浅谈非线性电路理论和线性电路理论数字电路和模拟电路

数字电路研究型课题

课题：基于三极管的输入伏安特性曲线和输出伏安特性曲线，浅谈非线性电路理论和线性电路理论、数字电路和模拟电路

关键字：三极管数字电路模拟电路线性非线性

摘要：本文以三极管的特性为切入点，联系模拟电路与数字电路，浅谈了线性电路和非线性电路理论

正文：

一、三极管的组成结构：

三极管由三层半导体组成，有三个区、三个极、两个结结构图如图1

发射区发射极发射结

三个区集电区三个极集电极两个结

基区基区集电极

三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压才能起放大作用。

图1 三极管结构

二、三极管的伏安特性曲线

输入特性曲线:

I b=f(U be)½U ce=C

B是输入电极，C是输出电极，E是公共电极。

I

是输入电流，U be是输入电压，加在B、E两电极之间。

b

I

是输出电流，U ce是输出电压，从C、E两电极取出。

C

1. 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。

2. 当U ce≥1V时，U cb= U ce- U be>0，集电结已进入反偏状态，开始收集载流子，且基区复合减少，I C / I B增大，特性曲线将向右稍微移动一些。但U ce再增加时，曲线右移很不明显。通常只画一条。

图2 输入特性曲线

输出特性曲线

I C=f(U ce)½I b=C

可以分为三个区域:

饱和区:

(1) I C受U ce显著控制的区域，该区域U ce的数值较小，一般U ce＜0.7V(硅管)。发射结正偏，集电结正偏

(2) U ces=0.3V左右

截止区：——I b=0的曲线的下方的区域

I

=0 I c=I ceo

b

NPN：U be£0.5V,管子就处于截止态

通常该区：发射结反偏，集电结反偏。

图3 输出特性曲线

放大区—I C平行于U ce轴的区域，曲线基本平行等距。

(1) 发射结正偏，集电结反偏，电压U be大于0.7V左右(硅管) 。

(2) I c=bI b,即I c主要受I b的控制。

(3) b≈

饱和区:

发射结正偏，集电结正偏

截止区：

发射结反偏，集电结反偏

或：U be£0.5V（Si) U be£0.2V（Ge)

放大区:发射结正偏，集电结反偏。

表1三极管工作模式

表中同时列出了四种工作方式的主要用途。三极管在数字电路中的用途其实就是开关，利用电信号使三极管在正向活性区（或饱和区）与截止区间切换，就开关而言，对应开与关的状态，就数字电路而言则代表0与1（或1与0）两个二进位数字。若三极管一直维持偏压在正向活性区，在射极与基极间微小的电信号（可以是电压或电流）变化，会造成射极与集电极间电流相对上很大的变化，故可用作信号放大器。

截止区当U be＜0时，则I b≈0，发射区没有电子注入基区，但由于分子的

热运动，集电集仍有小量电流通过，即I c=I ceo称为穿透电流，常温时I ceo约为几微安，锗管约为几十微安至几百微安，它与集电极反向电流I cbo的关系是：I cbo=(1+β)I cbo

常温时硅管的I cbo小于1微安，锗管的I cbo约为10微安，对于锗管，温度每升高12℃，I cbo数值增加一倍，而对于硅管温度每升高8℃，I cbo数值增大一倍，虽然硅管的I cb o随温度变化更剧烈，但由于锗管的I cbo值本身比硅管大，所以锗管仍然受温度影响较严重的管，放大区，当晶体三极管发射结处于正偏而集电结

于反偏工作时，I

c 随I

b

近似作线性变化，放大区是三极管工作在放大状态的区域。

饱和区当发射结和集电结均处于正偏状态时，I c基本上不随I b而变化，失去了放大功能。根据三极管发射结和集电结偏置情况，可能判别其工作状态。

三、非线性电路

非线性电路是含有除独立电源之外的非线性元件的电路。

(一)应用：

1、模拟电子线路中，广泛应用了非线性元件的非线性特性（如三极管的放大功

能、振荡、锁相环、调谐、解调等）。分析非线性器件响应特性时,必须注明它的控制变量,控制变量不同,描述非线性器件的函数也不同. 非线性器件的描述与控制变量有关,并且可能出现负值参数。非线性器件分析不满足叠加原理。（利用自激振荡、谐波、频率捕捉等特点）

2、构成多种分力式模块（如乘法器、锁相环、存储器等）

3、具有非线性光学效应的晶体称为非线性光学晶体。利用晶体的非线性光学效

应，可以制成二次谐波发生器，上、下频率转换器，光参量振荡器等非线光学器件。激光器产生的激光可通过非线性光学器件进行频率转换，从而获得得更多有用波长的激光，使激光器得到更广泛的应用。（利用其频率转换等特点）

4在液压系统中，控制阀几乎都是非线性器件，其输入与输出之间的关系或是“凹”,或是“凸”,或是“S”型。甚至还有一些控制阀的动作极不正常,使流量控制问题变得更糟。而变频驱动(VFD)其本身是一个非线性设备,但是能节省能源。

(二)特点：

➢稳态不唯一

用刀开关断开直流电路时，由于电弧的非线性使这时的电路出现由不同起始条件决定的两个稳态——一个有电弧，因而电路中有电流；另一个电弧熄灭，因而电路中无电流。线性电路通常只有一个稳态。但有些非线性电路的稳态可以不止一个。例如，用刀开关断开某个直流电路，当开关的刀和固定触头之间的距离不够大（例如距离为d）时,刀与触头之间可以出现稳定的电弧，电路中有电流，这是电路的一个稳态；增加上述距离使电弧熄灭后,再使此距离减少到d,却见不到电弧,电路中没有电流，这是另一个稳态。电弧的非线性特性使这个电路有两个稳态。电路处于何种稳态由起始条件决定。

➢自激振荡

在有些非线性电路里，独立电源虽然是直流电源，电路的稳态电压（或电流）却可以有周期变化的分量，电路里出现了自激振荡。音频信号发生器的自激振荡电路中因有放大器这一非线性元件，可产生其波形接近正弦的周期振荡。

在含有直流独立电源的线性电路中，稳态下的电压、电流是不随时间变化的直流电压、直流电流。但在有些非线性电路里，独立电源虽然是直流电源，电路的稳态电压(或电流)却可以有周期变化的分量，电路里出现了自激振荡。例如，音频信号发生器的自激振荡电路中因有放大器这一非线性元件而成为非线性电路。这个电路可以产生其波形接近正弦的周期振荡。自激振荡可以分为两种。软激励：电路接通后就能激起振荡。硬激励：电路接通后，一般不能激起振荡，电路处于直流稳态。必须另外加一个幅度较大、作用时间很短的激励，电路里才会激起振荡。在这样的电路中便有两个稳态：一个是直流稳态，一个是含周期振荡的稳态。

➢谐波

正弦激励作用于非线性电路且电路有周期响应时，响应的波形一般为非正弦的，含有高次谐波分量或次谐波分量。例如，整流电路中的电流常会有高次谐波分量。也可以有频率低于激励频率的次谐波分量。整流电路中的电流常会有高次谐波分量。将铁心线圈和合适的电容器串联接到正弦电压源上，构成铁磁谐振电路，其中的电流可含有频率是电源频率1/3的次谐波分量，称1/3次谐波。

➢跳跃现象