三极管电流特性曲线线电流值问题

晶体管(三极管)中的基极电流究竟做了什么? - 知乎528被浏览<strong class="NumberBoard-itemValue" title="3分享邀请回答29747 条评论分享收藏感谢收起6220 条评论分享收藏感谢收起单片机、电路板
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三极管的特性曲线
三极管的特性曲线
&&&三极管外部各极电压和电流的关系曲线,称为三极管的特性曲线,又称伏安特性曲线。它不仅能反映三极管的质量与特性,还能用来定量地估算出三极管的某些参数,是分析和设计三极管电路的重要依据。&&&&对于三极管的不同连接方式,有着不同的特性曲线。应用最广泛的是共发射极电路,其基本测试电路如图Z0118所示,共发射极特性曲线可以用描点法
&&&三极管外部各极电压和电流的关系曲线,称为三极管的特性曲线,又称伏安特性曲线。它不仅能反映三极管的质量与特性,还能用来定量地估算出三极管的某些参数,是分析和设计三极管电路的重要依据。&&&&对于三极管的不同连接方式,有着不同的特性曲线。应用最广泛的是共发射极电路,其基本测试电路如图Z0118所示,共发射极特性曲线可以用描点法绘出,也可以由晶体管特性图示仪直接显示出来。
&&&一、输入特性曲线&&&&在三极管共射极连接的情况下,当集电极与发射极之间的电压UBE 维持不同的定值时,UBE和IB之间的一簇关系曲线,称为共射极输入特性曲线,如图Z0119所示。输入特性曲线的数学表达式为:&&&&&&&IB=f(UBE)| UBE = 常数 &&&   GS0120 由图Z0119 可以看出这簇曲线,有下面几个特点:&&&&(1)UBE = 0的一条曲线与二极管的正向特性相似。这是因为UCE = 0时,集电极与发射极短路,相当于两个二极管并联,这样IB与UCE 的关系就成了两个并联二极管的伏安特性。 &&&&(2)UCE由零开始逐渐增大时输入特性曲线右移,而且当UCE的数值增至较大时(如UCE>1V),各曲线几乎重合。这是因为UCE由零逐渐增大时,使集电结宽度逐渐增大,基区宽度相应地减小,使存贮于基区的注入载流子的数量减小,复合减小,因而IB减小。如保持IB为定值,就必须加大UBE ,故使曲线右移。当UCE 较大时(如UCE >1V),集电结所加反向电压,已足能把注入基区的非平衡载流子绝大部分都拉向集电极去,以致UCE再增加,IB 也不再明显地减小,这样,就形成了各曲线几乎重合的现象。&&&&(3)和二极管一样,三极管也有一个门限电压Vγ,通常硅管约为0.5~0.6V,锗管约为0.1~0.2V。&&&&二、输出特性曲线输出特性曲线如图Z0120所示。测试电路如图Z0117。输出特性曲线的数学表达式为:&&&&由图还可以看出,输出特性曲线可分为三个区域:&&&&(1)截止区:指IB=0的那条特性曲线以下的区域。在此区域里,三极管的发射结和集电结都处于反向偏置状态,三极管失去了放大作用,集电极只有微小的穿透电流IcEO。&&&&(2)饱和区:指绿色区域。在此区域内,对应不同IB值的输出特性曲线簇几乎重合在一起。也就是说,UCE较小时,Ic虽然增加,但Ic增加不大,即IB失去了对Ic的控制能力。这种情况,称为三极管的饱和。饱和时,三极管的发射给和集电结都处于正向偏置状态。三极管集电极与发射极间的电压称为集一射饱和压降,用UCES表示。UCES很小,通常中小功率硅管UCES<0.5V;三极管基极与发射极之间的电压称为基一射饱和压降,以UCES表示,硅管的UCES在0.8V左右。&&&&OA线称为临界饱和线(绿色区域右边缘线),在此曲线上的每一点应有|UCE| = |UBE|。它是各特性曲线急剧拐弯点的连线。在临界饱和状态下的三极管,其集电极电流称为临界集电极电流,以Ics表示;其基极电流称为临界基极电流,以IBS表示。这时Ics与IBS 的关系仍然成立。&&&&(3)放大区:在截止区以上,介于饱和区与击穿区之间的区域为放大区。在此区域内,特性曲线近似于一簇平行等距的水平线,Ic的变化量与IB的变量基本保持线性关系,即ΔIc=βΔIB,且ΔIc &&ΔIB ,就是说在此区域内,三极管具有电流放大作用。此外集电极电压对集电极电流的控制作用也很弱,当UCE>1 V后,即使再增加UCE,Ic 几乎不再增加,此时,若IB 不变,则三极管可以看成是一个恒流源。&&&&在放大区,三极管的发射结处于正向偏置,集电结处于反向偏置状态。
&&&三极管外部各极电压和电流的关系曲线,称为三极管的特性曲线,又称伏安特性曲线。它不仅能反映三极管的质量与特性,还能用来定量地估算出三极管的某些参数,是分析和设计三极管电路的重要依据。&&&&对于三极管的不同连接方式,有着不同的特性曲线。应用最广泛的是共发射极电路,其基本测试电路如图Z0118所示,共发射极特性曲线可以用描点法绘出,也可以由晶体管特性图示仪直接显示出来。
&&&一、输入特性曲线&&&&在三极管共射极连接的情况下,当集电极与发射极之间的电压UBE 维持不同的定值时,UBE和IB之间的一簇关系曲线,称为共射极输入特性曲线,如图Z0119所示。输入特性曲线的数学表达式为:&&&&&&&IB=f(UBE)| UBE = 常数 &&&   GS0120 由图Z0119 可以看出这簇曲线,有下面几个特点:&&&&(1)UBE = 0的一条曲线与二极管的正向特性相似。这是因为UCE = 0时,集电极与发射极短路,相当于两个二极管并联,这样IB与UCE 的关系就成了两个并联二极管的伏安特性。 &&&&(2)UCE由零开始逐渐增大时输入特性曲线右移,而且当UCE的数值增至较大时(如UCE>1V),各曲线几乎重合。这是因为UCE由零逐渐增大时,使集电结宽度逐渐增大,基区宽度相应地减小,使存贮于基区的注入载流子的数量减小,复合减小,因而IB减小。如保持IB为定值,就必须加大UBE ,故使曲线右移。当UCE 较大时(如UCE >1V),集电结所加反向电压,已足能把注入基区的非平衡载流子绝大部分都拉向集电极去,以致UCE再增加,IB 也不再明显地减小,这样,就形成了各曲线几乎重合的现象。&&&&(3)和二极管一样,三极管也有一个门限电压Vγ,通常硅管约为0.5~0.6V,锗管约为0.1~0.2V。&&&&二、输出特性曲线输出特性曲线如图Z0120所示。测试电路如图Z0117。输出特性曲线的数学表达式为:&&&&由图还可以看出,输出特性曲线可分为三个区域:&&&&(1)截止区:指IB=0的那条特性曲线以下的区域。在此区域里,三极管的发射结和集电结都处于反向偏置状态,三极管失去了放大作用,集电极只有微小的穿透电流IcEO。&&&&(2)饱和区:指绿色区域。在此区域内,对应不同IB值的输出特性曲线簇几乎重合在一起。也就是说,UCE较小时,Ic虽然增加,但Ic增加不大,即IB失去了对Ic的控制能力。这种情况,称为三极管的饱和。饱和时,三极管的发射给和集电结都处于正向偏置状态。三极管集电极与发射极间的电压称为集一射饱和压降,用UCES表示。UCES很小,通常中小功率硅管UCES<0.5V;三极管基极与发射极之间的电压称为基一射饱和压降,以UCES表示,硅管的UCES在0.8V左右。&&&&OA线称为临界饱和线(绿色区域右边缘线),在此曲线上的每一点应有|UCE| = |UBE|。它是各特性曲线急剧拐弯点的连线。在临界饱和状态下的三极管,其集电极电流称为临界集电极电流,以Ics表示;其基极电流称为临界基极电流,以IBS表示。这时Ics与IBS 的关系仍然成立。&&&&(3)放大区:在截止区以上,介于饱和区与击穿区之间的区域为放大区。在此区域内,特性曲线近似于一簇平行等距的水平线,Ic的变化量与IB的变量基本保持线性关系,即ΔIc=βΔIB,且ΔIc &&ΔIB ,就是说在此区域内,三极管具有电流放大作用。此外集电极电压对集电极电流的控制作用也很弱,当UCE>1 V后,即使再增加UCE,Ic 几乎不再增加,此时,若IB 不变,则三极管可以看成是一个恒流源。&&&&在放大区,三极管的发射结处于正向偏置,集电结处于反向偏置状态。
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浅析三极管输出特性曲线
&记得当年学模电,感觉整个模拟电路都在和这个图做斗争,其实很多时候我们并不是不理解,只是说服不了自己去相信这些事实,这篇文章我将分享一些我自己的理解方法,可能并不是很准确,但希望能帮助大家理解。
&&#65279;三极管输出特性曲线
在讲输出特性曲线之前,我首先要写很多废话来讲清楚三极管到底是怎么工作的。
1、发射区向基区发射电子
&电源Ub经过电阻Rb加在发射结上,发射结正偏,发射区的多数载流子(自由电子)不断地越过发射结进入基区,形成发射极电流Ie。同时基区多数载流子也向发射区扩散,但由于多数载流子浓度远低于发射区载流子浓度,可以不考虑这个电流,因此可以认为发射结主要是电子流。
2、基区中电子的扩散与复合
电子进入基区后,先在靠近发射结的附近密集,渐渐形成电子浓度差,在浓度差的作用下,促使电子流在基区中向集电结扩散,被集电结电场拉入集电区形成集电极电流Ic。也有很小一部分电子(因为基区很薄)与基区的空穴复合,扩散的电子流与复合电子流之比例决定了三极管的放大能力。
3、集电区收集电子
由于集电结外加反向电压很大,这个反向电压产生的电场力将阻止集电区电子向基区扩散,同时将扩散到集电结附近的电子拉入集电区从而形成集电极主电流Icn。另外集电区的少数载流子(空穴)也会产生漂移运动,流向基区形成反向饱和电流,用Icbo来表示,其数值很小,但对温度却异常敏感。
&以上是书本上的解释,我相信初学者很少有能看懂这些正确的废话的,但是当你看完这篇文章再回头读读这些话,你就会感叹,教科书里面的话真的是很精辟,没有一句废话。
&废话不多说,要搞明白三极管,首先要搞明白二极管(这里所讲的是晶体二极管,电子二极管比这个好理解)。而要弄懂二极管,自然不可回避PN结——在一块完整的硅片上,用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体,另一边形成P型半导体,我们称两种半导体的交界面附近的区域为PN结。其实通过这个定义,你依然不能解释很多问题,这里涉及到载流子的问题,在P区载流子主要是空穴,而N区主要载流子是电子,如果将P型半导体和N型半导体贴在一起,自然会因为浓度差形成载流子扩散(就像高中化学和生物里分子扩散一样)。由于载流子的扩散,在两种半导体交界处形成了空间电荷区(也称为耗尽区,个人认为空间电荷区更形象,就是一堆不能移动的电荷),由于这些电荷的存在,形成了内电场,这个内电场会阻止进一步扩散,整个过程如下图所示。
&#65279;二极管原理图
&如果我们在PN结外部加上一个与内电场反方向的电压,只要电压大于内电场,便可以克服内电场阻力,P型半导体和N型半导体内的多数载流子可以继续正常流动;相反,如果加上和内电场相同的方向的电压,则这种阻力会进一步增强,但是如果电场过大,内部晶格会发生变化(齐纳击穿),最终导致三极管被击穿。
以下是关于雪崩击穿个人的猜想(实在不知道该怎么查证,如果有知道,希望不吝赐教):PN结反向击穿有三种形式——雪崩击穿、齐纳击穿和热击穿。齐纳击穿和热击穿
从面上很好理解,而雪崩击穿的解释中,有一句话是不合常理——因为耗尽区的电场方向和外加电场方向一致,导致电场很大,电子在电场中被加速到一定的速度之后撞击晶格形成电子-空穴对,被撞击出来的电子又被加速撞击其他的晶格......注意这里他说电子在电场中被加速到一定速度,电子是哪儿来的?(其实我一直不能理解这个问题,直到前几天看到一篇文章,给了我一些启发)。我们知道P型半导体里面的多数载流子是空穴,注意是多数载流子,也就是在P型半导体内还有少数载流子——电子,同样在N型半导体内也有少数载流子——空穴,虽然多数载流子的运动的被限制了,但少数载流子的运动却得到了加强(注意这句话)。所以我猜测这个电子便是少数载流子,当然这只是我的猜测,但是这却和三极管的原理有着莫大的关系。
&弄懂了二极管,我们就可以开始解释三极管的工作原理了,我相信很多人和我一样对三极管都是一知半解的,其实这没什么,作为工科的学生,弄清楚原理不是我们的目的,即使一知半解对我们来说也是绰绰有余了,但是我觉得理解这些深层次的原理本身是一件很有趣的事。
&正如我上面所提到的,二极管中的少数载流子的运动得到了加强,注意最关键的一步——如果我们在反向偏置的PN的P区注入电子。这个时候电子可以轻而易举地通过耗尽区,甚至可以说是被拉到了N区,这其实就是三极管的原理!!!讲到这里可能有些人已经恍然大悟了,但大多数人肯定依然一头雾水,不要急,再多读两分钟就能明白了。
&仔细观察下面这张图片,这张图片是三极管的原理图,但仔细想想其实就是我们上面所提到的那种情况——基区和集电区构成的PN结反偏,基区和发射区(掺杂了很多电子)构成的PN结正偏,电子被不断注入基区(即反向偏置的PN结的P区)。
&#65279;三极管原理图
&到这里有人可能会问出一个很“致命”的问题——三极管到底怎么放大的?要说清这个问题其实很不容易,如果我们够单纯的话,从图中很容易看出Ic+Ib=Ie(事实也的确如此),这个问题的关键在于为什么集电极电流和基区电流成固定比例关系(即这个β到底是啥)。我可以告诉大家一个简单的理解方法(虽然不准确)——大家知道基区其实是P型半导体,尽管他很薄,但不可否认他的里面还是有很多的空穴,当电子路过基区想去集电区串门时,基区的空穴就会在半路上拦截一部分的电子,但是毕竟寡不敌众,大多数的电子还是流向了集电区,其实这种拦截能力正是β的体现,拦截下来的电子就是基极电流,没拦住的则是集电极电流。这种拦截能力是三极管固有的能力,因此β值也基本上不会改变。
&终于把三极管的原理讲完了,接下来就是这篇文章的重点(虽说是重点,但其实没什么可讲的,该讲的都已经说完了,剩下的靠自己悟了)——三极管的输出特性曲线。讲之前,让我们再次膜拜一下这个图吧:
&#65279;三极管输出特性曲线
&为了更好的解释着个问题,我做了一个简单的仿真(Multisim),电路很简单,可能有些地方并不满足实际需要,仅用于说明问题,电路如下(这里的R3用于调节偏置):
&#65279;Multisim仿真电路图
一、截止区
&这是最不需要废话的一个区,不管你是怎么理解三极管的,这个区你总能理解对了,这里我说一下自己的理解(沿用上面关于三极管的解释)——当基极电压过小,以至于不能导通基极和发射极所构成的PN结,这个时候,不管你Uce有多大,都不会产生集电极电流,此时三极管处于截止区。
仿真:此时R3=100Ω;很显然三极管是截止的,此时仿真结果如下(不解释了,大家一看就懂):
&#65279;截止区Uce电压
&#65279;截止区输出波形
二、饱和区
很多人都觉得饱和区不好理解,其实也很简单,先解释下原理——当Ube过大,Ic也很大,这样就导致集电极反向偏置电压很小,于是PN结不再具备能将电子从基区拉到集电极的能力了,此时PN有可能出现正偏现象,即整个PN结就像是一跟导线一样,这种情况下,如果提高Vc的大小,Ic也会随着提高。
仿真:此时R3=47KΩ;很显然三极管是饱和的,此时仿真结果如下:
&大家之所以觉得不好理解,可能是因为饱和两个字的误解,大家要清楚名字是人起的,性质确实天生的。就好像人一样,名字有时候能反映一个人的一些特点(潜移默化的会影响),但看一个人的本性看名字是远远不够的。
&#65279;饱和区Uce电压
&#65279;饱和区输出波形
三、放大区
& 之所以放在最后说,因为我在上面已经解释清楚了,不需要再解释他的原理了。
看仿真,此时R3=4.7
KΩ,结果如下(波形失真了,但不影响分析问题):
&#65279;放大区Uce电压
&#65279;放大区输出波形
&后面的部分写得很少,不是我不愿意写,其实是因为我觉得这些解释和仿真结果足以帮助我们去设计和分析电路了,如果以后有时间,我会写一篇利用三极管设计的电路的分析,其实三极管很复杂,但是我们也不要往复杂了想。以上所讲,并非专业解释,可能有很多原理上纰漏,只是个人的一些想法和感悟,写出来一是分享,也是为了复习下这方面的知识。
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三极管特性曲线
&& 三级管的特性曲线
&& 三极管外部各级电压和电流的关系曲线称为三极管的伏安特性曲线。它不仅能反映三极管的质量与特性,还能用来定量地估算出三级管的部分参数,对分析和设计三极管电路至关重要。
&对于三极管的不同连接方式,有着不同的特性曲线。应用最广泛的是共发射极电路,它的特性曲线测试电路如图4-36所示,它的特性曲线可以由晶体管特性图示仪直接显示出来,也可以描点法绘制出来。
(1)输入特性曲线
在三极管共发射极电路中,当基极与发射极之间的电压Ube维持不同的定值时,Ube和Ib之间的关系曲线称为共发射极输入特性曲线,如图4-37所示。该特性曲线有以下两个特点。
&& 一是调节电位器RP使三极管VT的基极有一个开启电压Ube,在开启期间,虽然Ube已大于零,但Ib几乎为零,只有当Ube的值大于开启值后,Ib的值与二极管一样才随Ube的增加按指数规律增大。硅三极管的开启电压值约为0.5v,发射结导通电压Uon为0.6~0.7V;锗三极管的开启电压值约为0.2V,发射结导通电压为0.2~0.3V。
&& 二是三条曲线分别为Uce=0v、Uce=0.5v和Uce=1V三种情况。当Uce=0V时,相当于集电极和发射极短路,即集电结合发射结并联,
输入特性曲线和二极管的正向特性曲线相类似。当Uce=1V时,基电结已处在反向偏置状态,三极管工作在放大区,集电极收集基区扩散过来的电子,使在相同Ube值的情况下,流向基极的电流Ib减小,输入特性随着Uce的增大而右移。当Uce&1v后,集电极已将发射区发射过来的电子几乎全部收集走,对基区电子与空穴的复合影响不大,Ib的变化也不明显。
&(2) 输出特性曲线
& 输出特性曲线如图4-38所示。由图4-38可以看出,输出特性曲线可分为戒指、放大、饱和三个区域。
& 1) 截止区。指Ib=0uA的那条特性曲线以下的区域。在此区域里,三极管的发射结合集电结都处于反向偏置状态,三极管不工作,集电极只有微小的穿透电流Iceo.
& 2) 饱和区。在此区域内,对应不同Ib值的输出特性曲线几乎重合在一起。也就是说,Uce较小时,Ic虽然增加,但增加不大,即Ib失去了对Ic的控制能力。这种情况称为三极管饱和。饱和时,三极管的发射极和集电结都处于正向偏置状态。三极管集电极与发射极间的电压称为集—饱和压降,用Uces表示。Uces很小,中小功率硅管的Uces&0.5v;三极管基极与发射极之间的电压称为基—饱和压降,以Ubes表示,硅管的Ubes在0.8左右。在临界饱和状态下的
三极管,其集电极电流称为临界集电极电流,以Ics表示;其基极电流称为临界基极电流,以Ibs表示。这时Ics与Ibs的关系依然成立。
&&&3)放大区。在截止区以上,介于饱和区与截止区之间的区域为放大区。在此区域内,特性曲线近似于一簇平行等距的水平行,IC的变化量与Ib的变化量基本保持线性关系,就是说在此区域内,三极管具有电流放大作用。在放大区,集电极电压对集电极电流的控制作用也很弱,当Uce&1v后,即使再增加Uce,Ic几乎也不再增加,此时若Ib不变,则三极管可以看出是一个恒流源。
& &在放大区三极管的发射结处于正向偏置状态,集电结处于反向偏置状态。
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* 交流放大系数:
(以上系数在讨论小信号的变化量时使用) 当
基本不变(或在IE的一个相当大的范围内)时,有: * 2、极间反向电流:
ICEO = (1+β) ? ICBO 其中:
指发射极开路时,集电极与基极间的反向饱和电流;ICEO
又叫ICEO(pt),指基极开路时,集电极与发射极间的穿透电流。 * 3、特征频率fT
fT是反映晶体管中两个PN结电容的影响的参数
当输入信号的频率增高到一定值后,结电容将起到明显的作用,使β下降,因此,
fT是指使β下降到1时输入信号的频率。 * B E C N N P ICBO ICEO= ? IBE+ICBO
IBE ? IBE ICBO进入N区,形成IBE。 根据放大关系,由于IBE的存在,必有电流?IBE。 集电结反偏有ICBO 集-射极反向截止电流ICEO ICEO受温度影响很大,当温度上升时,ICEO增加很快,所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。 * 4、极限参数 (1)集电极最大允许电流ICM:
在Ic的一个很大范围内,β值基本不变,但当Ic超过一定数值后,β值将明显下降,此值就是ICM。 (2)集电极反向击穿电压U(BR)EBO、U(BR)CBO、U(BR)CEO
U(BR)EBO:集电极开路时,射一基极间的反向击穿电压,这是发射结允许的最高反向电压,一般为1V~几伏。
U(BR)CBO:发射极开路时,集-基极间的反向击穿电压,即集电结所允许的最高反向电压,一般为几十~几千伏。
U(BR)CEO:基极开路时,集-射极间的反向击穿电压。
一般地:U(BR)CBO&U(BR)CEO (3)集电极最大允许功率损耗PCM:PCM = Ic·UCE
PCM决定于管子允许的温升,管子在使用时的功耗不能超过PCM,而且要注意散热,Si管为150℃,Ge管为70℃即为上限温度。 *
集电极最大允许功耗PCM
集电极电流IC
流过三极管,
所发出的焦耳
热为: PC =ICUCE
必定导致结温
上升,所以PC
有限制。 PC?PCM IC UCE ICUCE=PCM ICM U(BR)CEO 安全工作区 * 六、晶体三极管的应用
作为三端器件的晶体三极管是伏安特性为非线性的有源器件,工作在放大区时具有正向受控作用,等效为一个受控电流源,而工作在饱和区和截止区时具有可控开关特性。这种非线性和可控性(正向受控和可控开关)是实现众多功能电路的基础,或者说,众多的应用电路都是以三极管为核心,配以合适的管外电路组成的。
利用三极管组成的电路可以有:
放大电路、电流源、跨导线性电路、有源电阻、可控开关等。 * 例: ?=50, USC =12V,
RB =70k?, RC =6k?
当USB = -2V,2V,5V时, 晶体管的静态工作点Q位 于哪个区? 当USB =-2V时: IC UCE IB USC RB USB C B E RC UBE IB=0 , IC=0 IC最大饱和电流: Q位于截止区
* 例: ?=50, USC =12V,
RB =70k?, RC =6k?
当USB = -2V,2V,5V时, 晶体管的静态工作点Q位 于哪个区? IC& ICmax (=2mA) , Q位于放大区。 IC UCE IB USC RB USB C B E RC UBE USB =2V时: * USB =5V时: 例: ?=50, USC =12V,
RB =70k?, RC =6k?
当USB = -2V,2V,5V时, 晶体管的静态工作点Q位 于哪个区? IC UCE IB USC RB USB C B E RC UBE Q 位于饱和区,此时IC 和IB 已不是 ? 倍的关系。 * 七、三极管的等效电路模型
我们将在放大电路分析中再讲,以免重复。 * §1-5-3 晶体三极管的伏安特性曲线
晶体管的伏安特性曲线是描述三极管的各端电流与两个PN结外加电压之间的关系的一种形式,其特点是能直观,全面地反映晶体管的电气性能的外部特性。
晶体管的特性曲线一般用实验方法描绘或专用仪器(如晶体管图示仪)测量得到。
晶体三极管为三端器件,在电路中要构成四端网络,它的每对端子均有两个变量(端口电压和电流),因此要在平面坐标上表示晶体三极管的伏安特性,就必须采用两组曲线簇,我们最常采用的是输入特性曲线簇和输出特性曲线簇。 *
输入特性是指三极管输入回路中,加在基极和发射极的电压UBE与由它所产生的基极电流IB之间的关系。 (1)UCE =
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