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電子學 ( 二 )

電子學 ( 二 ). 第三章 雙極電晶體 ( Bipolar Junction Transistor). 前言：雙極電體 (BJT) 三個分別的摻雜區及二個 pn 接面 單一個 pn 接面有順偏及反偏兩種操作模式，所以有兩個接面的電晶體便有四種操作模式 基本電晶體原則：兩端子間之電壓控制流經另一端子之電流 兩個接面足夠接近稱為交互作用的 pn 接面，其運作與兩個背對背接的二極體截然不同 電晶體內之電流由於電子與電洞之流動，所以稱為雙極. npn 雙極電晶體. pnp 雙極電晶體. 3-1 基本雙極電晶體. 3-1-1 電晶體構造 三個區域及其端子稱為射極、基極、集極

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  1. 電子學(二)

  2. 第三章 雙極電晶體( Bipolar Junction Transistor) • 前言：雙極電體(BJT) • 三個分別的摻雜區及二個pn接面 • 單一個pn接面有順偏及反偏兩種操作模式，所以有兩個接面的電晶體便有四種操作模式 • 基本電晶體原則：兩端子間之電壓控制流經另一端子之電流 • 兩個接面足夠接近稱為交互作用的pn接面，其運作與兩個背對背接的二極體截然不同 • 電晶體內之電流由於電子與電洞之流動，所以稱為雙極

  3. npn雙極電晶體 pnp雙極電晶體 3-1基本雙極電晶體 3-1-1電晶體構造 • 三個區域及其端子稱為射極、基極、集極 • 元件之運作端賴兩接面的靠近，所以基極很窄 • 實際構造較複雜 • 電性上非對稱 • 射極及集極幾何構造不同 • 三區之摻雜濃度不同 • 因此即使兩端都是相同的p或n，但對換兩端子使得元件動作完全不同

  4. 3-1-2 npn 順向主動模式操作 • 當放大元件是在順向主動操作模式(主動區) • 基-射極(B-E)接面順偏，基-集極(B-C)接面反偏 • 電晶體電流 • B-E順偏，電子由射極注入基極形成多出少數載子，經擴散越過基極進入B-C接面，因B-C反偏，電場將它們掃入集極，邊界電子濃度接近0 • 理想上所有電子均會進入集極，實際則有部分在基極重組，為降低重組效應，中性基極區寬度相對於少數載子擴散長度必須夠小

  5. 射極電流 (當 ) • 因電子由射極流入基極，所以電流由基極經射極流出 • IS正比於B-E接面面積 • 集極電流 (共基極電流增益 接近1) • 因射極區的摻雜濃度遠大於基極的，所以主要的射極電流來自於電子注入基極(少部分來自於基極電洞的注入) • 這些電子到達集極也形成集極電流的主要部分，所以與此電子數有關，換言之，為B-E電壓的函數 • 一種近似：正比於 ，而與反偏B-C電壓無關 • 此元件看似定電流源 • 基本電晶體動作：B-E電壓控制集極電流，即一端子之電流由另兩端子間的電壓所控制

  6. 共射極組態 • 基極電流 • ：B-E順偏，電洞由BE。但數目遠小於注入基極的電子，所以 • ：一些電子與基極之電洞重組，這些損失的電洞由基極的端子補充形成的電洞流。重組電流與射極射出電子數成正比。基極很窄，重組數目少，所以 • 共射極電流增益 • 集極及基極電流皆為 之函數，所以有線性關係 • 共射極電流增益視為定值，約在500-300 • 順向主動模式： • 電源電壓須足以使B-C接反偏 • 基極電流由VBB及RB建立，集極電流 • 關閉(cutoff)：VBB=0, iB=0,則iC=0

  7. 電流關係(順向主動模式) • (第一個等式恆成立) • ，若 則 • Example 3.1：求集極及射極電流 • 代入公式

  8. 3-1-3 pnp 順向主動模式操作 • 電子電洞之流動類似npn 3-1-4電路符號 • 箭頭放在射極表射極電流方向

  9. 一些電晶體電路 3-1-5電流-電壓特性 • 共基極電路組態 • 集極電流與C-B電壓無關，只要B-C反偏，為一理想電流源，如I-V特性如右圖 • B-C順偏：非順向主動模式，非 • 在0.2-0.3 V時仍在順向主動模式 ，但再增加則不是

  10. 共射極電路組態 • VBB順偏vBE及產生iB，VCC改變vCE • B-C需反偏才在順向主動模式 • I-V特性曲線有有限斜率 • 對npn需VCE>VBE(on) • 若B-C無反偏不在順向主動模式， 很快降至0 • Early電壓：I-V為線性，外插之交點 • 線性相依 • 給定 時， 增加，則B-C空乏電荷區增加，即中性基極寬度減小，少數載子濃度梯度增加，則流經基極之擴散電流(集極電流)增加 • 由集極看入之輸出電阻 • 靜態集極電流

  11. 3-2電晶體電路的直流分析 • 線性放大需在順向主動模式 3-2-1共射極(common-emitter)電路 • 因順偏，所以VBE=VBE(on) • 因在順向主動模式，所以IC為定值且為IB之函數 • 分析npn( ) • Example 3.2：各極電流及C-E電壓

  12. 分析pnp：與npn類似，注意電流方向 • Example 3.3：分析pnp共射極電路 • 求IBICIERC

  13. 3-2-2負載線及操作模式 • B-E的部分 • 負載線由B-E的迴路可得 • C-E的部分 • 負載線由B-E的迴路可得 • 兩端點分別是 • Q點：某基極電流下集極的dc電流及集-射極電壓 • 關閉模式： • 飽和模式：增加 ，使IB增加，至某點IC不再增加 • B-C順偏，集極與基極電流不再是線性關係 • VCE(sat)：很小，約0.1-0.3V，小於B-E切入電壓，且一般順偏VBC<順偏VBE，

  14. Example 3.4：計算飽和時之電流電壓 • 先求IB • 假設在主動區：IBICVCE<0，不合(對npn，CE組態而言) • 飽和模式：VCE(sat)ICIC<IB(合)IE

  15. 假設順向主動模式： • 若VCE>VCE(sat)則假設正確 • 否則若VCE <0則可能為飽和模式 • 其實亦可一開始假設飽和，再以IC<IB驗證 • 或若IB<0則可能為關閉模式 • 反向主動模式：B-E反偏，B-C順偏 • 上下顛倒：射極當集極，集極當射極 • 總結：四種模式，如圖

  16. 3-2-3常見的電晶體電路: 直流分析 • 除了共射極外尚有其他BJT電路組態 • Example 3.5：射極電阻 • B-E迴路及IE=(1+)IBIB • 假設在主動區得IE及IC • C-E迴路VCE> VCE(sat)(0.1-0.3V) • Example 3.6：正負電源 • B-E迴路IE • 因在主動區由IE得IB及IC • C-E迴路VCE

  17. Example 3.7：求RB • E-C迴路IE • 由IE得IB及IC • E-B迴路得RB • Example 3.8：負載電阻 • B-E迴路及IE=(1+)IBIB • 假設在主動區得IE及IC • 得VO • Thevenin等效電路 • RTH=RL||RC

  18. 3-3電晶體基本應用 3-3-1開闢 • 反相器：關閉與飽和間切換 • 關閉：vI<VBE(on)iB=iC=0, vO=VCC • 飽和： vI=VCC, RB/RC<飽和 • VBE(on)VCE(sat)(皆<1)，當vI=VCC iB/iCRB/RC<為飽和 • Example 3.9 • vI=0為關閉iB=iC=0, vO=VCC，無功率消耗 • 公式得iB及iC，iB/iC<所以飽和，公式得vO • 電晶體功率消耗

  19. 不同模式，不同功用 • 飽和模式時集極與基極電流關係不再線性，所以不可當線性放大器 • 在飽和與關閉間切換得到最大改變，所以在數位邏輯電路上相當有用 3-3-2數位邏輯 • 反相器與NOR邏輯閘 • 正邏輯系統：高電位代表1 • Example 3.10：NOR之電流電壓 • (主要使用 ) • 負載效應：負載對電路之影響

  20. 3-3-3放大器 • 反相器亦可用來當放大器(在主動區) • Example 3.11：dc轉換特性及電路放大因子 • dc分析 • 關閉：vI0.7 vO=5 V • 主動： vI>0.7iBiCvO=7.8-4vI • 飽和： vO=0.2 V vI=1.9，所以vI>1.9時飽和 • ac分析：電晶體偏壓在主動區中心 • 引入另一輸入電壓，為ac

  21. (負號是來自於電路的反轉特性) • 另一作法： • 當輸入超出主動區 • 若Q點不在中心，而使輸入越至飽和區，則輸出將不再線性放大

  22. dc等效 電路 3-4雙極電晶體之偏壓(bias) 3-4-1單基極電阻的偏壓電路 • 單一dc電源經單一電阻建立靜態基極電流 • 耦合電容對dc為開路，以隔離dc基極電流 • 若輸入頻率及耦合電容夠大，則訊號可以僅少量衰減而耦合到基極電流 • Example 3.12：求靜態所需之電阻 • C-E迴路求RC，B-E迴路求RB • 此值很大，不適合在IC中 • 靜態點的改變 • 電流增益之影響(製成所致)

  23. 上例電阻值不變，值改變，求靜態點的變化 • B-E迴路求IBQICQ VCEQ • Q點無穩定性，當值改變時 • 電阻值變動之影響 • 基極電阻變動基極電流變動集極電流變動C-E電壓變動

  24. 3-4-2分壓器偏壓電路 • 前法之RB以R1及R2，並加入RE • 以Thevenin等效電路分析 • 利用B-E迴路及三極電流間的關係可求三極電流 • Example 3.13：分壓器偏壓之電流及值之影響 • 求等效電阻及電壓

  25. 再求三極電流及C-E電壓 • 改變觀其變化(主要是ICQ及VCEQ) • R1及R2在數k，此電路即偏壓在主動區；RE有助因改變時Q點之穩定 • 偏壓穩定(通常RTH0.1(1+)RE) • 為了偏壓穩定性 • 一般 (因RTH壓降小，略去) • Example 3.14：設計偏壓穩定的電路(即求RE,R1,R2) • 典型RE之壓降近VBE(on)，所以先找個適當RERTH • 由C-E迴路求ICQ(約)IBVTHR2/(R1+R2) • 由RTH及R2/(R1+R2)得R1及R2

  26. 3-4-3積體電路偏壓電路 • 儘可能不用電阻(代以電晶體) • 偏壓使用定電流源IQ • 射極電流與及RB無關 • 集極電流與C-E電壓及(合理的) 無關 • 定電流源：使用兩個電晶體一個電阻。因B-C短路，Q1如同二極體，但在電晶體主動區 • I1稱為參考電流，由R1-Q1迴路可得 • Example 3.15：求電流 • 代入公式；相當大時IQI1

  27. 3-5多級(multistage)電路　 Example 3.16：求各電壓電流 • 先求Q1基極之等效電壓及電阻 • Q1之B-E迴路求IB1IC1及IE1 • IE1VE1 VB1 • 利用IC1=IR1+IB2求VC1 • VCE1=VC1-VE1 • VC1IR1及IB2IC2及IE2 • VC1VB2VE2，IC2VC2 • VEC2=VE2-VC2

  28. 習題 3-1. IB=9.60μA.，IE =0.78 mA，求β，α ，IC =?

  29. 3-2.如圖所示電路， 求R1，R2=?

  30. 3-3.如圖所示電路， 求R1，R2=?使得輸出電壓為零。

  31. 3-3續

  32. 3-4.如圖所示電路， 求IE =?

  33. 3-5.如圖所示電路，求所有節點的電流與電壓=?

  34. 第四章雙極電晶體放大器(Bipolar Junction Transistor Amplifiers 前言： • 線性放大器：處理類比訊號 • 類比訊號：可有任何值，可隨時間連續改變 • 線性放大器：輸出=輸入乘一個常數 • 常數一般大於1，所以產生訊號功率增益 • 三種單級(單一電晶體)放大器電路：共射極、射極隨耦器、共基極組態 • 多級放大器串聯以增加整個小訊號電壓增益或提供電壓增益與輸出電阻之組合

  35. 4-1類比訊號與線性放大器 • 訊號：帶有某種型態之資訊 • 類比訊號：可任意值，可隨時間任意改變 • 自然界訊號：音波 • 電氣訊號：時變之電流電壓，如cd，麥克風 • 類比電路：處理類比訊號之電子電路 • 線性放大器：放大輸入訊號，產生大於且正比於輸入訊號之輸出訊號

  36. 一個系統例子 • 時變訊號需放大才能用 • 驅動喇叭所需功率比cd輸出功率大，所以需放大 • 需有dc電源供應，好讓放大器工作在主動區，如此才能線性放大 • 從圖中知道放大器的分析需做兩種分析 • dc分析：因有外加dc電壓源 • ac分析：因輸入訊號為時變訊號源 • 重疊定理：被多個獨立輸入訊號激發的線性電路響應為各別輸入訊號響應之和 • dc分析：把ac源設成0 • ac分析：把dc源設成0 • 整體響應為兩個別響應之和

  37. 4-2雙極線性放大電路 放大器的心臟是電晶體，傳統上使用雙極電晶體，因有相當高的增益 • 電晶體需偏壓在靜態點，使之工作在主動區 • 則時變的輸出電壓會正比於時變的輸入電壓 • 若在關閉或飽和區，則輸出電壓並不會隨輸入改變

  38. 符號

  39. 4-2-1AC 等效電路 • 反相器及電晶體特性、負載線、Q點 • 將dc及ac電源串接非實際作法，而是為說明方便 • vs會產生時變(ac)基極電流疊加在靜態基極電流 • 基極電流集極電流RC電壓C-E電壓 • 一般ac輸出的C-E電壓大於弦波輸入訊號，故為放大器

  40. 小訊號：指夠小的ac訊號仍可提供線性關係 • 基極的時變訊號源產生基極電流時變的成份，也引發B-E電壓的時變成份 • 若疊在靜態點的時變訊號夠小，可發展ac B-E電壓及ac基極電流的線性關係，此即Q點斜率 • 小訊號之量化定義 • 上式並非線性，但若 則可只保留線性項。這種近似即所謂的小訊號的意思 • 所以小訊號的意思即ac訊號所引發的vbe夠小使得ib與vbe間的線性關係 成立 • 一般vbe<10 mV，基極電流誤差在5%之內

  41. 在小訊號的觀念下：時變訊號可線性相關地疊在dc上，則在小訊號的觀念下：時變訊號可線性相關地疊在dc上，則 • ac等效電路 • 即dc電流電壓設為0：dc電壓短路，dc電流開路 • dc分析：ac看成0則 • B-E迴路加入ac： • C-E迴路加入ac： • 其中隱含電晶體仍工作在順向主動區 • 另一種看法：基極及集極ac電流疊在dc上，流經VBB及VCC但未改變其電壓，所以阻抗為零是短路，即電壓源是短路

  42. 4-2-2小訊號之混成 等效電路 • 電晶體之小訊號等效電路：混合-模型 • 看成兩個埠之網路 • B-E小訊號時電流電壓關係如前所述 • 若訊號夠小則Q點斜率可視為固定，單位為電導，倒數為電阻，此即擴散電阻(基-射輸入阻抗)r

  43. 輸出端：約略而言，集極電流與C-E電壓無關，為B-E電壓之函數，則輔導(transconductance) gm • 配合rm及gm可得簡化的小訊號混合-等效電路 • 輸出的另一種型式：內部或共射極電流增益(這個較好用)

  44. F與之關係 • 前者用在dc(含漏電流)，後者用在增量變化 • 對理想BJT則視為相等 • 因漏電流忽略且假設F與集極電流無關 • 實際上因元件不同而不同且隨集極電流而變 • 將小訊號模型放入電路 • 小訊號電壓增益(逆推法)

  45. Example 4.1：求小訊號電壓增益 • 忽略ac，做dc分析：IBICVCE>VBE(主動區) • 忽略dc，做ac分析：r, (gm,) Av • 考量某一特定弦波vs=0.25sint V • iC增加則RC的壓降增加，則vCE降低。結果輸出弦波的部分相對於輸入訊號電壓有180度的相位變化

  46. 高頻時電容阻抗近似短路 小訊號低頻時二極體變成二極體擴散電阻 • 分析僅dc之電路，需在主動區 • 每個元件取代成小訊號模型 • 設定dc成份為0產生僅時變輸入訊號之響應

  47. 含ro之小訊號電壓增益 • 求相關參數(r,gm,ro)，再由逆推法求增益 • ro使小訊號電壓增益降低。 • 一般ro遠大於RC，所以其效應可忽略。 • 混成模型之混成部分來自於其參數單位不一致 • 輸入電阻r：歐姆，電流增益：無單位，輸入電阻ro：歐姆，傳導gm：姆歐 • pnp電晶體之等效電路：與npn類似，除了極性

  48. 小訊號電壓增益 4-2-3混成 等效電路的擴展 • 加入二個電阻 • 串聯電阻rb：外部基極端到理想的內部基極區 • 約幾十歐姆，甚小於r，在低頻可忽略。在高頻則因輸入電容效應，所以不可隨意忽略 • 反偏擴散電阻r：在B-C間，提供輸出入間之回饋 • 典型值在M，所以常忽略視為開路 • 意味著基極電流輕微地為C-E電壓之函數

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