Microsoft PowerPoint - STU_EC2_Ch04.ppt

Size: px

Start display at page:

Download "Microsoft PowerPoint - STU_EC2_Ch04.ppt"

厚鲍
4 years ago
Views:

1 樹德科技大學資訊工程系 Chapter 4: 雙極接面電晶體 (BJTs,Bipolar Junction Transistors) Shi-Huang Chen Spring Outline 4-1 BJT 結構 4-2 BJT 的基本工作原理 4-3 BJT 的特性和參數 4-4 BJT 當作放大器 4-5 BJT 當作開關 4-6 光電晶體 4-7 電晶體的封裝和接腳識別 2 1

2 4-1 雙極接面電晶體結構 (BJT Structure) BJT( 雙極接面電晶體 ) 由三個摻入雜質的半導體區域組成這三個區域稱為射極 (Emitter) 基極(Base) 和集極 (Collector) 基本滲透式平面結構世界第一顆電晶體 (1947) 3 BJT 基本結構 4 2

3 BJT 的標準符號 BJT 的基本工作原理 (Basic Transistor Operation) BJT 當為放大器時, 正確的順向 - 逆向偏壓 6 3

4 BJT 動作原理 7 電晶體電流 (Transistor Currents) E C + B, B 比 E 或 C 小很多電晶體的電流方向 8 4

5 4-3 BJT 的特性和參數 (BJT Characteristics and Parameters) 電晶體直流偏壓電路 9 直流 β 值 (β DC ) 與直流 α 值 (α DC ) 直流集極電流 ( C ) 與直流基極電流 ( B ) 的比值, 即是直流 β 值 (β DC ), 它代表電晶體的直流電流增益 C β DC 較常使用 B β DC 的標準值範圍是從小於 20 到 200 或更高 β DC 在電晶體特性資料表中, 通常表示為另一個相同的 hybrid(h) 參數,h FE h FE β DC 直流集極電流 ( C ) 與直流射極電流 ( E ) 的比值, 即為直流 α 值 (α DC ) α DC C E 通常,α DC 值的範圍是從 0.95 到 0.99 或是更大, 但是 α DC 永遠小於 1 原因是 C 永遠會比 E 少一個 B 值舉例來說, 若 E 100mA 以及 B 1mA, 那 C 99mA 以及 α DC

6 例題 4-1 如果 B 50μA 且 C 3.65mA, 試求電晶體的 β DC 與 E 解 β DC C B 3.65mA 73 50μA E C + B 3.65mA+50μA3.70mA α DC C E 3.65mA 3.70mA 電流與電壓的分析 (1) (Current and oltage Analysis) B : 直流基極電流 E : 直流射極電流 C : 直流集極電流 BE : 基極對射極的直流電壓 CB : 集極對基極的直流電壓 CE : 集極對射極的直流電壓電晶體的電流與電壓 12 6

7 電流與電壓的分析 (2) BB 對基極 - 射極接面施加順向偏壓, CC 對基極 - 集極施加逆向偏壓當基極 - 射極接面為順向偏壓時, 它就像一個順向偏壓的二極體, 並且會有一個微小的順向電壓降值 BE 0.7 既然射極是接地 (0), 由克希荷夫電壓定理 (Kirchhoffs voltage law),r B 兩端的電壓為 RB BB BE ( BB RB + BE ) 同時, 藉由歐姆定理 (Ohm s law), RB B R B 代入 RB, 產生 B R B BB BE 解出 B, B BB R B BE 13 電流與電壓的分析 (3) 相對於接地的射極, 集極電壓為 CE CC RC 因為 R C 上的電壓降為 RC C R C 集極的電壓可表示為 CE CC C R C 其中 C β DC B 逆向偏壓的集極 - 基極接面上的電壓為 CB CE BE 14 7

8 例題 4-2 試求圖 4-9 電路的 B E C BE CB 和 CE 假設電晶體 β DC 例題 4-2 解由公式 4-3 可知 BE 0.7 基極集極和射極電流可以計算如下 : B BB R B BE kΩ 430μA C β DC B (150)(430μA) 64.5mA E C + B 64.5mA+430μA 64.93mA CE 和 CB 可以如下計算 : CE CC C R C 10 (64.5mA)(100Ω) CB CE BE 既然集極電壓比基極電壓高, 集極基極接面為逆向偏壓 16 8

9 集極特性曲線 (1) (Collector Characteristic Curves) 依照某個 B 值, C 對應 CE 的集極曲線 17 集極特性曲線 (2) 依照不同的 B 值 ( B1 < B2 < B3 等 ), C 對應 CE 的集極曲線組圖 18 9

10 例題 4-3 圖 4-11 電路的 B 由 5μA 增加到 25μA, 每次的增加量是 5μA, 試畫出理想狀況下的集極曲線系列假設 β DC 100 且 CE 不會超過崩潰電壓使用 C β DC B 關係式, 可以計算 C 值 19 截止 (Cutoff) 截止 : 集極漏電流 ( CEO ) 相當小且通常都予以忽略基極 - 射極和基極 - 集極接面都是逆向偏壓當 B 0, 電晶體是在截止 (cutoff) 區 20 10

11 飽和 (Saturation) 飽和 : BB 增加導致 B 增加, 因此 C 也增加, 且因為 R C 的電壓降增加所以 CE 減少當電晶體到達飽和時, 即使 B 繼續增加 C 將無法再增加基極 - 射極和基極 - 集極接面都順向偏壓 21 直流負載線 (DC Load Line) 理論上, 當 CE 超過 0.7 時, 基極 - 集極接面會成逆向偏壓, 而電晶體會進入它的作用區間 (active) 或線性 (linear) 工作區將直流負載線畫在集極特性曲線上, 可以顯示截止與飽和條件 22 11

12 例題 4-4 試判斷圖 4-16 的電晶體是否處於飽和狀態假設 CE(sat) 例題 4-4 解首先求解 C(sat) 現在, 再來檢驗 B 是否足夠大到可以產生 C(sat) C β DC B (50)(0.23mA)11.5mA kΩ 1.0kΩ CC CE( sat) C ( sat) RC kΩ 10kΩ BB BE B RB 0.23mA 9.8mA 結果顯示此電晶體的 β DC 可以將基極電流放大為 C, 且此 C 超過 C(sat) 所以電晶體處於飽和狀態, 而集極電流也不可能達到 11.5mA 如果繼續增加 B, 集極電流會保持在飽和電流值 24 12

13 進一步探討 β DC 在不同溫度下 β DC 隨著 C 變化的情形 25 最大電晶體額定值 (Maximum Transistor Ratings) 若 C 是最大值, CE 可以將公式 4-7 改寫為下列式子再來計算 : PD (max) CE C C P D(max) CE 最大功率消耗曲線 26 13

14 例題 4-5 某電晶體在 CE 6 情形下工作如果最大功率額定值是 250mW, 則此電晶體所能承受的最大集極電流是多少? 解 C P D(max) CE 250mW mA 請記得這不必然是最大 C 只要沒有超過 P D(max), 如果 CE 降低, 電晶體可以承受更大集極電流 27 P D(max) 的額降 (Derating P D(max) ) 例題 4-7 : 某電晶體 25 時 P D(max) 1W 額降因數是 5mW/ 試求 70 時的 P D(max) 解 P D(max) 的減少量為 ΔP D(max) (5mW/ )(70 25 ) (5mW/ )(45 ) 225mW 所以,70 時的 P D(max) 等於 1W 225mW 775mW 28 14

電晶體特性資料表 (Transistor Data Sheet) 29 4-4 BJT 當作放大器 (The BJT As an Amplifier) 直流和交流數據 (DC and AC Quantities) 直流數據通常是大寫羅馬字母 ( 非斜體 ) 的下標符號例如 B C 和 E 代表直流電晶體電流

15 電晶體特性資料表 (Transistor Data Sheet) BJT 當作放大器 (The BJT As an Amplifier) 直流和交流數據 (DC and AC Quantities) 直流數據通常是大寫羅馬字母 ( 非斜體 ) 的下標符號例如 B C 和 E 代表直流電晶體電流 BE CB 和 CE 是電晶體端點到端點間的直流電壓 B C 和 E 是電晶體端點到接地間的直流電壓交流和所有隨著時間變化的數值, 通常帶有小寫的斜體下標符號例如 b c 和 e 是交流電晶體電流 be cb 和 ce 是電晶體端點到端點間的交流電壓 b c 和 e 是電晶體端點接地間的交流電壓 30 15

16 電晶體放大作用 (1) (Transistor Amplification) 反相輸出電壓基本電晶體放大器電路 31 電晶體放大作用 (2) 順向偏壓的基極 - 射極接面對於交流訊號呈現很低的阻抗這個內部交流射極阻抗標示為 r e 在圖 4-21(a) 中, 交流射極電流為 b e c r' 交流集極電壓 C 等於在 R C 上的交流電壓降 c c R C 既然 c e, 交流集極電壓為 c e R C e 32 16

17 電晶體放大作用 (3) b 可以視為電晶體的交流輸入電壓, 此時 b in b R B c 可以視為電晶體的交流輸出電壓 c 和 b 的比值, 即是電晶體電路的交流電壓增益 c A b 以 e R C 替代 c, 以及 e r e 取代 b, 就可產生 A c b er r' 消去 e 項, 就得 e C e A R r' C e 33 例題 4-9 如果 r e 50Ω, 試求圖 4-22 電路的電壓增益與交流輸出電壓解電壓增益等於 A R r' C e 1kΩ 50Ω 20 所以, 交流輸出電壓為 OUT A v b (20)(100m) 2 rms 34 17

18 4-5 BJT 當作開關 (The BJT As a Switch) 理想狀況下電晶體開關動作截止時, 等於打開開關飽和時, 等於將開闗閉合電晶體當作開關 (2) 截止的條件 (Conditions in Cutoff) 當基極 - 射極接面不是順向偏壓時, 電晶體就是在截止區 CE(cutoff) CC 飽和的條件 (Conditions in Saturation) 當基極 - 射極接面為順向偏壓時, 而且有足夠的基極電流產生最大的集極電流, 這時電晶體就處於飽和狀態 C(sat) CC R CE(sat) C 因為 CE(sat) 和 CC 比較起來很小, 所以通常可以忽略因此達到飽和所需要的最小基極電流為 C (sat) B(min) β B 應該遠大於 B(min), 才能讓電晶 DC 體到達飽和 36 18

19 例題 4-10 (a) 對圖 4-24 電晶體電路而言, 當 N 0 時 CE 為多少? (b) 如果 β DC 200, 要使此電晶體飽和所需的 B 最小值為何? 假設 CE(sat) 可以忽略 (c) 當 N 5, 試計算 R B 的最大值解 (a) 當 N 0, 電晶體截止 ( 像一個開路的開關 ) 且 CE CC 例題 4-10 解 (b) 因為 CE(sat) 可以忽略, 也就是可以假設其值為 kΩ CC C ( sat) RC 10mA B(min) β 這是使電晶體處於飽和點所需的 B C(sat) 10mA 50μA 200 B 繼續增加, 會將電晶體推向更深的飽和區, 但是 C 不會增加 (c) 當電晶體導通, BE 0.7 R B 的電壓降為 RB N BE 根據歐姆定律, B 最小值等於 50μA 的條件下,R B 的最大值是 R 4.3 B RB(max) 86kΩ 50μA B(min) DC 38 19

20 電晶體開關的一個簡單應用 (A Simple Application of a Transistor Switch) 將電晶體當作 LED 的開關 39 例題 4-11 圖 4-25 的 LED 需要 30mA 才能放出足夠的光度所以集極電流應該大約為 30mA 根據下列電路元件值, 計算出使電晶體飽和所需要的輸入方波振幅 CC 9, CE(sat) 0.3,R C 270Ω,R B 3.3kΩ, 和 β DC 50 為確保電晶體進入飽和狀態, 設定基極電流為飽和狀態所需最小電流的兩倍 40 20

21 例題 4-11 解 CC C( sat) B(min) CE (sat ) RC 270Ω C (sat) 32.2mA 644μA β 50 DC 32.2mA 為確保進入飽和狀態, B 設定為 B(min) 的兩倍, 即 1.29mA 因此 R in BE in 0.7 B B R R 3.3kΩ 所以可以如下求得輸入方波的電壓振幅 N B(min) R B (1.29mA)(3.3kΩ) N (1.29mA)(3.3kΩ) B B 光電晶體 (The Phototransistor)-1 在光電晶體中, 當光線撞擊半導體基極之光敏感區時, 會產生基極電流在集極 - 基極 pn 接面, 透過電晶體包裝上裝有鏡片的開口, 接收入射的光線當沒有入射光線時, 只有因熱擾動而產生集極 - 射極之間很小的漏電流 CEO ; 暗電流 (dark current) 通常只有 na 的大小範圍當光照射在集極 - 基極 pn 接面, 會依光的強度成正比地產生基極電流 λ 這個動作產生一個隨增加 λ 的集極電流 C β DC λ 42 21

22 4-6 光電晶體 (The Phototransistor)-2 典型的光電晶體結構光電晶體 (The Phototransistor)

23 4-6 光電晶體 (The Phototransistor)-4 光電晶體並不是對所有光都能感應, 而是只對某特定波長範圍內的光線才能感應它們尤其對光譜中紅色與紅外線部分的特定波長的光線最為敏感 45 光電晶體應用電路 46 23

光耦合器 (Optocoupler) 光耦合器利用 LED 與光學二極體或光電晶體形成光耦合光耦合器可用來隔離與電壓或電流不相容的電路區域例如, 當醫院裡的病人身上接有監視器或其他儀器時, 可用光耦合器來保護病人不受電擊它也可用於, 從帶有雜訊的電源供應電路或高電流馬達與機械電路中,

24 光耦合器 (Optocoupler) 光耦合器利用 LED 與光學二極體或光電晶體形成光耦合光耦合器可用來隔離與電壓或電流不相容的電路區域例如, 當醫院裡的病人身上接有監視器或其他儀器時, 可用光耦合器來保護病人不受電擊它也可用於, 從帶有雜訊的電源供應電路或高電流馬達與機械電路中, 獨立出低電流控制或訊號電路 47 光耦合器 (Optocoupler) 光耦合器裡最主要的參數是 CTR(current transfer ratio, 電流轉換率 ) CTR 指的是信號從輸入端耦合到輸出端的效率, 以 LED 電流變化與光電二極體或光電晶體之對應電流變化的比值來表示 48 24

25 4-7 電晶體的封裝和接腳識別 (Transistor Packages and Terminal dentification) 電晶體的類型 (Transistor Categories) 一般用途 / 小訊號電晶體 (General-Purpose/Small- Signal Transistors) 一般用途 / 小訊號電晶體通常是使用在低功或中等功率的放大器或是開關電路中一般用途與小訊號電晶體的塑膠外殼接腳的排列方式可能改變電晶體的封裝和接腳識別 (2) 一般用途與小訊號電晶體的金屬外殼接腳的排列方式可能改變使用前請查閱特性資料表 50 25

4-7 電晶體的封裝和接腳識別 (3) 一般多電晶體封裝 51 4-7 電晶體的封裝和接腳識別 (4) 功率電晶體 (Power Transistors)

26 4-7 電晶體的封裝和接腳識別 (3) 一般多電晶體封裝電晶體的封裝和接腳識別 (4) 功率電晶體 (Power Transistors) 功率電晶體是用來處理大電流 ( 通常超過 1A) 以及高電壓的狀況舉例來說, 立體音響系統的後級音頻放大器就是使用電晶體放大器, 來驅動揚聲器 52 26

27 4-7 電晶體的封裝和接腳識別 (5) 射頻電晶體 (RF Transistors) RF 電晶體是設計工作在非常高頻的狀況下, 通常使用在通訊系統的各種用途以及一些高頻應用方面 53 使用數位三用電表測試 npn 電晶體 54 27

28 重要詞彚雙極接面電晶體 (BJT, bipolar junction transistor) 射極 (Emitter) 基極 (Base) 集極 (Collector) 偏壓 (Bias) Beta 值增益 (Gain) 飽和 (Saturation) 線性 (Linear) 截止 (Cutoff) 放大 (Amplification) 55 28

Q expert-完成出卷

Q expert-完成出卷 1. ( ) 下列敘述何者錯誤? 104-1 高二電子學 H5 電晶體直流偏壓電路 (A) 電晶體的工作點又稱為 Q 點 () 更換不同 β 值的電晶體, 會影響電路的工作點 () 電晶體欲用在線性放大電路時, 須工作於飽和區 (D) 線性放大器常用來做小信號放大 2. ( A ) 電晶體當放大器使用時, 須工作於 (A) 作用區 () 飽和區 () 截止區 (D) 以上皆非 3. ( ) 電晶體當放大器使用時,