三极管特性曲线分析

三极管特性曲线分析

⽬录

⼀、三极管特性曲线分析 (1)1.1三极管结构 (1)

1.2 三极管输⼊特性曲线 (2)

1.3 三极管输出特性曲线 (2)

⼆、三极管应⽤举例 (3)2.1 三极管在放⼤状态下的应⽤ (3)

2.2 三极管在开关状态下的应⽤ (3)

三、线性电路和⾮线性电路 (4)3.1线性电路理论 (4)

3.2 ⾮线性电路理论 (5)

3.3 线性电路的分析应⽤举例 (6)

3.4 ⾮线性电路的分析应⽤举例 (7)

四、数字电路和模拟电路 (8)4.1 数字电路 (8)

4.2 模拟电路 (8)

4.3数字电路和模拟电路区别与联系 (9)

五、总结与体会 (9)

六、参考⽂献 (10)

三极管输⼊输出曲线分析——谈线性电路与⾮线性电路

摘要：三极管是电路分析中⾮常重要的⼀个元器件。本⽂主要分析了三极管输⼊输出特性曲线，介绍了线性电路和⾮线性电路的理论在分析⼯具的不同之处。同时，线性电路和⾮线性电路在分析电路时各有着不同的⽤处。最后，介绍了数字电路及模拟电路区别与联系。

关键词：三极管；数字电⼦技术；模拟电⼦技术

⼀、三极管特性曲线分析1.1三极管结构

双极结型三极管是由两个PN结背靠背构成。三极管按结构不同⼀般可分为PNP和NPN 两种。

图1-1 三极管⽰意图及符号PNP型三极管和NPN型三极管具有⼏乎等同的电流放⼤特性，以下讨论主要介绍NPN 型三极管⼯作原理。NPN型三极管其两边各位⼀块N型半导体，中间为⼀块很薄的P型半导体。这三个区域分别为发射区、集电区和基区，从三极管的三个区各引出⼀个电极，相应的称为发射极（E）、集电极（C）和基极（B）。虽然发射区和集电区都是N型半导体，但是发射区的掺杂浓度⽐集电区的掺杂浓度要⾼得多。另外在⼏何尺⼨上，集电区的⾯积⽐发射区的⾯积要⼤。由此可见，发射区和集电区是不对称的。

双极型三极管有三个电极：发射极（E）、集电极（C）、基极（B），其中两个可以作为输⼊，两个可以作为输出，这样就有⼀个电极是公共电极。三种接法就有三种组态：共发射极接法（CE）、共基极接法（CC）、共集电极接法（CB）。这⾥只以共射接法为例分析其输⼊输出曲线。

图1-2 三极管三种组态

晶体三极管的输⼊特性和输出特性曲线描述了各电极之间电压、电流的关系。1.2 三极管输⼊特性曲线

输⼊特性曲线描述了在管压降CE U ⼀定的情况下，基极电流B i 与发射结压降BE U 之间的函数关系，即()CE C B BE Ui f u ==。

图1-3 三极管输⼊特性曲线1.3 三极管输出特性曲线

输出特性曲线描述是基极电流B I 为⼀常量时，集电极电流C i 与管压降CE u 之间的函数关系，即()B C CE I C i f u ==。

输出特性曲线可以分为三个⼯作区域，如下图所

⽰：

在饱和区，发射结和集电结均处于正向偏置。C i 主

要随CE u 增⼤⽽增⼤，对B i 的影响不明显，即当BE u 增⼤

时，B i 随之增⼤，但C i 增⼤不⼤。在饱和区，C i 和B i 之

间不再满⾜电流传输⽅程，即不能⽤放⼤区中的β来描

述C i 和B i 的关系，三极管失去放⼤作⽤。1. 死区2. 线性区

3. ⾮线性区

U ce =0V 时，发射极与集电极短路，发射结与集电结均正偏，实际上是两个⼆极管并联的

正向特性曲线。

当1CE U V >，0cb ce be U U U =->时,，集电结已进⼊反偏状态，开始1CE U V >收集载流⼦，且基区复合减少， 特性曲线将

向右稍微移动⼀些, I C / I B 增⼤。但U ce 再增加时，曲线右移很不明显。

在放⼤区，发射结正向偏置，集电结反向偏置，各输出特性曲线近似为⽔平的直线，表⽰当B i ⼀定时， 图1-4 三极管输出特性曲线C i 的值基本上不随CE u ⽽变化。

此时表现出B i 对C i 的控制作⽤，C B I I β=。三极管在放⼤电路中主要⼯作在这个区域中。

⼀般将0b I ≤的区域称为截⽌区，由图可知，C I 也近似为零。在截⽌区，三极管的发射结和集电结都处于反向偏置状态。

⼆、 三极管应⽤举例

三极管在电路中有着⾮常重要的应⽤地位。2.1 三极管在放⼤状态下的应⽤

分压式电流负反馈放⼤电路是各种电⼦设备

中经常采⽤的⼀种弱信号放⼤电路，其核⼼部件就

是三极管，当三极管⼯作在放⼤状态，那么在通电

过程中，三极管静态时的⼯作电压必须满⾜发射极

正偏，集电极反偏，⽽且随着输⼊信号的变化，各

种电压或电流都能随着发⽣相应的变化， 图2-1 分压式电流负反馈放⼤电路 不能出现信号的失真现象。2.2 三极管在开关状态下的应⽤

三极管的开关特性在数字电路中应⽤⼴泛，

是数字电路最基本的开关元件。当处于开状态时,

三极管为处于饱和状态,Uce ≤Ube ，Uce 间的电

压很⼩,⼀般⼩于PN 结正向压降(<0.7V).当处于

关状态时,基极电流Ib 为0.Uce ＞1V 时为放⼤状

态 。右图是共射型三极管典型电路，同时参考

三极管输出特性曲线进⾏分析。

三极管是以基极电流B i 作为输⼊，操控整个 图2-2 共射型三极管电路

三极管的⼯作状态。若三极管是在截⽌区，B i 趋近于0 (BE V 亦趋近于0)，C 极与E 极间约呈断路状态，C i = 0，CE CC V V=。

若三极管是在线性区， B i 的值适中 (0.7BE V V =)， C fe B I h I =，呈⽐例放⼤，CE CC C C CC fe B V V R I V h I =-=-可被 BI 操控。若三极管在饱和区，B I 很⼤，

0.8BE V V =0.2CE V V =，0.6BC V V

=，Cfe B I h I ≤，B-C 与B-E 两接⾯均为正向偏压，C-E 间等同于⼀个带有0.2 V 电位落差的通路，可得(0.2)/C CC C I V R =-，C I与 B I ⽆关了，因此时的B I ⼤过线性放⼤区的B I 值，C fe B I h I

的是B I ，也可以⽤BB V 作为控制的输⼊讯号。下图显⽰三极管开关的通路、断路状态，及其对应的等效电路。

图2-3 截⽌态如同断路 图2-4 饱和态如同通路

三、线性电路和⾮线性电路

是否满⾜叠加定理和齐次性是线性电路和⾮线性电路之间最主要的区别。3.1线性电路理论

线性电路是指完全由线性元件、独⽴源或线性受控源构成的电路。线性就是指输⼊和输出之间关系可以⽤线性函数表⽰。齐次，⾮齐次是指⽅程中有没有常数项，即所有激励同时乘以常数k 时，所有响应也将乘以k 。

线性电路的最基本的特性是它具有叠加性和齐次性。电路的叠加性是指在有⼏个电源共同作⽤下的线性电路中，通过每⼀个元件的电流或其两端的电压，可以看成是由每⼀个电源单独作⽤时在该元件上所产⽣的电流或电压的代数和。线性电路的齐次性是指当激励信号（如电源作⽤）增加或减⼩Ｋ倍时，电路的响应（即在电路其它各电阻元件上所产⽣的电流和电压值）也将增加或减⼩Ｋ倍。叠加性和齐次性是线性电路独有的特性，这两个定理也简化了线性电路分析的过程。叠加性和齐次性可表⽰如下：

图3-1 线性电路的叠加性

图3-2 线性电路的齐次性

图3-3 线性电路叠加性和齐次性的综合特性

在线性电路中，由多个独⽴电源共同作⽤所引起的响应等于这些独⽴电源分别单独作⽤时所引起的响应的代数和，所以对电路的分析⽐较简单，⼩信号和⼤信号作⽤下的结果基本⼀致。分析线性电路时，我们采⽤戴维南定理和定理进⾏分析。戴维南定理是指任⼀线性有源单⼝⽹络，可⽤⼀个电压源串联⼀个阻抗来代替，电压源的电压等于该⽹络端⼝的开路电压，⽽等效阻抗则等于该⽹络中全部独⽴源为零值时从端⼝看进去的阻抗。由这⼀电压源和等效阻抗组成的等效电路，称为戴维南等效电路。定理是指⼀个有源线性单⼝⽹络，可⽤⼀个电流源并联⼀个等效阻抗来代替，电流源等于该⽹络端⼝的短路电流，等效阻抗等于该⽹络中全部独⽴源为零值时从端⼝看进去的阻抗。电流源和等效阻抗并联的电路，称为等效电路。

图3-4 戴维南定理图3-5 定理3.2 ⾮线性电路理论

当电路中⾄少含有⼀个⾮线性电路元件时（例如⾮线性电阻元件、⾮线性电感元件等），其运动规律就要由⾮线性微分⽅程或⾮线性算⼦来描述，我们称这样的电路为⾮线性电路。

⼀百多年以来，⼈们对电路理论的研究，取得的较多成果在于线性电路理论⽅⾯。⽽事实上⾃然界是千变万化的，绝⼤多数⾏为均是⾮线性的，电路也是如此。

与线性电路相⽐，⾮线性电路较为复杂，有其独特的地⽅。

⾸先，⾮线性电路不满⾜叠加定理，所以在线性电路中⼀系列⾏之有效的分析⽅法在⾮线性电路中就不在适⽤。

其次，⾮线性系统的解不⼀定存在。⾮线性电路的特性⼀般是由⼀组⾮线性代数⽅程来描述。对实际系统来说，它在⼀定初始条件下的解应该存在且唯⼀。但当我们去求解这组⽅

程时，⽅程可能有多个解，也有可能没有解。因此，在求解之前，应对系统的解得性质进⾏判断。若解肯本不存在，求解它就没有任何意义。

再者，对线性系统来说，⼀般存在⼀个平衡状态，我们很容易判断系统的平衡状态是否为稳定的。但⾮线性系统⼀般存在多个平衡态，其中有些平衡态是稳定的，有些平衡态可能不是稳定的。

当我们在考察⾮线性电路的性质时，定性分析法是⾮常重要的⽅法。定性分析法设计的数学⼯具有微分⽅程定性理论、稳定性理论、泛函分析中的不动点定理等。其侧重于电路解的特性、解的全局性和渐进性。除了定性分析法，近似解析法也是⽐较常见的⽅法。分析仅含有⼆端⾮线性电阻的⾮线性动态电路时，可以采⽤分段线性化⽅法，⽤较简单的分段线性函数来逼近⾮线性电阻的电压电流⾮线性关系，从⽽可以⽤解析的⽅法求出较简单的⾮线性电路的解，并能定量的考察⼀些参数变化对电路响应的影响。

分析电路时，⽆论是线性还是⾮线性电路，实验⽅法是很重要的研究⽅法。电路理论分析正确与否，应该以事实为准则。除了理论分析和物理实验外，我们还可以采⽤电路的数字仿真⽅法。3.3 线性电路的分析应⽤举例

⼀阶RC 电路是典型的线性电路，通常由⼀个电容器和⼀个电阻器组成。RC 电路可组成简单的有源滤波器，低通滤波器或者⾼通滤波器。下⾯简单介绍下有RC 有源电路组成的滤波器。

⼀阶RC 低通滤波器如图所⽰，电压传输系数为：111111o i H

U j C Au f U j RC R j j C f ωωω====+++&&& 令1/H RC ω= ，则1/2H f RC π= ，此时 图3-6 RC 低通滤波器21(/)U H A f f =+&，arctan /H f f ?=- ，处于滞后状态。

当0f = 时，1uA =& 。 当0,H f f ?=? 时，0u

A &: 上述电路的频率特性可⽤特定的渐近线—波特图来表⽰，其幅频和相频波特图如下：

图3-7 RC 低通滤波器的幅聘波特图和相频波特图

由幅频特性图可知，⽤渐近线代替实际幅频特性时最⼤误差发⽣在转折频率H f 处，在H f f = 处偏差为-3dB 。由相频特性图可知，⽤渐近线代替实际相频特性时最⼤误差发⽣在转折频率0.1H f f = 及10H f f = 处。3.4 ⾮线性电路的分析应⽤举例

理想⼆极管是我们在电⼦线路系列课程中

接触的第⼀个⾮线性理想器件，也是最为简单的

⾮线性器件。理想⼆极管是实际⼆极管的理想化

模型，具有单向导电性。在通常的电压电流参考