第 五 章 晶 体 管 ( 第 1 版 ) 任 务 : 二 极 管 三 级 管 特 性 曲 线 仿 真
1. 知 识 介 绍 晶 体 管 泛 指 一 切 以 半 导 体 材 料 为 基 础 的 单 一 元 件, 包 括 各 种 半 导 体 材 料 制 成 的 二 极 管 三 极 管 场 效 应 管 可 控 硅 等 晶 体 管 主 要 分 为 两 大 类 : 双 极 性 晶 体 管 (BJT) 和 场 效 应 管 (FET) 二 极 管 又 称 为 晶 体 二 极 管, 是 由 一 个 P 型 半 导 体 和 N 型 半 导 体 形 成 的 PN 结 二 极 管 最 重 要 的 特 性 就 是 单 方 向 导 电 性 二 极 管 的 作 用 : 检 波 整 流 稳 压 开 关 隔 离 发 光 等 整 流 二 极 管 稳 压 二 极 管 二 极 管 符 号 正 向 特 性 : 在 电 子 电 路 中, 将 二 极 管 的 正 极 接 在 高 电 位 端, 负 极 接 在 低 电 位 端, 二 极 管 就 会 导 通, 这 种 连 接 方 式 称 为 正 向 偏 置 (P 为 正 N 为 负 ) 说 明 : 只 有 当 正 向 电 压 达 到 某 一 数 值 ( 这 一 数 值 称 为 门 槛 电 压, 锗 管 约 0.3V, 硅 管 约 为 0.7V) 以 后, 二 极 管 才 能 真 正 导 通 导 通 后 二 极 管 两 端 的 电 压 基 本 保 持 不 变 ( 锗 管 约 0.3V, 硅 管 约 为 0.7V), 称 为 二 极 管 的 正 向 压 降 反 向 特 性 : 在 电 子 电 路 中, 二 极 管 的 正 极 接 在 低 点 位 端, 负 极 接 在 高 电 位 端, 此 时 二 极 管 中 几 乎 没 有 电 流 流 过, 此 时 二 极 管 处 于 截 止 状 态, 这 种 连 接 方 式 称 为 反 向 偏 置 一 般 把 极 性 标 示 在 二 极 管 的 外 壳 上, 大 多 数 用 不 同 的 颜 色 的 环 来 表 示 负 极, 有 的 直 接 标 上 - 号
二 极 管 的 识 别 : 二 极 管 的 识 别 很 简 单, 小 功 率 二 极 管 的 N 极 ( 负 极 ) 在 二 极 管 外 表 采 用 一 种 色 圈 标 出 来, 有 些 二 极 管 也 用 专 用 符 号 表 示 P 极 ( 正 极 ) 或 N 极 ( 负 极 ) 如 果 用 数 字 式 万 用 表 用 检 测 二 极 管 档, 显 示 的 数 字 为 正 向 压 降 整 流 二 极 管 : 有 白 色 圈 的 为 负 若 有 示 数, 则 红 表 笔 所 测 端 为 正, 黑 表 笔 端 为 负 ; 稳 压 二 极 管 : 有 黑 圈 的 一 端 为 负 若 有 示 数, 则 红 表 笔 所 测 端 为 正, 黑 表 笔 端 为 负 ; 如 果 用 指 针 式 万 用 表, 调 到 欧 姆 档, 有 示 数 的, 黑 表 笔 接 的 是 正 极, 红 表 笔 接 的 是 负 极 整 流 二 极 管 稳 压 二 极 管 三 极 管 也 称 为 晶 体 三 极 管, 简 称 三 极 管 可 以 说 它 是 电 子 电 路 中 最 重 要 的 器 件, 大 多 数 电 子 电 路 都 是 围 绕 三 极 管 展 开, 它 集 成 电 路 中 的 基 础 器 件 它 最 主 要 的 功 能 是 电 流 放 大 和 开 关 作 用
三 极 管 顾 名 思 义 具 有 三 个 电 极 二 极 管 是 由 一 个 PN 结 构 成, 而 三 极 管 是 由 两 个 PN 结 构 成, 共 用 的 一 个 电 极 成 为 三 极 管 的 基 极 (b), 其 它 两 个 电 极 成 为 集 电 极 (c) 和 发 射 极 (e) 由 于 排 列 方 式 的 不 同, 形 成 了 两 种 三 极 管 类 型 :PNP 型 和 NPN 型 在 三 极 管 符 号 中 有 一 个 箭 头 的 电 极 是 发 射 极, 箭 头 朝 外 的 是 PNP 型 三 极 管, 而 箭 头 朝 内 的 是 PNP 型, 实 际 上 箭 头 的 方 向 是 电 流 的 方 向 常 见 的 三 级 管 :90 系 列 : 除 了 9015 和 9012(PNP) 其 它 都 是 9013(NPN)9014 (NPN) 教 材 上 的 为 老 式 三 极 管 系 列 :3DG6 其 中 3 表 示 三 极 管, 第 二 部 分 A 表 示 PNP 型 锗 材 料,B 表 示 NPN 型 锗 材 料, C 表 示 PNP 型 硅 材 料, D 表 示 NPN 型 硅 材 料, 第 三 部 分 U 表 示 光 电 管, K 表 示 开 关 管,X 表 示 低 频 小 功 率 管,G 表 示 高 频 小 功 率 管, D 表 示 低 频 大 功 率 管, A= 高 频 大 功 率 管 3DJ- 场 效 应 管 按 半 导 体 材 料 分 : 锗 管 和 硅 管 ; 按 结 构 分 : 双 极 性 晶 体 管 BJT 和 场 效 应 三 极 管 FET 三 极 管 三 个 状 态 图 ( 电 压 标 示 图 )
三 极 管 放 大 的 作 用 体 现 如 下 方 面 : 1 放 大 电 路 主 要 利 用 三 极 管 或 场 效 应 管 的 控 制 作 用 放 大 微 弱 信 号, 输 出 信 号 在 电 压 或 电 流 的 幅 度 上 得 到 了 放 大, 输 出 信 号 的 能 量 得 到 了 加 强 2 输 出 信 号 的 能 量 实 际 上 是 有 直 流 电 源 提 供 的, 只 是 经 过 三 极 管 的 控 制, 使 之 转 换 成 信 号 能 源, 提 供 给 负 载 三 极 管 的 检 测 : 现 在 的 多 用 电 表 都 有 直 接 检 测 三 极 管 放 大 倍 数 的 功 能 hfe 档, 并 能 判 断 三 极 管 的 类 型 和 电 极 如 果 使 用 电 阻 档 来 判 断, 按 照 以 下 步 骤 : ⑴ 判 断 基 极 和 三 极 管 类 型 ⑵ 判 断 集 电 极 和 发 射 极, 需 要 人 体 连 入 BC 之 间 充 当 偏 置 电 阻 总 结 方 法 : 三 颠 倒, 找 基 极 ;PN 结, 定 管 型 ; 顺 箭 头, 偏 转 大 ; 测 不 准, 动 嘴 巴 ; 伏 安 特 性 曲 线 图 常 用 纵 坐 标 表 示 电 流 I 横 坐 标 表 示 电 压 U, 以 此 画 出 的 I-U 图 像 叫 做 伏 安 特 性 曲 线, 这 种 图 像 常 被 用 来 研 究 导 体 电 阻 的 变 化 规 律 二 极 管 伏 安 特 性 曲 线 是 加 在 PN 结 两 端 的 电 压 和 流 过 二 极 管 的 电 流 之 间 的 关 系 曲 线 二 极 管 特 性 曲 线 三 极 管 特 性 曲 线 可 由 共 射 接 法 的 输 入 特 性 曲 线 和 输 出 特 性 曲 线 来 说 明 :
1 输 入 特 性 曲 线 是 指 Uce 不 变 时, 输 入 电 压 Ube 和 输 入 电 流 Ib 之 间 的 关 系 曲 线, 如 图 所 示, 三 极 管 的 输 入 特 性 曲 线 和 二 极 管 的 伏 安 特 性 曲 线 基 本 相 同, 不 过 Uce 增 大 时 曲 线 略 有 右 移 2 输 出 特 性 曲 线 是 指 当 输 入 电 流 Ib 不 变 时, 输 出 电 压 Uce 和 输 出 电 流 Ic 之 间 的 关 系 曲 线, 如 图 所 示 可 分 为 三 个 区 : 截 止 区 饱 和 区 放 大 区 基 极 电 流 I b 一 定 时, 晶 体 三 极 管 的 I c 和 U ce 之 间 的 关 系 曲 线 叫 做 输 出 特 性 曲 线 曲 线 以 I c(ma) 为 纵 坐 标, 以 U ce(v) 为 横 坐 标 给 出, 图 上 的 点 表 示 了 晶 体 管 工 作 时 I b U ce I c 三 者 的 关 系, 即 决 定 了 晶 体 三 极 管 的 工 作 状 态 从 曲 线 上 可 以 看 出, 晶 体 管 的 工 作 状 态 可 分 成 三 个 区 域 饱 和 区 :U ce 很 小,I c 很 大 集 电 极 和 发 射 极 饱 和 导 通, 好 像 被 短 路 了 一 样 这 时 的 U ce 称 作 饱 和 压 降 此 时 晶 体 管 的 发 射 结 集 电 结 都 处 于 正 向 偏 置 放 大 区 : 在 此 区 域 中 I b 的 很 小 变 化 就 可 引 起 I c 的 较 大 变 化, 晶 体 管 工 作 在 这 一 区 域 才 有 放 大 作 用 在 此 区 域 I c 几 乎 不 受 U ce 控 制, 曲 线 也 较 为 平 直, 此 时 管 子 的 发 射 结 处 于 正 向 偏 置, 集 电 结 处 于 反 向 偏 置 截 止 区 :I b=0,i c 极 小, 集 电 极 和 发 射 极 好 像 断 路 ( 称 截 止 ), 管 子 的 发 射 结 集 电 结 都 处 于 反 向 偏 置
2-1. 电 路 原 理 二 极 管 特 性 曲 线 元 件 的 伏 安 特 性 曲 线 需 要 测 得 多 组 电 压 和 电 流, 在 坐 标 纸 上 描 绘 特 性 曲 线 本 任 务 是 利 用 Proteus 的 图 表 仿 真 功 能 很 方 便 的 得 到 特 性 曲 线 仿 真 二 极 管 特 性 曲 线 的 电 路 如 下 : 利 用 激 励 源 ( 电 源 发 生 器 ) 作 为 电 源 连 接 一 个 二 极 管 然 后 接 地, 在 电 路 上 放 一 个 电 流 探 针 改 变 电 源 的 电 压, 测 得 电 流 的 变 化, 就 可 以 描 绘 二 极 管 的 特 性 曲 线 Proteus 中 的 图 表 仿 真 模 式 DC SWEEP( 直 流 电 压 扫 描 ) 仿 真 图 表 可 以 方 便 的 实 现 这 一 功 能 3-1. 仿 真 实 践 在 Proteus 仿 真 软 件 中 选 取 所 需 的 元 件 如 下 表 : 元 件 名 类 子 类 备 注 数 量 1N4001 Diodes Rectifiers 普 通 整 流 二 极 1 管 参 数 第 1 步 : 打 开 软 件, 点 击 ISIS 图 标 进 入 原 理 图 绘 制 界 面 第 2 步 : 选 取 元 件 点 击 P 按 钮 打 开 元 件 库, 通 过 查 找 选 取 所 需 的 元 件
第 3 步 : 放 置 元 件 和 仿 真 工 具 1 放 置 元 件 二 极 管 在 电 路 编 辑 窗 口 2 放 置 激 励 源 中 的 直 流 电 源 DC 3 放 置 终 端 模 式 中 的 接 地 GROUND 第 4 步 : 电 路 连 线 和 放 置 电 流 探 针 电 路 连 线 好 后 选 择 探 针 模 式 按 钮, 放 置 电 流 探 针 CURRENT, 注 意 电 流 探 针 箭 头 尾 端 直 接 与 电 路 连 线 相 连, 中 间 不 能 有 连 线 还 需 要 调 整 电 流 箭 头 的 方 向 与 实 际 电 流 一 致, 右 键 电 流 探 针 弹 出 快 捷 菜 单, 点 击 旋 转 方 向 进 行 调 整 第 5 步 : 编 辑 属 性 1 编 辑 直 流 电 源 DC 属 性, 修 改 激 励 源 名 为 V1( 也 可 以 不 更 改 ), 选 择 是 否 手 动 编 辑, 在 右 边 的 Properties 中 输 入 VALUE=v, 说 明 电 源 电 压 为 变 量 v
2 编 辑 电 流 探 针 数 属 性, 修 改 名 称 为 I( 也 可 以 不 更 改 ) 第 6 步 : 仿 真 模 拟 选 择 图 表 模 式 中 的 DC SWEEP, 在 电 路 编 辑 窗 口 拉 出 一 个 仿 真 图 表 框, 把 电 流 探 针 I 拖 到 仿 真 框 中, 说 明 Y 坐 标 为 电 流 坐 标
也 可 以 通 过 菜 单 或 右 键 快 捷 菜 单 添 加 曲 线, 在 Probe P1 中 选 择 I 就 可 以 了 该 仿 真 图 表 也 可 以 描 绘 多 条 曲 线 的 运 算 结 果, 这 里 就 不 展 开 了 接 下 来 编 辑 仿 真 图 表 的 属 性, 双 击 仿 真 图 表 弹 出 属 性 对 话 框, 在 Sweep variable( 扫 描 变 量 ) 中 填 入 电 源 电 压 变 量 v, 其 它 属 性 如 图 填 写, 说 明 电 压 从 -1V 变 化 到 1V, 间 隔 100 次
编 辑 完 属 性 后, 选 中 仿 真 图 表 按 空 格 键 就 出 现 特 性 曲 线 如 图, 或 者 运 行 右 键 快 捷 菜 单 中 仿 真 图 表 命 令, 图 表 仿 真 不 需 要 按 仿 真 按 钮
第 7 步 : 仿 真 结 果 分 析 从 图 表 中 可 知 二 极 管 在 反 向 电 压 下 电 流 为 0, 电 路 不 导 通 在 正 向 电 压 超 过 700mV 左 右 电 流 增 大, 电 路 导 通 三 极 管 特 性 曲 线 2-2. 电 路 原 理 本 任 务 是 利 用 Proteus 的 图 表 仿 真 功 能 描 绘 输 出 特 性 曲 线 电 路 原 理 图 如 下 : 在 三 极 管 的 集 电 极 连 上 直 流 源 Vc, 在 基 极 连 上 直 流 源 Ib, 发 射 极 接 地, 电 流 探 针 探 测 集 电 极 电 流 Ice 在 不 同 基 极 电 流 Ib 下, 改 变 集 电 极 电 压 Vc, 测 得 集 电 极 电 流 Ice, 即 三 极 管 输 出 电 压 和 电 流 的 特 性 曲 线 因 为 需 要 变 化 两 个 量, 所 以 用 Proteus 图 表 仿 真 模 式 中 的 TRANSFER( 直 流 传 输 曲 线 扫 描 ) 仿 真 图 表 来 实 现 这 一 功 能
3-2 仿 真 实 践 在 Proteus 仿 真 软 件 中 选 取 所 需 的 元 件 如 下 表 : 元 件 名 类 子 类 备 注 数 量 2N5551 Transistors Bipolar NPN 小 功 率 硅 1 三 极 管 参 数 第 1 步 : 打 开 软 件, 点 击 ISIS 图 标 进 入 原 理 图 绘 制 界 面 第 2 步 : 选 取 元 件 点 击 P 按 钮 打 开 元 件 库, 通 过 查 找 选 取 所 需 的 元 件 第 3 步 : 放 置 元 件 和 仿 真 工 具 1 放 置 元 件 在 电 路 编 辑 窗 口 2 放 置 激 励 源 中 的 直 流 电 源 DC 3 放 置 终 端 模 式 中 的 接 地 GROUND 第 4 步 : 电 路 连 线 和 放 置 电 流 探 针 电 路 连 线 好 后 选 择 探 针 模 式 按 钮, 放 置 电 流 探 针 CURRENT, 注 意 电 流 探 针 箭 头 尾 端 直 接 与 电 路 连 线 相 连, 中 间 不 能 有 连 线 还 需 要 调 整 电 流 箭 头 的 方 向 与 实 际 电 流 一 致, 右 键 电 流 探 针 弹 出 快 捷 菜 单, 点 击 旋 转 方 向 进 行 调 整
第 5 步 : 编 辑 属 性 1 编 辑 直 流 源 属 性, 双 击 集 电 极 电 源, 修 改 激 励 源 名 为 Vc 双 击 基 极 电 源, 修 改 激 励 源 名 为 Ib, 点 击 是 否 使 用 当 前 源 选 项, 使 之 成 为 电 流 模 式
2 编 辑 电 流 探 针 数 属 性, 修 改 名 称 为 Ice 第 6 步 : 仿 真 模 拟 选 择 图 表 模 式 中 的 TRANSFER, 在 电 路 编 辑 窗 口 拉 出 一 个 仿 真 图 表 框, 把 电 流 探 针 Ice 拖 到 仿 真 框 中, 说 明 Y 坐 标 为 电 流 坐 标
接 下 来 编 辑 仿 真 图 表 的 属 性, 双 击 仿 真 图 表 弹 出 属 性 对 话 框, 在 Source1 中 选 择 集 电 极 电 源 Vc, 电 压 从 0V 变 化 到 10V, 间 隔 100 次 在 Source2 中 选 择 基 极 电 源 Ib, 电 流 从 100u 到 1m, 变 化 10 次 编 辑 完 属 性 后, 选 中 仿 真 图 表 按 空 格 键 就 出 现 特 性 曲 线 如 图, 或 者 运 行 右 键 快 捷 菜 单 中 仿 真 图 表 命 令, 图 表 仿 真 不 是 交 互 式 仿 真 不 需 要 按 仿 真 按 钮
第 7 步 : 仿 真 结 果 分 析 4. 扩 展 与 思 考 1 5. 教 学 资 源 任 务 的 Proteus 仿 真 文 件 5-1fz.pdsprj 二 极 管 特 性 曲 线 仿 真 5-2fz.pdsprj 三 极 管 输 出 特 性 曲 线 仿 真