第五章生活中的电子-电子门铃

Size: px

Start display at page:

Download "第五章生活中的电子-电子门铃"

僻煌松
5 years ago
Views:

第五章生活中的电子 - 电子门铃 5.1 概述 5.2 器件原理 - 三极管 5.2.1 概述 5.2.2 BJT 的结构原理 5.2.3 双极型三极管的特性曲线 5.

1 第五章生活中的电子 - 电子门铃 5.1 概述 5.2 器件原理 - 三极管概述 BJT 的结构原理双极型三极管的特性曲线三极管的主要参数温度对 BJT 参数及特性的影响 5.3 电路分析及测量电路原理分解电路测量方法

2 5.1 概述 1. 门铃的历史 2. 现代电子门铃作用及延伸 3. 简单电子门铃电路模型

3 5.2 器件原理 - 三极管概述 1. 三极管 : 半导体三极管, 也称双极型晶体管晶体三极管, 是一种电流控制电流的半导体器件. 其作用是把微弱信号放大成辐值较大的电信号, 也用作无触点开关 2. 分类 1) 按材质分 : 硅管锗管 2) 按结构分 :NPN PNP 3) 按功能分 : 开关管功率管达林顿管光敏管等 4) 按功率分 : 小功率管中功率管大功率管 5) 按工作频率分 : 低频管高频管超频管 6) 按结构工艺分 : 合金管平面管 7) 按安装方式 : 插件三极管贴片三极管

5 (a) 小功率管 (b) 小功率管 (c) 大功率管 (d) 中功率管根据制造工艺和材料的不同, 三极管分有双极型和单极型两种类型若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电, 就是所谓的双极型如果只有一种载流子参与导电, 即为单极型

6 5.2.2 BJT 的结构原理半导体三极管的结构示意图如图所示它有两种类型 :NPN 型和 PNP 型 (a) NPN 型管结构示意图 (b) PNP 型管结构示意图 (c) NPN 管的电路符号 (d) PNP 管的电路符号

7 1 BJT 的结构简介集成电路中典型 NPN 型 BJT 的截面图结构特点 : 发射区的掺杂浓度最高 ; 集电区掺杂浓度低于发射区, 且面积大 ; 基区很薄, 一般在几个微米至几十个微米, 且掺杂浓度最低

8 2 放大状态下 BJT 的工作原理三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下, 通过载流子传输体现出来的外部条件 : 发射结正偏集电结反偏 1). 内部载流子的传输过程发射区 : 发射载流子集电区 : 收集载流子基区 : 传送和控制载流子 ( 以 NPN 为例 ) 由于三极管内有两种载流子 ( 自由电子和空穴 ) 参与导电, 故称为双极型三极管或 BJT (Bipolar Junction Transistor) I E =I EN + I EP I C = I CN + I CBO I B =I EP + I BN - I CBO = I EP + I EN - I CN I CBO = I E - I C 放大状态下 BJT 中载流子的传输过程

9 2) 电流分配关系设即 2 放大状态下 BJT 的工作原理根据传输过程可知传输到集电极的电流发射极注入电流 ICN I E 通常 I C >> I CBO I E =I B + I C I C = I CN + I CBO 则有 I I C E 为电流放大系数它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关, 与外加电压无关一般 = 放大状态下 BJT 中载流子的传输过程

10 2 放大状态下 BJT 的工作原理 2). 电流分配关系又设 1 根据 I E =I B + I C I C = I CN + I CBO CN 且令 I CEO = (1+ ) I CBO ( 穿透电流 ) I I E 则 I C I I B CBO 当 I C I CBO 时, I I C B 是另一个电流放大系数同样, 它也只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关, 与外加电压无关一般 >> 1

11 2 放大状态下 BJT 的工作原理 4) 放大作用若 v I = 20mV 使共基极放大电路 i E = -1 ma, 当 = 0.98 时, 则 i C = i E = ma, v O = - i C R L = 0.98 V, v v 0.98V 20mV 电压放大倍数 O 49 A v I

12 综上所述, 三极管的放大作用, 主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输, 然后到达集电极而实现的实现这一传输过程的两个条件是 : (1) 内部条件 : 发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度, 且基区很薄 (2) 外部条件 : 发射结正向偏置, 集电结反向偏置

13 2 放大状态下 BJT 的工作原理 3. 三极管的三种组态 BJT 的三种组态共发射极接法, 发射极作为公共电极, 用 CE 表示 ; 共基极接法, 基极作为公共电极, 用 CB 表示 ; 共集电极接法, 集电极作为公共电极, 用 CC 表示

14 5.2.3 双极型三极管的特性曲线所谓伏安特性曲线是指各极电压与电流之间的关系曲线, 是三极管内部载流子运动的外部表现从工程应用角度来看, 外部特性更为重要 (1) 输入特性曲线以常用的共射极放大电路为例说明 ( U CE 为常数时,I B 和 U BE 之间的关系 ) 令 U BB 从 0 开始增加 I B U CE =0V R C + U CE 为 0 时令 U CC 为 0 I B / A U CE =0 时的输入特性曲线 + R B U BB U BE I E =I B U CC 0 U BE /V

15 令 U BB 重新从 0 开始增加 + R B I B U BB U BE I C 让 U CE =1V U CE =0.5V =1V 让 U CE =0.5V R C + U CC 继续增大 U CC 增大 U CC I B / A 0 U CE =0.5V 的特性曲线 U CE =1V 的特性曲线 U CE >1V 的特性曲线 U BE /V 继续增大 U CC 使 U CE =1V 以上的多个值, 结果发现 : 之后的所有输入特性几乎都与 U CE =1V 的特性相同, 曲线基本不再变化实用中三极管的 U CE 值一般都超过 1V, 所以其输入特性通常采用 U CE =1V 时的曲线从特性曲线可看出, 双极型三极管的输入特性与二极管的正向特性非常相似

16 5.2.3 BJT 的 V-I 特性曲线输入特性曲线函数 ( 以共射极放大电路为例 ) i B =f(v BE ) vce =const (1) 当 v CE =0V 时, 相当于发射结的正向伏安特性曲线 (2) 当 v CE 1V 时, v CB = v CE - v BE >0, 集电结已进入反偏状态, 开始收集电子, 基区复合减少, 同样的 v BE 下 I B 减小, 特性曲线右移共射极连接

17 (2) 输出特性曲线当 I B 不变时, 输出回路中的电流 I C 与管子输出端电压 U CE 之间的关系曲线称为输出特性先把 I B 调到某一固定值保持不变 I C ma 根据记录可给出 I C 随 U CE 变化的伏安特性曲线, 此曲线就是晶体管的输出特性曲线 A I B U CE R C + I C /ma I B + R B U BB U BE I E U CC 然后调节 U CC 使 U CE 从 0 增大, 观察毫安表中 I C 的变化并记录下来 0 U CE / V

18 再调节 I B1 至另一稍小的固定值上保持不变 + R B A U BB I B U BE I C U CE I E ma R C + U CC 当 U CE 增至一定数值时 ( 一般小于 1V), 输出特性曲线变得平坦, 表明 I C 基本上不再随 U CE 而变化 I C /ma I B I B1 I B2 仍然调节 U CC 使 U CE 从 0 增大, 继续观察毫安表中 I C 的变化并记录下来输出曲线开始部分很陡, 说明 I C 随 U CE 的增加而急剧增大 0 I B3 I B =0 U CE / V 根据电压电流的记录值可绘出另一条 I C 随 U CE 变化的伏安特性曲线, 此曲线较前面的稍低些如此不断重复上述过程, 我们即可得到不同基极电流 I B 对应相应 I C U CE 数值的一组输出特性曲线

I C 也增大, 输出特性曲线上移, 且 I C 增大的幅度比对应 I B 大得多这一点正是晶体管的电流放大作用

19 I C /ma ΔI C I B =100 A 80 A 60 A 40 A ΔI B =40 A 20 A I B =0 当 I B 一定时, 从发射区扩散到基区的电子数大致一定当 U CE 超过 1V 以后, 这些电子的绝大部分被拉入集电区而形成集电极电流 I C 之后即使 U CE 继续增大, 集电极电流 I C 也不会再有明显的增加, 具有恒流特性 U CE / V 当 I B 增大时, 相应 I C 也增大, 输出特性曲线上移, 且 I C 增大的幅度比对应 I B 大得多这一点正是晶体管的电流放大作用从输出特性曲线可求出三极管的电流放大系数 β 取任意再两条特性曲线上的平坦段, 读出其基极电流之差 ; 再读出这两条曲线对应的集电极电流之差 ΔI C =1.3mA; 于是我们可得到三极管的电流放大倍数 : β=δi C /ΔI B = =32.5

20 输出特性曲线 i C =f(v CE ) ib =const 输出特性曲线的三个区域 : 饱和区 :i C 明显受 v CE 控制的区域, 该区域内, 一般 v CE <0.7V ( 硅管 ) 此时, 发射结正偏, 集电结正偏或反偏电压很小截止区 :i C 接近零的区域, 相当 i B =0 的曲线的下方此时, v BE 小于死区电压放大区 :i C 平行于 v CE 轴的区域, 曲线基本平行等距此时, 发射结正偏, 集电结反偏

21 输出特性曲线上一般可分为三个区 : 饱和区当发射结和集电结均为正向偏置时, 三极管处于饱和状态此时集电极电流 I C 与基极电流 I B 之间不再成比例关系, I B 的变化对 I C 的影响很小截止区当基极电流 I B 等于 0 时, 晶体管处于截止状态实际上当发射结电压处在正向死区范围时, 晶体管就已经截止, 为让其可靠截止, 常使 U BE 小于和等于零 I C /ma 放大区 I B =100 A 80 A 60 A 40 A 20 A I B =0 U CE / V 晶体管工作在放大状态时, 发射结正偏, 集电结反偏在放大区, 集电极电流与基极电流之间成 β 倍的数量关系, 即晶体管在放大区时具有电流放大作用 I CS V CC V R C CES V CC 临近饱和基极电流 I BS / R C I CS /

22 管子深度饱和时, 硅管的 VCE 约为 0.3V, 锗管约为 0.1V, 由于深度饱和时 VCE 约等于 0, 晶体管在电路中犹如一个闭合的开关此时 U CE 小于 U BE, 规定 : U CE =U BE 时, 为临近饱和状态, 用 U CES (0.3 或 0.1) 表示, 此时集电极临近饱和电流是 A I B I C ma R C + I CS V CC V R C CES V CC 临近饱和基极电流 I BS / R C I CS / + R B U BB U BE I E U CC i i C C I I CS CS 管子处于放大状态, 管子处于饱和状态

23 例 1: 用直流电压表测得放大电路中晶体管 T 1 各电极的对地电位分别为 V 1 = +10V,V 2 = 0V,V 3 = +0.7V, 如图 (a) 所示, T 2 管各电极电位 V 1 = +0V,V 2 = -0.3V,V 3 = -5V, 如图 (b) 所示, 试判断 T 1 和 T 2 各是何类型何材料的管子,x y z 各是何电极? 2 1 T T (a) (b) 解 : 工作在放大区的 NPN 型晶体管应满足 V C >V B > V E,PNP 型晶体管应满足 V C <V B < V E, 因此分析时, 先找出三电极的最高或最低电位, 确定为集电极, 而电位差为导通电压的就是发射极和基极根据发射极和基极的电位差值判断管子的材质

24 V1 = +10V,V2= 0V,V3= +0.7V V1 = +0V,V2 = -0.3V,V3= -5V (1) 在图 (a) 中,3 与 2 的电压为 0.7V, 可确定为硅管, 因为 V 1 >V 3 > V 2,, 所以 1 为集电极,2 为发射极,3 为基极, 满足 V C >V B > V E, 的关系, 管子为 NPN 型 (2) 在图 (b) 中,1 与 2 的电压为 0.3V, 可确定为锗管, 又因 V 3 <V 2 < V 1,, 所以 3 为集电极,1 为发射极,2 为基极, 满足 V C <V B < V E 的关系, 管子为 PNP 型 1 T T (a) (b)

25 例 2 图所示的电路中, 晶体管均为硅管,β =30, 试分析各晶体管的工作状态解 : (1) 因为基极偏置电源 +6V 大于管子的导通电压, 故管子的发射结正偏, 管子导通, 基极电流 : +6V 5K I B +10V 1K I C -2V 5K I B +10V 1K I C +2V 5K I B +10V 1K I C (a) (b) (c)

26 IB 1K 1.06mA 5 5 IC IB mA +6V 5K I B I C 10 V 临界饱和电流 : ICS I 1 B 因为 I I, 所以饱和 C CS CES IB 1K 0.26mA V IC 5K IBI mA B I C -2V 5K 10 V 临界饱和电流 : I I CS B mA (a) (b) (c) (2) 因为基极偏置电源 -2V 小于管子的导通电压, 管子的发射结反偏, 管子截止, 所以管子工作在截止区 (3) 因为基极偏置电源 +2V +10V 大于管子的导通电压 +10V, 故管子的发射结正偏, 管子导通基极电流 :: CES +2V 5K mA 此时有 : I I, 所以管子工作在放大区 C +10V CS -2V 5K +10V 1K I C 1K I C I B (a) (b) (c) +2V 5K I B +10 V 1K I C +10 V 1K I C

27 5.2.4 三极管的主要参数 1. 电流放大系数电流放大倍数 (1) 共发射极直流电流放大系数 I I =(I C -I CEO )/I B I C / I B vce =const (2) 共发射极交流电流放大系数 = I C / I B vce =const C B Β 值的大小反映了晶体管的电流放大能力与 i C 的关系曲线

28 5.2.4 三极管的主要参数 1. 电流放大系数 (3) 共基极直流电流放大系数 =(I C -I CBO )/I E I C /I E (4) 共基极交流电流放大系数 α α = I C / I E vcb =const 当 I CBO 和 I CEO 很小时,, 可以不加区分

29 5.2.4 三极管的主要参数 2. 极限参数 1 集电极最大允许电流 I CM 2 反向击穿电压 U (BR)CEO 指基极开路时集电极与发射极间的反向击穿电压基极开路 b 使用中若超过此值, 晶体管的集电结就会出现击穿 e c U CC U (BR ) CEO I C /ma I CM I C >I CM 时, 晶体管不一定烧损, 但 β 值明显下降 3 集电极最大允许功耗 P CM 安全区 P CM 晶体管上的功耗超过 P CM, 管子将损坏 I B =0 U CE / V P CM = I C V CE

30 5.2.4 三极管的主要参数反向击穿电压 V (BR)CBO 发射极开路时的集电结反向击穿电压 V (BR) EBO 集电极开路时发射结的反向击穿电压 V (BR)CEO 基极开路时集电极和发射几个击穿电压有如下关系极间的击穿电压 V (BR)CBO >V (BR)CEO >V (BR) EBO

31 5.2.4 三极管的主要参数 3. 极间反向电流 (1) 集电极基极间反向饱和电流 I CBO : 集电极反向饱和电流 I CBO, 是少数载流子运动的结果, 其值越小越好发射极开路时, 集电结的反向饱和电流

32 5.2.4 三极管的主要参数 3. 极间反向电流 (2) 集电极发射极间的反向饱和电流 I CEO :( 穿透电流 ) 指基极开路时, 集电极与发射极之间加一定反向电压时的集电极电流该值越小越好 I CEO =(1+ )I CBO

33 学习与讨论晶体管在输出特性曲线的饱和区工作时, 其电流放大系数是否也等于 β? 晶体管的发射极和集电极能否互换使用? 为什么? 晶体管在输出特性曲线的饱和区工作时,U CE <U BE, 集电结也处于正偏, 这时内电场被大大削弱, 因此极不利于集电区收集从发射区到达集电结边缘的电子, 这种情况下, 集电极电流 I C 与基极电流 I B 不再是 β 倍的关系, 因此, 晶体管的电流放大能力大大下降晶体管的发射极和集电极是不能互换使用的因为发射区和集电区的掺杂质浓度差别较大, 如果把两个极互换使用, 则严重影响晶体管的电流放大能力, 甚至造成放大能力丧失为什么晶体管基区掺杂质浓度小? 而且还要做得很薄? 为了使发射区扩散电子的绝大多数无法在基区和空穴复合, 由于基区掺杂深度很低且很薄, 因此只能有极小一部分扩散电子与基区空穴相复合形成基极电流, 剩余大部分扩散电子继续向集电结扩散, 由于集成电结反偏, 这些集结到集电结边缘的自由电子被集电极收集后形成集电极电流

它们各工作在什么区域? U BE =0.7V,U CE =0.3V; U BE =0.

34 1. 三极管起电流放大作用, 其内部外部条件分别要满足哪些? 你会做吗? 2. 使用三极管时, 只要 1 集电极电流超过 I CM 值 ;2 耗散功率超过 P CM 值 ;3 集射极电压超过 U (BR)CEO 值, 三极管就必然损坏上述说法哪个是对的? 3. 用万用表测量某些三极管的管压降得到下列几组数据, 说明每个管子是 NPN 型还是 PNP 型? 是硅管还是锗管? 它们各工作在什么区域? U BE =0.7V,U CE =0.3V; U BE =0.7V,U CE =4V; U BE =0V,U CE =4V; U BE =-0.2V,U CE =-0.3V; U BE =0V,U CE =-4V PNP 锗管, 截止区 NPN 硅管, 饱和区 NPN 硅管, 放大区 NPN 硅管, 截止区 PNP 锗管, 饱和区

35 5.2.5 温度对 BJT 参数及特性的影响 1. 温度对 BJT 参数的影响 (1) 温度对 I CBO 的影响温度每升高 10,I CBO 约增加一倍 (2) 温度对的影响温度每升高 1, 值约增大 0.5%~1% (3) 温度对反向击穿电压 V (BR)CBO V (BR)CEO 的影响温度升高时,V (BR)CBO 和 V (BR)CEO 都会有所提高 2. 温度对 BJT 特性曲线的影响

36 讨论一通过 u BE 是否大于 U on 判断管子是否导通 i i B Cmax μA 1 分别分析 u I =0V 5V 时 T 是工作在截止状态还是导通状态 ; 2 已知 T 导通时的 U BE =0.7V, 若当 u I =5V, 则 β 在什么范围内 T 处于放大状态, 在什么范围内 T 处于饱和状态? u I U R b V R CC c 临界饱和时的 BE mA i Cmax i B 56

37 5.3 电路分析及测量电路原理分解 : 从下图可知, 电子门铃由四个部分组成 : 触发信号 ( 即按钮开关 ) 乐曲发生器放大器扬声器触发信号乐曲发生器放大器扬声器 SB IC KD9300 VT S9013 BE

40 5.3.2 电路测量方法 1. 器件检测 : 用万用表测试二极管好坏及极性的方法用万用表欧姆档检查二极管是否存在单向导电性? 并判别其极性正向导通电阻很小指针偏转大反向阻断时电阻很大, 指针基本不动选择万用表 R 1k 的欧姆档, 其中黑表棒作为电源正极, 红表棒作为电源负极, 根据二极管正向导通反向阻断的单向导电性将表棒对调一次即可测出其极性及好坏如何判断二级管的正负极呢?

41 用万用表测试三极管好坏及极性的方法用指针式万用表检测三极管的基极和管型 : 先将万用表置于 R lk 欧姆档, 将红表棒接假定的基极 B, 黑表棒分别与另两个极相接触, 观测到指针不动 ( 或近满偏 ) 时, 则假定的基极是正确的 ; 且晶体管类型为 NPN 型 ( 或 PNP 型 ) 指针偏转, 说明管子正向导通, 因此为 PNP 型指针不动, 说明管子反偏截止, 因此为 NPN 型 PN 结的单向导电性想一想, 这种检测方法依据的是什么? 如果把红黑两表棒对调后, 指针仍不动 ( 或仍偏转 ), 则说明管子已经老化 ( 或已被击穿 ) 损坏

42 用万用表 R 1k 欧姆档判别发射极 E 和集电极 C 若被测管为 NPN 三极管, 让黑表棒接假定的集电极 C, 红表棒接假定的发射极 E 两手分别捏住 B C 两极充当基极电阻 R B ( 两手不能相接触 ) 注意观察电表指针偏转的大小 ; 之后, 再将两检测极反过来假定, 仍然注意观察电表指针偏转的大小人体电阻假定极正确 e b c c b e 假定极错误人体电阻偏转较大的假定极是正确的! 偏转小的反映其放大能力下降, 即集电极和发射极接反了如果两次检测时电阻相差不大, 则说明管子的性能较差

43 2. 电路检测 : 接通电源, 检测输入输出电压电流

44 思考 : 1. 三极管的应用 2. 电子门铃的衍生应用

课程简介

课程简介第三章双极型晶体管及其基本放大电路郭圆月 2014 年 10 月 9 日本章主要内容 3.1 双极型晶体管 3.2 JT 基本放大电路直流分析方法 3.3 JT 基本放大电路交流分析方法 3.4 三种组态放大器的中频特性 3.5 单级共发放大器的频率特性 3.6 多级放大电路 2 3.1 双极型晶体管 1. 结构与功能 2. 放大工作原理 3. bers-moll 数学模型 4. 静态工作伏安特性曲线