任务一前置放大电路的分析与调试.ppt

授课教师 张小燕 信息工程系 电子信息教研室,电子电路分析与实践,项目一 音频功率放大器的组装与调试,任务一 前置放大电路的分析与调试 任务二 集成运算放大器的分析与测试 任务三 负反馈放大电路的分析与调试 任务四 音频功率放大器的组装与调试,任务一 前置放大电路的分析与调试,项目一 音频功率放大器的组装与调试,1.1.1 常用电子元器件及其测试与筛选 1.1.2 放大电路的静态分析与测试 1.1.3 放大电路的动态分析与测试,任务一 前置放大电路的分析与调试,1.1.1常用电子元器件及其测试与筛选,(1) 固定电阻器,（2）各种电位器的外形,1.1.1常用电子元器件及其测试与筛选,（3）带开关的电位器,（4）各类电容器外形,（5）可变电容器外形,（6）各类电感器外形,（7）各类型二极管,（8）各类型三极管,1.1.1常用电子元器件及其测试与筛选,自然界中存在着各种物质，按导电能力的强弱可分为导体、绝缘体和半导体。,半导体就其导电能力有如下三个特点：1.热敏性 ；2.光敏性；3.掺杂性。 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅(Si)、锗(Ge)。硅和锗是4价元素，原子的最外层轨道上有4个价电子。 每个原子周围有四个相邻的原子，原子之间通过共价键紧密结合在一起。两个相邻原子共用一对电子。,一、半导体,室温下，由于热运动，少数价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在共价键中留下一个空位这个空位称为空穴。失去价电子的原子成为正离子，就好象空穴带正电荷一样。但由于纯净半导体中自由电子和空穴的数量有限，导电能力并不很强。,在纯净半导体硅或锗中掺入磷、砷等5价元素，由于这类元素的原子最外层有5个价电子，故在构成的共价键结构中，由于存在多余的价电子而产生大量自由电子，这种半导体主要靠自由电子导电，称为电子半导体或N型半导体，其中自由电子为多数载流子，热激发形成的空穴为少数载流子。,自由电子,1N型半导体,多数载流子（简称多子）,空 穴,少数载流子（简称少子）,在纯净半导体硅或锗中掺入硼、铝等3价元素，由于这类元素的原子最外层只有3个价电子，故在构成的共价键结构中，由于缺少价电子而形成大量空穴，这类掺杂后的半导体其导电作用主要靠空穴运动，称为空穴半导体或P型半导体，其中空穴为多数载流子，热激发形成的自由电子是少数载流子。,自由电子,多数载流子（简称多子）,空 穴,少数载流子（简称少子）,2P型半导体,无论是P型半导体还是N型半导体都是中性的，对外不显电性。 掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。 少数载流子是热激发而产生的，其数量的多少决定于温度。,半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动。在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动。 将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层 PN结。,1PN结的形成,二、PN结及其单向导电性,多子扩散,形成空间电荷区产生内电场,少子漂移,促使,阻止,扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结,外加正向电压（也叫正向偏置） 外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，N区电子不断扩散到P区，P区空穴不断扩散到N区，形成较大的正向电流，这时称PN结处于导通状态。,2PN结的单向导电性,外加反向电压（也叫反向偏置） 外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流，因为是少子漂移运动产生的，反向电流很小，这时称PN结处于截止状态。,一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，就构成了半导体二极管，简称二极管。 半导体二极管按其结构不同可分为点接触型和面接触型两类。点接触型二极管PN结面积很小，结电容很小，不能通过较大电流，但高频性能好，多用于高频检波及脉冲数字电路中的开关元件。面接触型二极管PN结面积较大，结电容也较大，允许通过较大电流，但工作频率较低，多用于低频整流电路中。,三、半导体二极管,（1）正向特性,外加正向电压较小时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，PN结仍处于截止状态 。 正向电压大于死区电压后，正向电流 随着正向电压增大迅速上升。通常死区电压硅管约为0.5V，锗管约为0.2V。,外加反向电压时， PN结处于截止状态，反向电流 很小。 反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。,（2）反向特性,（1）最大整流电流IOM：指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。 （2）反向击穿电压UB：指管子反向击穿时的电压值。 （3）最高反向工作电压UDRM：二极管运行时允许承受的最大反向电压（约为UB 的一半）。 （4）最大反向电流IRM：指管子未击穿时的反向电流，其值越小，则管子的单向导电性越好。 （5）最高工作频率fm：主要取决于PN结结电容的大小。,理想二极管：正向电阻为零，正向导通时为短路特性，正向压降忽略不计；反向电阻为无穷大，反向截止时为开路特性，反向漏电流忽略不计。,半导体二极管的主要参数,稳压管是一种用特殊工艺制造的半导体二极管，稳压管的稳定电压就是反向击穿电压。稳压管的稳压作用在于：电流增量很大，只引起很小的电压变化。,四、稳压管,稳压管的主要参数： （1）稳定电压UZ:反向击穿后稳定工作的电压。 （2）稳定电流IZ:工作电压等于稳定电压时的电流。 （3）动态电阻rZ:稳定工作范围内，管子两端电压的变化量与相应电流的变化量之比。即：rZ=UZ/IZ （4）额定功率PZ和最大稳定电流IZM:额定功率PZ是在稳压管允许结温下的最大功率损耗。最大稳定电流IZM是指稳压管允许通过的最大电流。它们之间的关系是： PZ=UZIZM,五、发光二极管,当发光二极管的PN结加上正向电压时，电子与空穴复合过程以光的形式放出能量。 不同材料制成的发光二极管会发出不同颜色的光。 发光二极管具有亮度高、清晰度高、电压低（1.53V）、反应快、体积小、可靠性高、寿命长等特点，是一种很有用的半导体器件，常用于信号指示、数字和字符显示。,六、光电二极管,光电二极管的又称为光敏二极管，其工作原理恰好与发光二极管相反。当光线照射到光电二极管的PN结时，能激发更多的电子，使之产生更多的电子空穴对，从而提高了少数载流子的浓度。在PN结两端加反向电压时反向电流会增加，所产生反向电流的大小与光的照度成正比，所以光电二极管正常工作时所加的电压为反向电压。为使光线能照射到PN结上，在光电二极管的管壳上设有一个小的通光窗口。 光电二极管可用于光的测量。当制成大面积光电二极管时，能将光能直接转换成电能，可当作一种电源，成为光电池。,要点回顾： 半导体有哪三个特点？ 什么是N型半导体、P型半导体，多子和少子是什么？ PN结是如何形成的？ 二极管的结构和电子符号是什么？ 如何用万用表判断二极管的阳极和阴极？ 如何用万用表判断二极管的材料（硅或锗）？ 如何用万用表判断二极管的好坏？ 硅和锗管的导通电压降分别是多少？,七、双极型三极管,半导体三极管是由两个背靠背的PN结构成的。在工作过程中，两种载流子（电子和空穴）都参与导电，故又称为双极型晶体管，简称晶体管或三极管。 两个PN结，把半导体分成三个区域。这三个区域的排列，可以是N-P-N，也可以是P-N-P。因此，三极管有两种类型：NPN型和PNP型。,NPN型,PNP型,箭头方向表示发射结加正向电压时的电流方向,电流分配和电流放大作用,（1）产生放大作用的条件 内部：a）发射区杂质浓度基区集电区 b）基区很薄 外部：发射结正偏，集电结反偏,（2）三极管内部载流子的传输过程： 发射区向基区注入电子，形成发射极电流 iE 电子在基区中的扩散与复合，形成基极电流 iB 集电区收集扩散过来的电子，形成集电极电流 iC （3）电流分配关系： iE = iC + iB,U(I)不同书写体电压（电流）符号的规定,大写U(I)大写下标，表示直流电压（电流）值，UBE 小写u(i)小写下标，表示交流电压（电流）的瞬时值，ube 小写u(i)大写下标，表示含有直流电压（电流）的瞬时值，uBE 大写U(I)小写下标，表示交流电压（电流）有效值，Ube 大写U(I)小写m下标，表示交流电压（电流）的最大值，Icm,实验表明：IC比IB大数十至数百倍，因而有iE = iC iB 。IB虽然很小，但对IC有控制作用，IC随IB的改变而变，即基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化，表明基极电流对集电极电流具有小量控制大量的作用，这就是三极管的电流放大作用。,1输入特性曲线,与二极管类似,2输出特性曲线,（1）放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置,（2）截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置,（3）饱和区：发射结正向偏置，集电结正向偏置,此时,三极管的主要参数,1、电流放大系数：iC= iB 2、极间反向电流iCBO、iCEO：iCEO=（1+ ）iCBO 3、极限参数 （1）集电极最大允许电流 ICM：下降到额定值的2/3时所允许的最大集电极电流。 （2）反向击穿电压U（BR）CEO：基极开路时，集电极、发射极间的最大允许电压。 （3）集电极最大允许功耗PCM ： PCM = IC UCE,集-基极反向截止电流ICBO,ICBO是集电结反偏时，由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响较大。,B,E,C,N,N,P,ICEO= IBE+ICBO =（ 1+ ）ICBO,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,穿透电流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。,返回,例：UCE=6V的前提下：IB = 40 A, IC=1.5 mA， IB = 60 A时IC =2.3mA，则,因为直流电流放大倍数与交流电流放大倍数非常接近，一般作近似处理： =,关于PNP型晶体管,PNP管与NPN管之间的差别： (1)电压极性不同。 (2)电流方向不同。,例：有两个晶体管分别接在放大电路中,测得它们的管脚电位如下表所示:试判断管子类型。,解：因为三极管处于放大状态，所以,要点回顾： 三极管的类型和电气符号？ 三极管的两结和三区分别是什么？ 三极管工作在放大区、截止区和饱和区的条件和特点？ 如何用万用表判断三极管的b、c、e极及类型？ 如何用万用表判断三极管的好坏？,1.1.2放大电路的静态分析与测试,放大的实质：用较小的信号去控制较大的信号。 常用的放大电路有共发射极放大电路和共集电极放大电路,一、放大电路的组成,（1）晶体管V。放大元件，用基极电流iB控制集电极电流iC。 （2）电源UCC和UBB。使晶体管的发射结正偏，集电结反偏，晶体管处在放大状态，同时也是放大电路的能量来源，提供电流iB和iC。UCC一般在几伏到十几伏之间。 （3）偏置电阻RB。用来调节基极偏置电流IB，使晶体管有一个合适的工作点，一般为几十千欧到几百千欧。 （4）集电极负载电阻RC。将集电极电流iC的变化转换为电压的变化，以获得电压放大，一般为几千欧。 （5）电容Cl、C2。用来传递交流信号，起到耦合的作用。同时，又使放大电路和信号源及负载间直流相隔离，起隔直作用。为了减小传递信号的电压损失，Cl、C2应选得足够大，一般为几微法至几十微法，通常采用电解电容器。,二、静态分析,静态：是指无交流信号输入时，电路中的电流、电压都不变的状态，静态时三极管各极电流和电压值称为静态工作点Q（主要指IBQ、ICQ和UCEQ）。静态分析主要是确定放大电路中的静态值IBQ、ICQ和UCEQ。,共发射极放大电路的实用电路,画出直流通路 计算静态值IBQ、ICQ和UCEQ。,静态分析步骤,直流通路：耦合电容可视为开路。,例：图示电路，已知UCC=12V，RB1=20k，RB2=10k，RC=3k，RE=2k，RL=3k，=50。试估算静态工作点。,解：,三、静态测试,按直流通路接线 测量UB、UE和UC,并计算出静态工作点,静态测试步骤,要点回顾： 放大电路的组成？ 什么是放大电路的静态分析、静态工作点？ 静态分析的步骤是什么？,动态:是指有交流信号输入时，电路中的电流、电压随输入信号作相应变化的状态。由于动态时放大电路是在直流电源UCC和交流输入信号ui共同作用下工作，电路中的电压uCE、电流iB和iC均包含两个分量。,交流通路:（ui单独作用下的电路）。由于电容C1、C2足够大，容抗近似为零（相当于短路），直流电源UCC去掉（短接）。,1.1.3 放大电路的动态分析与测试,把非线性元件晶体管所组成的放大电路等效成一个线性电路，就是放大电路的微变等效电路，然后用线性电路的分析方法来分析，这种方法称为微变等效电路分析法。等效的条件是晶体管在小信号（微变量）情况下工作。这样就能在静态工作点附近的小范围内，用直线段近似地代替晶体管的特性曲线。,（1）基本思路,（2）晶体管微变等效电路,输入特性曲线在Q点附近的微小范围内可以认为是线性的。当uBE有一微小变化UBE时，基极电流变化IB，两者的比值称为三极管的动态输入电阻，用rbe表示，即：,一、微变等效电路法,集电极和发射极之间可等效为一个受ib控制的电流源，即：,（3）放大电路微变等效电路,电压放大倍数,式中RL=RC/RL。当RL=（开路）时,（）放大电路的性能指标,输入电阻,输入电阻Ri的大小决定了放大电路从信号源吸取电流（输入电流）的大小。为了减轻信号源的负担，总希望Ri越大越好。另外，较大的输入电阻Ri，也可以降低信号源内阻Rs的影响，使放大电路获得较高的输入电压。在上式中由于RB比rbe大得多，Ri近似等于rbe，在几百欧到几千欧，一般认为是较低的，并不理想。,Ri,输出电阻,对于负载而言，放大器的输出电阻Ro越小，负载电阻RL的变化对输出电压的影响就越小，表明放大器带负载能力越强，因此总希望Ro越小越好。上式中Ro在几千欧到几十千欧，一般认为是较大的，也不理想。,1、静态工作点的作用,放大器在工作时，需要有一个合适的静态工作点，它不仅关系到波形失真，而且对电压增益也有重大