晶體管電路。同時(shí)也會(huì)討論晶體管的特性曲線,你將會(huì)學(xué)習(xí)到如何由這些曲線來(lái)說(shuō)明電晶體的工作原理。最后,將會(huì)討論晶體管的最大額定值。
在學(xué)完這一節(jié)后,你應(yīng)該能夠:討論晶體管參數(shù)和特性,以及使用這些來(lái)分析晶體管電路;定義直流p值(βDC);定義直流a值(aDC);確認(rèn)晶體管電路中所有的電流和電壓;分析基本的晶體管直流電路;說(shuō)明集電極特性曲線和如何使用直流負(fù)載線(DC load line);說(shuō)明βDC是如何隨溫度和集電極電流變化;參與討論和應(yīng)用最大的晶體管額定值;如何將晶體管的功率消耗加以額降;說(shuō)明晶體管的特性參數(shù)表。
如上一節(jié)所討論,當(dāng)晶體管接上直流偏壓時(shí),如圖4.6中所示的NPN和PNP類型,VCC對(duì)基極一發(fā)射極結(jié)施加正向偏壓,而VCC對(duì)基極一集電極結(jié)施加反向偏壓。雖然在這一章,我們使用電池符號(hào)來(lái)表示偏置電壓,但實(shí)際上這些電壓通常是由直流電源供應(yīng)器提供。例如,VCC通常是直接從電源供應(yīng)器的輸出端取得,而(這個(gè)電壓較低)則可利用分壓器產(chǎn)生。
1. 直流β值 (βDC)與直流a值(aDC)
直流集電極電流(Ic)與直流基極電流(IB)的比值,即是直流β值(β3DC),它代表電晶體的直流電流增益。
βDC=Ic/IB (4.2)
βDC的標(biāo)準(zhǔn)值范圍是從小于20~200或更高。βDC在晶體管特性參數(shù)表中,通常表示為另一個(gè)相同的hybrid(h)參數(shù),hFE。目前你所需要知道的就是 hFE=βDC
直流集電極電流(Ic)與直流發(fā)射極電流(IE)的比值,即為直流a值(aDC)。在晶體管電路中,a值是比β值較少被用到的參數(shù)。
aDC=Ic/IE
通常,aDC僮的范圍是從o.95~0. 99或是更大,但是aDc永遠(yuǎn)小于1。原因是Ic永遠(yuǎn)會(huì)比IE少一個(gè)IB的值。舉例來(lái)說(shuō),若IE =lOOmA以及IB=lmA,那IC=99mA以及aDC=0.99。
2.電流與電壓的分析
考慮圖4.7中的基本晶體管偏壓電路狀態(tài)。
IB為直流基極電流;
IE為直流發(fā)射極電流;
IC為直流集電極電流;
VBE為基極對(duì)發(fā)射極直流電壓;
VCB為集電極對(duì)基極的直流電壓;
VCE為集電極對(duì)發(fā)射極的直流電壓。
對(duì)基極一發(fā)射極結(jié)施加正向偏壓,對(duì)基極一集電極結(jié)施加反向偏壓。當(dāng)基極一發(fā)射極結(jié)為正向偏壓時(shí),它就像一個(gè)正向偏壓的二極管,并且會(huì)有一個(gè)微小的正向電壓降值:
VBE≈0.7V (4.3)
雖然在一個(gè)真正的晶體管中,可以到達(dá)0.9V之高而且會(huì)和電流有關(guān),我們?cè)诒緯?shū)中將使用0.7V,這是為了簡(jiǎn)化分析以便能夠表達(dá)基本概念的目的。
既然發(fā)射極是接地(OV),由基爾霍夫電壓定律(Kirchhoff's Voltage Law),
兩端的電壓為 VRn=VBB-VBE
同時(shí),由歐姆定律(Ohm's law), VRn=IBRB
3.集電極特性曲線
使用如圖4.9(a)所示的電路,你可以產(chǎn)生一組集電極特性曲線( collector characteristic curves),用來(lái)表示集電極電流在固定的基極電流下,是如何隨著集電極一發(fā)射極電壓VCE改變。請(qǐng)注意,電路圖中的VBB和Vcc都是可調(diào)電壓源。
假設(shè)設(shè)定的VBB可產(chǎn)生一定的IB值,且Vcc為零。在這種情況下,基極一發(fā)射極結(jié)和基極一集電極結(jié)都是正向偏壓,這是因?yàn)榛鶚O電壓大約在0. 7V,而發(fā)射極與集電極都在是OV;鶚O電流會(huì)通過(guò)基極一發(fā)射極,這是因?yàn)樗浇拥刂g為低阻抗,因此為零。當(dāng)兩個(gè)PN結(jié)都是正向偏壓時(shí),晶體管會(huì)工作在飽和區(qū)(saturation)。
當(dāng)Vcc增加,會(huì)因?yàn)榧姌O電流的增加,導(dǎo)致VCE慢慢地增加。這可由圖4.9(b)中的特性曲線,介于A點(diǎn)和B點(diǎn)之間的部分看出。Ic會(huì)隨著Vcc增加,這是因?yàn)闀?huì)因基極一集電極結(jié)正向偏壓而維持在低于0.7V的幅度。
理論上,當(dāng)VCE超過(guò)0.7 V時(shí),基極一集電極結(jié)會(huì)成為反向倔壓,而晶體管會(huì)進(jìn)入它的作用區(qū)(active)或線性( linear)工作區(qū)。一旦基極一集電極結(jié)成為反向偏壓時(shí),對(duì)于一定的IB,當(dāng)VCE不斷地增加時(shí),Ie會(huì)大略持平且基本上維持一個(gè)定值。事實(shí)上,Ie會(huì)稍微隨著VCE的增加而增加,這是由于基極一發(fā)射極結(jié)的耗盡區(qū)變寬所引起。這會(huì)導(dǎo)致在基極區(qū)域較少數(shù)量的空穴能夠與自由電子再結(jié)合,因此造成稍微增加。這可由圖4.9(b)中的特性曲線,介于點(diǎn)B和點(diǎn)C之間的部分看出。在這個(gè)部分的特性曲線圖,IC完全由IC=βDCIB的關(guān)系決定。
當(dāng)VCE到達(dá)一個(gè)夠高的電位時(shí),反向偏壓的基極一集電極結(jié)會(huì)進(jìn)入擊穿區(qū),這時(shí)集電極電流IC會(huì)快速增加,如圖4.9(b)中C點(diǎn)右邊的曲線所表示。晶體管應(yīng)該不能工作于擊穿區(qū)。
按照不同的IB值來(lái)繪制Ie對(duì)VCE的曲線,就可得到一系列的集電極特性曲線,如圖4.9(c)所示。當(dāng)IB=O,晶體管是在截止( cutoff)區(qū),雖然這時(shí)仍有很小的集電極泄漏電流,如圖所示。圖中所見(jiàn)的IB=0時(shí)的集電極泄漏電流,D3P-052 是為了說(shuō)明而加以放大顯示。
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