Tag: 三极管

干货 三极管和场效应管到底怎么选?

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随着电子设备升级换代的速度,大家对于电子设备性能的标准也愈来愈高,在某些电子设备的电路设计与研发中,不仅是开关电源电路中,也有在携带式电子设备的电路中都是会运用到性能更好的电子元器件 —— 场效应晶体管。

因此正确挑选场效应晶体管是硬件工程师常常碰到的难点之一,也是极其重要的一个环节,场效应晶体管的挑选,有可能直接影响到一整块集成运放的速率和制造费,挑选场效应晶体管,可以从下列六大技巧下手。

挑选好场效应晶体管电子元件的第一步是取决选用N沟道或是P沟道场效应晶体管。在典型的功率使用中,当一个场效应晶体管接地,而负载接入到干线电压上时,该场效应晶体管就组成了低压侧开关。在低压侧开关中,应选用N沟道场效应晶体管,它是出自于对关闭或导通电子元件所要电压的考虑。当场效应晶体管接入到总线及负载接地时,就需要用高压侧开关。一般会在这一拓扑中选用P沟道场效应晶体管,这又是出于对电压驱动的考虑。

明确需用的额定电压,或是电子元件能够承载的最高电压。额定电压越大,电子元件的成本就越高。按照实践证明,额定电压应该高于干线电压或总线电压。这样才可以提供足够的保护,使场效应晶体管不会失灵。

就挑选场效应晶体管来讲,务必明确漏极至源极间将会承载的最高电压,即最大VDS。了解场效应晶体管能承载的最高电压会随温度而变动这点非常关键。我们须在整个操作温度范围内检测电压的变动范围。额定电压一定要有足够的余量覆盖这一变动范围,保障电路不会无效。

需要考虑的其它安全因素包含由开关电子产品(如电机或变压器)引起的电压瞬变。不同使用的额定电压也各有不同,一般来说,便携式设备为20V、FPGA电源为20~30V、85~220VAC应用为450~600V。

该额定电流应是负载在全部状态下可以承载的最高电流。与电压的情形类似,保证选定的场效应晶体管能经受这一额定电流,即便在系统造成尖峰电流时。两个考虑的电流情形是持续模式和脉冲尖峰。在持续导通模式下,场效应晶体管处在稳态,这时电流持续通过电子元件。脉冲尖峰指的是有大量电涌(或尖峰电流)流经电子元件。一旦明确了这些条件下的最高电流,只需直接挑选能承载这个最高电流的电子元件便可。

在实际情况下,场效应晶体管并不一定是理想的电子元件,归因于在导电过程中会有电能消耗,这叫做导通损耗。场效应晶体管在“导通”时好比一个可变电阻,由电子元件的RDS(ON)所确认,并随温度而明显变动。

电子元件的功率损耗可由Iload2×RDS(ON)估算,因为导通电阻随温度变动,因而功率损耗也会随着按占比变动。对场效应晶体管施加的电压VGS越高,RDS(ON)就会越小;反之RDS(ON)就会越高。注意RDS(ON)电阻会随着电流轻微升高。关于RDS(ON)电阻的各类电气叁数变动可在生产商出示的技术资料表里得知。

须考虑二种不一样的情况,即最坏情况和具体情况。提议选用针对最坏情况的计算结果,由于这一结论提供更大的安全余量,能确保系统不易失灵。在场效应晶体管的材料表上还有一些必须留意的测量数据,电子元件的结温相当于最大环境温度再加热阻与功率耗散的乘积(结温=最大环境温度+[热阻×功率耗散])。

依据这个式子可解出系统的最大功率损耗,即按定义相当于I2×RDS(ON)。我们已即将通过电子元件的最大电流,能够估算出不同溫度下的RDS(ON)。此外,也要搞好电路板以及场效应晶体管的散热。

雪崩击穿指的是半导体器件上的反向电压超出最高值,并产生强电场使电子元件内电流增加。晶片尺寸的增加会增强抗雪崩能力,最后提高电子元件的稳健性。因而挑选更大的封裝件能够有效避免雪崩。

影响开关性能的叁数有好多,但最关键的是栅极/漏极、栅极/源极及漏极/源极电容。这些电容会在电子元件中产生开关损耗,因为在每一次开关时都要对它们充电。场效应晶体管的开关速度因而被减少,电子元件效率也降低。为计算开关过程中电子元件的总耗损,要计算开通过程中的耗损(Eon)和关闭过程中的耗损(Eoff)。场效应晶体管开关的总功率可用如下方程表达:Psw=(Eon+Eoff)×开关频率。而栅极电荷(Qgd)对开关性能的影响最大。

必须了解晶体管的类型和材料,常用的有NPN和PNP两种,这两种管工作时对电压的极性要求不同,所以是这两种晶体管是不能互相替换的。三极管额材料有锗材料和硅材料,它们之前最大的差异就是其实电压不一样。

在放大电路中,假如使用同类型的锗管代替同类型的硅管,反之替换,一般都是可以的,但都要在基极偏置电压上进行必要的调整。因为他们的起始电压不一样,但是在脉冲电路和开关电路中不同材料的三极管是否能互换必须进行具体的分析,切不可盲目代换。

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三极管的发明和用途

我还是那个观点,一定要站在发明者的角度来看问题,只有这样,一切问题才都能迎刃而解。因为模电的内容就是发明—使用—发现问题—改进—再发明再使用的过程,是我们学习前人发明和使用的东西。

我们就以二极管和三极管为例,二极管是控制导线中电子的流动方向,而三极管是控制导线中流动电子的多少。这也是“电子技术”的根本。理论搞明白了实验就简单了。

下面主要是以三极管为例来说明导线中电流的控制,要想控制一根导线中的电流,首先要把这根导线断开,断开的两端我们分别叫做C端和E端(C和E实际上是输出回路),如果我们在C和E之间加个器件,这个器件能使电流从C端流进并能从E端流出来,同时这个电流又能被我们控制住,那么这个器件就成功了。

为了实现上述要求,接下来我们就在C-E之间放一个NPN(或PNP)结构的半导体,可是,现在的问题是,在这种情况下无论怎样在C和E之间加电源,C-E这根导线始终都不会有电流。我们又知道,电子流动的方向与人们定义电流的方向相反(这是因为当时人们以为电线里流过的是电流),所以,我们将中间半导体引出一个电极(B极),在B-E之间(实际上是加在发射结上,见PN结特性)加一个正向电压,这时发射区就会向基区发射电子从而形成E极流出的电流,但是,要想实现这个电流是从C端入、从E端出,则必须要把发射区发射的这些电子都收集到C极去,这样我们需要在C和E之间加正向电压,使集电结处于反向击穿状态,使电子能顺利收集到C极,这个收集电子的能力要比发射电子的能力强,它就像一个大口袋,你发射区发射多少我就收多少(这样就能理解三极管输出特性曲线了,当B极电流一定时,随着CE电压的增加,C极电流就不再增加了,因为B极电流一定时,发射区发射的电子数量就一定了,你收集的能力再强也要不到多余的电子了),这样,这个器件就成了,可以实现电流从C端到E端(因为当初我假设它们之间是被我断开的导线两端),最理想的是流进C端的电流就等于E端流出的电流,同时这个电流又被一个BE电压(或信号)控制,但是,三极管不是一个理想的器件,因为C端电流不等于E端电流,有一部分电流流过B极,我们尽量使C端电流等于E端电流,所以,这就是为什么在工艺上要使基区浓度要低而且还要薄,同时集电结的面积还要大的根本原因。

Uce电压的作用是收集电子的,它的大小不能决定Ic的大小,从三极管输出特性曲线可以看到,当Ib一定时(也就是Ube一定时),即使Uce增加,Ic就不变了,但是曲线有些上翘,其实这是半导体材料的问题。实际上,Ie是受从输入端看进去的发射结电压控制的(可以参见三极管高频小信号模型),加Uce电压的时候发射结已经处于导通了,它的影响不在发射结而在集电结,加Uce电压是为了让Ic基本等于Ie,所以说Ic受发射结电压控制,人们为了计算方便把这种控制折算成受Ib控制,就是因为说成这样,使得人们不太容易理解三极管工作的原理。

从输出回路受输入回路信号控制的角度来看,Ic不是由Ie控制的,但是,Ic其实是由Ie带来的,所以,也可以说Ic受Ie影响的,这也得受三极管制造工艺影响,如果拿两个背靠背二极管的话,怎么也不行。

尽管三极管不是一个理想器件,但是,它的发明已经是具有划时代意义了。由于它的B极还有少量电流,因为这个电流的存在意味着输入回路有耗能,如果我不耗能就能控制住你输出回路的电流,那这个便宜就大了,所以,后来人们发明了场效应管。其实,发明场效应管的思想也是与三极管一样的,就是为了用一个电压来控制导线中的电流,只是这回输入回路几乎不耗能了,同时,器件两端的电流相等了。

可控开关:C和E之间相当于一个可控开关(当然。这个开关有一定的参数要求),当B-E之间没有加电压时,C-E之间截止(C-E之间断开);而当B-E之间电压加的很大,发射区发射的电子数量就多,C极和E极的电流就很大,如果输出回路中有负载时(注意,输出回路没有负载CE之间就不会饱和),由于输出回路的电源电压绝大部分都加到负载上了,CE之间的电压就会很小,CE之间就处于饱和状态,CE之间相当于短路。在饱和情况下,尽管C极电流比基极电流大,但是,C极电流与输入回路的电流(基极电流)不成的比例关系。

从另一方面看饱和:从输出特性曲线可以看到,IB一定时VCE电压不用很大,那个输出特性曲线就弯曲变平了,这说明收集电子的电压VCE不用很大就行,其实不到1V就行,但是,实际上我们在输出回路都是加一个电压很大的电源,你再加大VCE也没有用,我们看到,IB一定时VCE增加后对IC的大小没有影响(理想情况),所以要想把发射的电子收集过去,VCE根本不用很大电压。

但是,通常情况下,我们会在输出回路加入一个负载,当负载两端电压小于电源电压时,电源电压的其它部分就加在CE两端,此时三极管处于线性放大状态。但是,负载两端电压的理论值大于电源电压时,则三极管就处于饱和状态,这种情况IC不用很大也行。

所以不要以为VCE一定很大三极管集电极才能收集到电子,可以看到收集电子的电压很小就行。对于饱和的问题来说,除了上一段文字中说到的电流很大引起饱和外,我们还可以从电压的角度来看,假设三极管b=50,电源电压为12V,基极电流为40微安,则集电极电流就是2毫安,如果集电极接一个3千欧姆电阻,则VCE=6V,而这个电阻换成30千欧姆时,VCE趋于零了,这种情况下三极管也是饱和了,所以从电压角度来看,集电极电流不一定很大,在选择合适负载电阻的情况下,三极管也可以处于饱和状态,所以,饱和与负载有关,如果电源电压很大,那饱和时VCE就这么一点点电压而言那当然是微不足道的,所以,很多地方就将它约等于零了,但是并不能说它没有电子收集能力。

信号的线性放大:这种情况下,C极电流与B极电流成线性比例关系IC=IB(BE之间电压要大于死区电压,同时,VCE不趋于零),而且,C极电流比B极电流大很多,前面已经知道,C极电流的大小受BE电压控制(人们为了分析问题方便,将这种控制关系说成是C极电流受B极电流控制)。实际上,马路上到处跑的汽车就是一个放大器,它是把驾驶员操作信号给放大了,它也是线性放大,是能量的放大,而多余的能量来自于燃烧的汽油。

模电这门课从三极管小信号模型开始的绝大多数内容都是讲小信号放大问题,共射极、共集电极、共基极的4个电路是基本,其它的是由他们组合而成的,它们的电路组成、电路交直流分析、电路性能分析是关键。

其它的就是功率放大的问题、模拟集成运算放大器内部结构设计问题、运放的应用、如何减少非线性失真和放大稳定问题(负反馈)、正弦波产生(正反馈)等等。

从使用者的角度来看,其实,模电这门课并不难,学生往往被书中提到的所谓少子、多子、飘移、扩散等次要问题所迷惑,没有抓住主要问题,有些问题是半导体材料本身存在缺陷导致的,人们为了克服这些缺陷而想出了各种解决办法,所以,模电中有许多是人们想出的技巧和主意。从三极管三个电极连接的都是金属的角度来看,金属中只有自由电子的定向流动才有电流,金属中哪有什么空穴之类的东西,如果把人们的视线停留在三极管的内部,那一定使人们不容易理解,如果你跳出来看问题,你就会理解科学家当时为什么要发明它,也会使你豁然开朗。但是,从设计者角度来看,需要考虑的问题就很多了,否则,你设计出来的器件性能就没有人家设计的好,当然也就没有市场了。如果谁能找到一种材料,而这种材料的性能比半导体特性还好,那么他一定会被全世界所敬仰。所以,学习模电的时候,一定要用工程思维来考虑问题,比如,为什么要发明它?它有什么用途?它可以解决什么问题?它有哪些不足?人们是如何改进的?等等。

三极管要工作在饱和或截止状态,此时C和E之间相当于可控开关,B极加输入信号,为了防止三极管损坏,B极要接限流电阻,余下的问题就是,所控制的负载应接在C极还是E极?它的功率有多大?驱动电压多大?电流多大?你选的三极管能否胜任?不胜任怎么办?改用什么器件?低压和高压如何隔离?等等。

(1)直流工作点问题,为什么要有直流工作点?什么原因引起工作点不稳定?采取什么措施稳定直流工作点?

以NPN管子为例,共射、共基、共集电极三个电路的直流都是一个方向。无论三极管电路的哪种接法,它们的直流电流方向都是一样的,输入(发射结)加入微弱交流小信号后,只能使这些输出回路电流发生扰动,总体上不能改变这些电流的方向,但是,这个输出回路电流中有被输入交流信号影响的扰动信号,我们要的就是这个扰动的信号(输出交流信号),这个扰动的信号比输入信号大,这就是放大,也可以说,放大其实是输出回路电流受输入信号的控制。

如果直流工作点设置合理时,那个扰动信号就与输入交流小信号成比例关系,而且又比输入信号大,我们要的就是这个效果。

(2)交流信号放大问题,共射极、共集电极、共基极电路的作用、优点和缺点是什么?如何克服电路的非线性?为什么共射–共基电路能扩展频带?为什么共集电极放大电路要放在多级放大电路的最后一级?多级放大电路的输入级有什么要求?人们在集成电路中设计电流源的目的是什么?它的作用是什么?如何克服直接耦合带来的零点漂移?为什么要设计成深负反馈?其优点和问题是什么?深负反馈自激的原因是什么?什么是电路的结构性相移?什么是电路的附加相移?什么情况下电路输出信号与输入信号之间出现附加相移?等等。

(3)集成运算放大器,为了克服半导体器件的非线性问题(不同幅度信号的放大倍数不一样),人们有意制成了高增益的集成运算放大器,外接两个电阻就构成了同相或反向比例放大电路,这时整个电路的电压放大倍数就近似与半导体特性无关了(深负反馈条件下),放大倍数只与外接的两个电阻有关,而电阻材料的温度特性比半导体材料好,同时线性特性也改善了。在计算的时候注意运用“虚短”和“虚断”就行了,模电学到这里那就太简单了,所以,如果不考虑成本时谁还会用三极管分立元件组成的放大电路,还得调直流工作点。集成运算放大器的其它应用还很多,如有源滤波器、信号产生电路等。

负反馈自激振荡是由于某个未知频率信号在反馈环路中产生了额外的180度的附加相移,负反馈电路对这个频率信号来讲就变成了正反馈,同时,对这个频率信号的环路增益又大于1,这种情况下,负反馈电路就自激了(对其它频率信号,此电路还是负反馈)。而正弦波振荡电路是人们有意引入的正反馈,可以说对无数个频率信号都是正反馈,既然这样,环路中就不用有附加相移了,但是,这样的信号太多了,所以,人们需要在反馈环路中设计一个选频电路来选择某一个频率信号,当然,对被选取的信号来讲,这个选频电路就不需要有额外相移了。