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一、半导体与PN结
首先了解半导体的一些特性: 1. 半导体的导电特性:半导体一般是指基于元素周期表中第IV主族元素物质制作的介于导体和绝缘体之间的物质,比如碳、硅、锗等。 半导体导电特性是基于空穴-电子对的运动,从而产生电流。 空穴:电子流失后留下的空位,把它看成一类导电物质,带正电; 电子:电子的单向运动产生反向电流,带负电。 温度升高空穴-电子对的运动强度增大,因此导电能力也就增强。 2. PN结N型半导体(Negative):参入五价元素,与四价元素形成共价键后剩余一个电子,整体带负电。 P型半导体(Positive):参入三价元素,与四价元素形成共价键后剩余一个空穴,整体带正电。 PN结:将P型半导体和N型半导体组合后形成PN结,也就是常见的二极管基本结构。 对PN结的P区加正电压,N区加正电压。P区的空穴向N去移动,N区的电子向P区移动,这样就形成了由P向N的电流。 一般选型二极管可能需要关注的参数有:最大整流电流IF,最高反向工作电压UR,反向电流IR,最高工作频率fM等。 对PN结施加反向电压的应用场景是稳压二极管。 二、三极管与放大电路 1. 三极管(Bipolar Junction Transistor)按照各类书籍,基本按照NPN型为例进行分析,本文也会依照NPN模型的路径进行分析,但尽量结合两类三极管的异同点。结构如下: 接下来,对于NPN型三极管,最基本的一个共射极放大电路如下: 其次,放大系数公式可以写成 β = △ i C △ i B ≈ I c I b \beta=\frac{\bigtriangleup i_C}{\bigtriangleup i_B}\approx\frac{I_c}{I_b} β=△iB△iC≈IbIc(式中,约等于的误差来自三极管中的压降,此处不做详细分析,可以参考模拟电路书籍)。放大系数中的电流Ic和Ib实际设计中可以在b极和c极用电阻进行控制,这样便可以设计放大电路了。 再者,三极管工作状态有三种: 放大状态:发射结正向偏置,集电结反向偏置。正向偏置即电压方向是P->N。饱和状态:发射结和集电结都正向偏置。截止状态:基极电流为零。最后,输入特性曲线和输出特性曲线分别描述了电压电流关系。 当UCE确定时,集电结与发射结电压确定,可以分析iB和uBE的关系。这就是输入特性曲线,主要分析的是输入回路的电路。![]() ![]() 根据以上三种工作状态,如果是设计放大电路,则工作状态一定是放大状态。而设计开关电路,则工作状态在饱和状态和截止状态之间切换。放大电路的设计重点就在于如何让三极管工作在放大状态。 上文有提到放大系数是 β = △ i C △ i B ≈ I c I b \beta=\frac{\bigtriangleup i_C}{\bigtriangleup i_B}\approx\frac{I_c}{I_b} β=△iB△iC≈IbIc。放大状态的条件是发射结正向偏置,集电结反向偏置。 首先如何保证发射结正偏集电结反偏? 答案就是三极管形成的直流回路要满足:UCE≥0且UCB≥0且 UBE≥0。而这在模电当中称为设置静态工作点(Quiescent)包含参数:IBQ、ICQ、UBEQ、UCEQ,而一般会把UBEQ当成已知量,硅管0.7V,锗管0.2V。按照如下图的模型,设置VCC>VBB即可实现:![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 根据上面提到的内容,三极管的开关作用是指饱和区和截止区的交换过程。而有一种特殊状态是UBC=0,即集电极和发射极的电压差为0,这种状态称为临界饱和或临界放大。对于开关作用的三极管一般可以设计成这种工作状态。 2.开关电路的设计设计原理: 饱和区:发射结和集电结都正向偏置。 截止区:基极电流为0。 结合上述的内容,只要满足UBC=0即可。下图中Rb=Rc,VBB=VCC,则形成了一个开关电路。数字电路中通过操作VBB的0和1状态即可实现开关。 针对NPN三极管 这种三极管作为开关管,一般设计方式有两种: 针对PNP三极管 PNP三极管的应用也有两种模型: 总体来说,一般在用三极管设计控制电路时,负载都与集电极一侧相连。 四、低功耗和稳定性问题 1. 低功耗问题在低功耗设计中,三极管控制电路会对电路产生一定影响。无论是NPN还是PNP,三极管本身PN结会有漏电流存在,在以上提到的模型中,当工作在截止状态时,NPN中存在Ucb>0和Uce>0 ,PNP中存在Uec>0和Ubc>0,故会有漏电流存在。 2. 稳定性问题在I/O控制基极电压时,为了稳定基极的电压,一般会在NPN开关电路的设计中,在基极加下拉电阻;在PNP开关电路的设计中,在基极加上拉电阻。上拉下拉电阻根据控制芯片、三极管和电路电压选择10K,4.7K,1K等。如图: 参考资料:《模拟电子技术基础》 |
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