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Chapter 6

Chapter 6. BJT 特性及應用. 本章重點一覽. 6.1 理想三端元件 四種不同特性的三端元件 工程師最想要的三端元件 6.2 BJT 特性 npn ：三種工作模式 6.3 pnp 電晶體 pnp ：三種工作模式. 本章重點一覽. 6.4 BJT 電路 幾種典型 BJT 電路的分析 6.5 BJT 開關電路 開關元件 設計範例 6.6 結語. 6.1 理想三端元件. I 1 I 2.

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  1. Chapter 6 BJT特性及應用

  2. 本章重點一覽 • 6.1 理想三端元件 四種不同特性的三端元件 工程師最想要的三端元件 • 6.2 BJT特性 npn：三種工作模式 • 6.3 pnp電晶體 pnp：三種工作模式

  3. 本章重點一覽 • 6.4 BJT電路 幾種典型BJT電路的分析 • 6.5 BJT開關電路 開關元件 設計範例 • 6.6 結語

  4. 6.1 理想三端元件 I1 I2 V13 V23 3 圖6.1 • BJT是一顆三端元件 • 下圖是一顆三端元件，為簡單起見，我們將端點3當參考點(接地)，而以端點1作為輸入端，端點2作為輸出端。

  5. 6.1 理想三端元件 • 此處我們考慮四種不同特性的理想三端元件： • 電壓控制電壓源(Voltage Controlled Voltage Source, VCVS) V23 = k V13 • 電壓控制電流源(Voltage Controlled Current Source, VCCS) I2 = k V13

  6. 6.1 理想三端元件 • 電流控制電壓源(Current Controlled Voltage Source, CCVS)V23 = k I1 • 電流控制電流源(Current Controlled Current Source, CCCS)I 23= k I1

  7. 6.1 理想三端元件 • 四種理想三端元件中，何者會是電子工程師的最佳選擇？ • 工程師通常比較喜歡以電壓而不是電流來當控制信號(示波器上看到的是電壓而非電流)。故由輸入端的觀點而言，VCVS/VCCS顯然較CCVS/CCCS符合工程師的設計習慣。 • VCVS和VCCS皆以輸出電壓控制輸出端，何者會是最佳選擇？

  8. 6.1 理想三端元件 • 由輸出端判斷VCVS與VCCS何者是較好的選擇。 • 對於VCVS，V23=kV13，因為k是個常數，所以放大倍率(gain，增益)是由元件特性(k)而非使用者決定。在實際應用中，增益從幾倍到幾萬倍都有可能，而VCVS僅能作單一倍率放大，用途將非常有限。 • 實用上許多元件需要電流推動(例如警報器、喇叭、LED等)，此時VCVS也不適用。

  9. 6.1 理想三端元件 VCC R VCCS V1V2 圖6.2 • VCCS的特性是利用輸入電壓控制輸出電流，將一個小信號(VS)加到VCCS的輸入端，並且將電源(VCC)及一顆電阻(R)加到其輸出端， 由微積分基本定理，我們得到V2的變動量 與Vs的變動量之間的關係式為 因此其比例常數(即增益) G = kR 。 R由使用者決定，因此我們可利用適當的電阻獲得所要的增益。

  10. 6.1 理想三端元件 • VCCS也可以輕易應用在需要電流推動的控制電路上(例如警報器、喇叭、LED等電路)，故實用性遠比VCVS好。所以VCCS是最理想的三端元件，也是電子工程師的最佳選擇。

  11. 6.2 BJT特性 C B E 圖6.3 • 下圖是npn型BJT的電路符號，三個端點分別是Emitter(E極)、Base(B極)和Collector(C極)。 電流IB及IC的方向是流入B極和C極，而IE則是流出E極。 事實上BJT就是一顆VCCS，主要利用輸入電壓(VBE)控制輸出電流(IC)，只是它的特性不像理想的VCCS那麼單純 在不同的工作模式下，VBE與 IC的關係不同。

  12. 6.2 BJT特性 • 截止模式(cutoff mode) • VBE < Vcut-in (約0.5V) • B-E界面不導通，Emitter無法發射電子，所以： IB= IC= IE= 0 • 因此利用VBE < Vcut-in可以控制IC，強迫它為零。

  13. 6.2 BJT特性 • 飽和模式(saturation mode) • VBE > Vcut-in且0  VCE < 0.3V • B-E界面導通，Emitter開始發射電子進入Base。 • IC受VBE和VCE控制，但三者之間並無明確數學關係式存在。 • 為了簡化分析，我們通常作以下兩個假定：

  14. 6.2 BJT特性 • 主動模式(active mode) • VBE > Vcut-in且VCE 0.3V • IC單獨由VBE控制，兩者呈指數關係： • IB和IC呈比例關係： • 在主動模式時，我們一般假定VBE = 0.7V，再利用以上的關係，便可以分析電路得到各電壓電流。

  15. 6.2 BJT特性 • 以上說明顯示BJT是一顆以電壓(VBE)控制電流(IC)的三端元件，這顆元件將非常有用： • 利用VBE < Vcut-in或VBE > Vcut-in則IC=0或IC≠0的特性，使BJT成為一顆很好的開關元件(switching device)，可以用在許多開關電路上。 • 當BJT處於主動模式時，利用VBE可以控制IC，特性與理想VCCS類似，是很好的放大元件，可用來製作放大器。

  16. 6.3 pnp電晶體 E B C • pnp電晶體和npn電晶體的工作原理相同，只是pnp電晶體的主要載子是電洞而非自由電子。 • 右圖是pnp電晶體的電路符號，同樣有E、B、C三極，它們的角色與npn電晶體相同：E極負責發射電洞，數量由VEB所決定，而電洞由B極和C極流出的多寡則決定於VEC。

  17. 6.3 pnp電晶體 E B C • 因為電洞帶正電，正常情況下E極在高電位而B、C極在低電位，故習慣上以VEB、VEC來表示端電壓以避免負號。 • 電流方向也剛好和npn電晶體相反，以符合正常電流方向。 • pnp電晶體同樣是以電壓(VEB)控制電流(IC)的元件，也有三個工作模式。

  18. 6.3 pnp電晶體 • 截止模式(cutoff mode) • VEB < Vcut-in (約0.5V) • E極無法發射電洞，所以： IB= IC= IE= 0 • 飽和模式(saturation mode) • VEB > Vcut-in且VEC < 0.3V • B-E界面導通，Emitter開始發射電子進入Base。 • VEB和IC之間無明確關係存在 。 • 為了簡化分析，我們通常作以下兩個假定：

  19. 6.3 pnp電晶體 • 主動模式(active mode) • VEB > Vcut-in且VEC 0.3V • E極射入B極的電洞幾乎都被吸引到C極，僅剩極少數電洞由B極端流出。 • BJT的電壓電流呈現很有規律的特性，即

  20. 6.4 BJT電路 • pnp電晶體特性幾乎是npn電晶體的翻版，只是電壓極性和電流方向不同而已。 • 因為電子的移動速度比電洞快，故npn電晶體的反應速度比pnp電晶體快，因此實用上以npn電晶體為主。

  21. 6.4 BJT電路 • 在分析BJT電路時，我們必須先判斷BJT處於何種工作模式之後，才能正確分析電路。 • 以npn型電晶體為例： • 先判斷BJT是否處於截止模式，判斷的依據是VBE > Vcut-in或VBE < Vcut-in？若VBE < Vcut-in，則BJT處於截止模式。 • 若VBE Vcut-in，則BJT處於主動或飽和模式。判斷兩者的方法為觀察VCE。若VCE < 0.3V則處於飽和模式，否則處於主動模式。 或者觀察IB及IC。若IC < IB則處於飽和模式，否則處於主動模式(IC = IB)。以上兩者之一成立，另一個也必然成立。

  22. 6.4 BJT電路 VCC 10K RC RB 4.3K +  VBB 圖E6.1 • 例一 • 假定VCC=10V，在以下情況下求IC、IB。(1) VBB = 0.2V；(2) VBB =1V；(3)假定RB = 43K，VBB = 1V。

  23. 6.4 BJT電路 +10V RB VC RC 圖E6.2 • 例二 • 在以下情況下求VC：(1) RB = 200k； RC =1k；(2)RB=100k，RC=4k。

  24. 6.4 BJT電路 +10V 10K RC IB VBB RE 10V 圖E6.3 • 例三 • 在以下情況下求IB。(1) VBB = -2V ， RE=7.3k(2) VBB = -2V ， RE=2k

  25. 6.4 BJT電路 VCC = 12V RC 4K R1 100K 100K RE R2 5K 圖E6.4 • 例四 • 分析右圖的電路以得到IC， VC ， VE

  26. 6.4 BJT電路 VCC = 12V RE 5K R1 20K R2 RC 20K 10K 圖E6.6 • 例五 • 分析右圖的電路以得到IC ， VC ， VE

  27. 6.4 BJT電路 圖E6.8 VCC = 12V R1 10K RC 4K VC2 IB1 Q1 Q2 10K R2 RE1 5.3K RE2 4K • 例六 • 右圖中有兩顆電晶體，其中Q1的C極連接至VCC而E極連接Q2的B極，求(VC2，IE1)。

  28. 6.5 BJT開關電路 VCC 負載 I Vo Vx 控制電路 開關 圖6.5 • 右圖使用一個開關元件，用來控制一個負載。這個開關元件有三個端點，其中兩個端點分別接負載及地(ground)，另一端點則接到控制電路以決定開或關。

  29. 6.5 BJT開關電路 VCC 負載 I Vo Vx 控制電路 開關 圖6.5 • 這可能是一個保全公司的警報電路，其中負載為警報器，而控制端則接到出入口的偵測電路： • 無人侵入時，控制電壓Vx = 0V，此時開關處於開(open)的狀態，電路不導通所以警報器不會響。 • 當有人侵入時，控制電壓Vx = VA，使得開關處於關(close)的狀態，電路導通所以警報器便鈴聲大作。

  30. 6.5 BJT開關電路 • 理想的開關元件處於開的狀態時，能像絕緣體般完全阻絕電流(I = 0)；處於關的狀態時，能像金屬導體般完全導通(Vo = 0)，使電源電壓完全加到負載上。這個特性是評估一顆開關元件好壞的重要依據。 • 處於開的狀態時，電流I = 0，消耗功率為： • 處於關的狀態時，電壓Vo = 0，消耗功率為：

  31. 6.5 BJT開關電路 • 因此理想的開關元件不僅特性良好且不消耗任何功率。 • 二極體有導通及截止兩個狀態，剛好對應開與關兩個狀態，但由於只有兩個端點，所以不適合作為開關。BJT有三個端點及三個工作模式，若搭配得宜似乎適合作開關元件。

  32. 6.5 BJT開關電路 VCC 負載 Vo Vx • 將開關以BJT取代。藉著偵測電路送來的控制電壓加上適當的電路設計，能使BJT工作在截止模式或飽和模式： • 當BJT處於截止模式，IC = 0，對應開關open的狀態。 • 當BJT處於飽和模式，VCE = 0.2V，對應開關close的狀態，電源電壓幾乎都加在負載上。 • 若工作於主動模式則此VCE>0.3V ，BJT消耗的功率比飽和模式大，故不適合。

  33. 6.5 BJT開關電路 VCC 負載 Vo Vx • BJT的截止模式和理想開關的open狀態相同，而飽和模式近似開關close的狀態(雖然VCE 0V但接近0V)，因此BJT可作為很好的開關元件。

  34. 6.5 BJT開關電路 +6V RC LED RB Vx • 設計範例A • 設計一個警示電路，當有人越過圍牆侵入時讓一顆LED發亮，以提醒警衛室的保全人員有人入侵。你到電料行買一個紅外線偵測器裝在圍牆上，假定在正常情況下，紅外線偵測器輸出電壓VX=0V，而當有人侵入時VX=5V。

  35. 6.5 BJT開關電路 +6V RC LED RB Vx • 設計範例A • 其中 RC用來決定LED導通時的電流(對應LED的亮度)，RB用來限制IB (若直接加到B極，BJT可能因電流過大而燒燬)並決定BJT的工作狀態。

  36. 6.5 BJT開關電路 • 設計RC • 設計RB • 保留安全邊距(safety margin) • 每一顆元件都扮演特別的角色 • 元件值的選擇很重要 • 設計時常面臨取捨的問題，如何正確拿捏需要時間及經驗，但這是學習電子學的常態，未來還會不斷面臨類似問題。

  37. 6.5 BJT開關電路 • 設計範例B • 假設現在有兩個相同的紅外線偵測器分別置於圍牆及大門，在正常情況下其輸出電壓為0V，而當有人侵入時其輸出電壓為5V。 • 現有兩顆LED，一顆發綠光，另一顆發紅光。我們希望設計一個警示電路：在正常情況下(無人侵入)，兩顆LED皆不發光。當只有一個偵測器偵測到有人侵入時，綠色LED發光而紅色LED不發光。當兩個偵測器皆偵測到有人侵入時，則兩個LED皆發光。

  38. 6.5 BJT開關電路 +6V RC RB1 Vx Q1 RB2 Vy Q2 圖6.9 LED 圖6.8 +6V RC LED RB RB Vx Vy Q1 Q2

  39. 6.6 結語 • BJT是很特別的元件，基本上是一顆以電壓(VBE)控制電流(IC)的元件，和以往學過的兩端元件大不相同。雖然它不像理想VCCS有那麼簡單的特性，所以在應用上必須考慮不同的工作模式及設計細節，然而其電壓控制電流的本質，使它可以作為一顆很好的開關元件，應用在許多自動開關電路以及數位電路中﹔另外它也是很好的放大元件，可以作出各種放大器。

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