汽车电工与电子技术基础 第2版 教学课件 ppt 作者 冯渊主编 6常用半导体器件及应用

第六章 常用半导体器件及应用 6.1 半导体简介 6.2 三极管基本应用电路 6.3 集成运放及其应用 6.4 直流稳压电源 本章要点 1.半导体的基本知识。 2.常用半导体器件特性及其在汽车中的应 用 。 3.三极管基本应用电路。 4.稳压电路的组成以及汽车整流、调压电 路。 第六章 常用半导体器件及应用 根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分 导体、绝缘体和半导体。 导 体：109cm 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间。 6.1 半导体简介 典型的元素半导体有硅Si和锗Ge 及化合物半导 体砷化镓GaAs等。 自由电子和空穴 Si Si Si Si 自由电子 空穴 半导体的材料 半导体的载流子 P型半导体 N型半导体 在杂质半导体中，因为掺杂，载流子的数 量比纯净半导体有相当程度的增加，尽管杂质 的含量很小，但对半导体的导电能力影响却很 大，使之成为提高半导体导电性能最有效的方 法。 杂质半导体 两种半导体 一、半导体的基本特性 杂敏特性 热敏特性 光敏特性 二、PN结及其单向导电性 多子的扩散运动 少子的漂移运动 P P 型半导体型半导体N N 型半导体型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 形成空间电荷区PN结 PN结 PN结的单向导电性 PN结加正向电压（正偏）时导通；加反向 电压（反偏）时截止的特性，称为PN结的单向导 电性。 PN结 PN结 三、半导体二极管 1.二极管的结构、材料 结构 材料 硅、锗 图形符号 2.二极管的伏安特性 正向特性 死区电压： 硅管0.5V左右； 锗管0.1V左右。 导通电压： 硅管为0.60.7V 左右；锗管为 0.20.3V左右。 死区电压 导通电压 反向电流： 在一定温度 下，当反向电 压达到一定值 后，反向电流 饱和，基本保 持不变。 反向电流容 易受温度的影 响。 -IS 锗管硅管 反向特性 反向击穿：当 反向电压达到一 定数值时，反向 电流急剧增加的 现象称为反向击 穿（电击穿）。 若不加限流措施 ，PN结将过热而 损坏，此称为热 击穿。电击穿是 可逆的，而热击 穿是不可逆的， 应该避免。 击穿 反向击穿特性 第一部分第二部分第三部分 第四部分第五部分 用数字表示器 件电电极数目 用汉语汉语 拼音表示器件 的材料和极性 用汉语汉语 拼音表示器件的类类型 符 号 意义义 符 号 意义义 符 号 意义义 符 号 意义义 2 3 二极管 三极管 A N型，锗锗材料 P普通管D低频频大功率管用数字表示 器件序号 用汉语汉语 拼音 表示规规格号 B P型，锗锗材料 V微波管A高频频大功率管 C N型，硅材料 W稳压稳压 管T半导导体闸闸流管 D P型，硅材料 C参量管Y体效应应器件 A PNP型，锗锗材料 Z整流管B雪崩管 B NPN型，锗锗材料 L整流堆J阶跃阶跃 恢复管 CPNP型，硅材料S隧道管CS场场效应应器件 DNPN型，硅材料N阻尼管BT半导导体特殊器件 E化合物材料U光电电器件FH复合管 K开关管PINPIN型管 X低频频小功 率管 JG激光管 G高频频小功 率管 3.二极管的使用常识 型号 主要参数 (1) 最大整流电流IF (2) 反向击穿电压UBR和 最大反向工作电压UR (3) 反向电流IR (4) 正向压降UF (5) 最高工作频率fM 管脚和质量判别 二极管 黑表笔 红表 笔 现象结论 阳极A 指针偏转 角度大 二极 管正 常 阴极K 阳极A 指针偏转 角度小 阴极K 二极管 黑表笔 红表 笔 现象结论 阳极A 指针偏转 角度大 二极 管短 路 阴极K 阳极A 指针偏转 角度大 阴极K 二极管 黑表笔 红表 笔 现象结论 阳极A 指针偏转 角度小 二极 管断 路 阴极K 阳极A 指针偏转 角度小 阴极K 4.特殊二极管 稳压管 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压 时工作在反向电击穿状态。 伏安特性 图形 符号 主要参数： 稳定电压、稳定电流、最大 允许耗散功率、动态电阻 汽车仪表稳压电路： 4.特殊二极管 发光二极管 图形符号 工作电压一般在1.52.5V之间，工作电流在530mA之 间，电流越大，发光越强。 外形 四、双极型三极管 1.三极管的结构、符号、分类 NPN型 PNP型 发射极 Emitter 集电极 Collector 基极 Base 2.三极管的电流放大作用 发射结正偏 集电结反偏 NPN管， VC VB VE PNP管， VE VB VC 实现电流放大的外部条件 2.三极管的电流放大作用 穿透电流 交流电流放大系数，表 示电流放大能力 IE=IB+ IC 当输入为变化量（动态量）时 电流放大特性 + - b c e 共射极放大电路 VBB VCC UBE iC iB+ - uCE Rb Rc uCE = 0V uCE 1V 当uCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线 当uCE1V时，特性曲线右移，同样的UBE下IB减小 三极管输入端存在死区 输入特性曲线 3.三极管的特性曲线 饱和区：iC明显受uCE控制， 该区域内，uCE=uCES0.7V ( 硅管)。此时，发射结正偏， 集电结正偏或反偏电压很小 。 放大区：iC平行于uCE轴的 区域，曲线基本平行等距 。此时，发射结正偏，集 电结反偏。 截止区：iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时， uBE小于死区电压，集电结反偏。 饱和导通 c b e cb e 电流放大 ibib c b e 反向截止 输出特性曲线 4.复合管4.复合管 复合管又称达林顿管。 5.三极管使用常识 主要参数 三极管的性能参数是工程上选用三极管的依据，其 主要参数有：电流放大系数、极间反向电流以及极 限参数等。 集电极最 大允许电 流ICM 最大集 电极耗 散功率 PCM 反向击穿 电压 螺栓型晶闸管晶闸管模块 平板型晶闸管外形及结构 五、晶闸管简介 GG 控制极控制极 K K 阴极阴极 G 阳极阳极 A A P1 P2 N1 N2 四四 层层 半半 导导 体体 (c) (c) 结构结构 K K GG A A (b) (b) 符号符号 (a) (a) 外形外形 三三 个个 PNPN 结结 1. 外形、结构及符号外形、结构及符号 UA UG A K G UA UG A K G UA UG A K G UG UA A K G 反向阻断 正向阻断 触发导通 触发导通 2. 晶闸管的工作状态 晶闸管导通的条件： 1. 1. 阳极与阴极之间施加正向电压。阳极与阴极之间施加正向电压。 2. 2. 控制极与阴极之间加正向电压或正向脉冲。控制极与阴极之间加正向电压或正向脉冲。 晶闸管关断的条件： 1. 1. 使阳极电流减小到维持电流以下。 2. 2. 将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极 阳极和阴极 间加反向电压。间加反向电压。 注意：晶闸管导通后 ，控制极便失去作用 。 导通时平均电压组别导通时平均电压组别 共九级共九级, , 用字母用字母AIAI表示表示0.41.2V0.41.2V 额定电压,用百位或千位数表示 额定正向平均电流(IF) P P-普通晶闸管普通晶闸管 KK-快速晶闸管快速晶闸管 S S -双向晶闸管双向晶闸管 晶闸管 K P 类型 型号 3. 型号和主要参数 UDRM: 断态重复峰值电压（断态重复峰值电压（晶闸管晶闸管耐压值）耐压值） URRM：反向重复峰值电压反向重复峰值电压 I I T T ：额定额定正向平均电流正向平均电流 U UF F: : 通态平均电压（管压降），通态平均电压（管压降），一般为一般为1V1V左右。左右。 I I HH: : 维持电流 维持电流 U U GG、 、I IG G： ：控制极触发电压和电流控制极触发电压和电流， 一般一般U UGG为为1 1到到5V5V，I IGG为几十到几百毫安。为几十到几百毫安。 主要参数 晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是 它的主要缺点。它的主要缺点。 4. 晶闸管的保护 过电流保护 电路中接快速熔断器。 与晶闸 管串联 接在 输入 端 接在 输出 端 快速熔断器有三种接入方式 电路中加快速熔断器。当电路发生过流故障时 ，它能在晶闸管过热损坏之前熔断，切断电流通 路，以保证晶闸管的安全。 与晶闸 管串联 接在 输入 端 接在 输出 端 快速熔断器有三种接入方式快速熔断器有三种接入方式 过电流保护 C C R R 将造成过电压的能量变成电场能量储存到电 容中，然后释放到电阻中消耗掉。 R C R C C C R R R R L L 晶闸管元件 的阻容保护 过电压保护 6.2 三极管基本应用电路 一、三极管基本放大电路 1. 共发射极放大电路 基极偏置 电阻 集电极 负载电阻 耦合电容 耦合电容 输入回路 输出回路 1） 静态分析 静态：放大电路没有交流输入信号（ui=0）时的直 流工作状态。静态时，电路中只有直流电源VCC作用，三 极管各极电流和极间电压都是直流值。 直流通路 静态工作点 （1）画出直流通路 （2）列输入回路方程，求IBQ （3）作直流负载线 静态工作点的图解分析 法 （4）确定静态工作点Q IBQ 斜率-1/RC Q UCEQ ICQ 2） 动态分析 动态：放大电路在有输入信号时（ui0）的工作状 态称为动态。 Q uCE/V t t iB/A IB t iC/mA IC iB/A uBE/V t uBE/V UBEUCE iC/mA uCE/V O OO O O O Q Q1 Q2 ib ui uo R RL L= = 由由u u o o 和和u u i i 的峰值（或峰峰值）的峰值（或峰峰值）之比可得放大之比可得放大 电路电路的电压放大倍数。的电压放大倍数。 3） 性能指标 交流通路 交流电流流经的通路，用于动态分析。 对于交流通路：大容量电容（耦合电容、旁路电容等 ）视为短路；大容量电感视为开路；直流电源视为短路 。 性能指标 （1）电压放大倍数 低频频小功率管的输输入电电阻rbe可用下式估算： 共射放大电路的电压放大倍数一般较大，通 常为几十倍至几百倍。 输出电压与输入电 压相位相反 交流负载等效电阻 RL= RC/RL 性能指标 （2）输入电阻 输入电阻越大，放大电路的实际输入电压就越 接近于所接信号源电压。 共射放大电路的输入电阻： ri=Rb/rbe （几百欧至几千欧 ） （3）输出电阻 输出电阻越小，放大电路的带负载能力越强。 共射放大电路的输出电阻： ro=Rc（几千欧至几十千欧 ） 4） 放大电路的非线性失真 Q1 q Q2 q UCEQ2 q UCEQ1 ib1 ic1 ic2 uo1 uo2 ICEQ1 ICEQ2 饱和失真 截止失真 2. 射极输出器 电路特点： 电压增益接近于1 输入电阻大， 对电压信号源衰减小 输出电阻小， 带载能力强 二、功率放大电路 功率放大电路是一种能够向负载提供足够大 的功率的放大电路。因此，要求同时输出较大的 电压和电流。 管子工作在接近极限状态。一般直 接驱动负载，带载能力要强。 要求 （1） 输出功率足够大 （2） 效率高 （3） 非线性失真小 特点 优点： 直接耦合，频率特性好 。 双电源互补对称功率放大电路（OCL） 最大输出功率 单电源互补对称功率放大电路（OTL） 优点：单电源供电 。 静态时：V1和V2均截止， 由于电路对称，E点电位VE= VCC/2 ，电容C上的电压也等于 VE= VCC/2 。 动态时：输入信号正半周 电源Vcc向T1管供电；输入信号 负半周，电容C上存储的电压 Vcc/2向T2管供电。 最大输出功率 三、多级放大电路 常用的耦合方式: 直接耦合、阻容耦合和变压器耦合。 第二级第二级 推动级推动级 输入级输入级 输出级输出级 输入输入 输出输出 多级放大电路的框图 四、正弦波振荡电路 1. 振荡条件及基本组成 ui uo uf 振幅平衡条件 相位平衡条件正反馈 即 振荡条件 振荡电路组成 放大电路：能量控制，保证输出信号的幅度； 选频网络：确定输出信号为单一频率的正弦信号； 反馈网络：引入正反馈； 稳幅环节：使输出信号幅值稳定。 通常合二为一 在分立元件放大电 路中常依靠放大电 路中晶体管的非线 性作用实现，而不 另加稳幅电路。 2. LC正弦波振荡电路 优点：耦合紧，振幅大；振荡频率高，调节范围宽 。 缺点：输出波形不够好，含有高次谐波。 电感 三点 式 谐振频率： 五、晶体管开关电路 通过输入信号Ui控制三极管处于饱和导通或 截止两种状态，从而能起到开关S的作用。 作用 开关S 五、晶体管开关电路 电路分析 Uo VT截止 饱和导通 Ui 低电平 高电平 接近 VCC 三极管饱和 导通电压 六、晶体管在汽车中的应用电路 汽油机用电子转速表电路 周期开闭，开闭频 率与转速成正比 分电器触点闭 合，C2充电 分电器触点断 开，C2放电 电流平均值与 分电器通断频 率成正比 电磁感应式无触点电子点火控制电路 振荡 电路 开关 电路 功率放 大电路 点火 6.3 集成运放及其应用 集成运算放大器（简称运放）是一种具有很 高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展 最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。 一、集成运放简介 基本结构 直接耦合直接耦合 (1)输输入级级 对于高增益的直接耦合放大电路，提高质量 的关键在输入级，因此要求其输入电阻大，能有 效抑制零漂。 集成运放的输入级通常采用差动放大电路。 对称 F温度变化和电源电压波 动，都将使V1、V2集电极 电流产生变化，且变化趋 势是相同的，因此当从V1 、 V2 集电极输出信号时 ，其变化量相互抵消，理 想情况下，没有温漂，共 模抑制比。 (2)中间级间级 中间级主要进行电压放大，要求有较高的电 压放大倍数，一般由共发射极电路构成。 (3)输输出级级 输出级与负载相连，应具有较大的输出电压 ，较高的输出功率和较低的输出电阻，并具有过 载保护。因此，一般采用射极输出器或互补功率 放大电路。 (4)偏置电电路 偏置电路为各级提供合适的静态工作点。 主要性能指标 p开环差模电压放大倍数AOD p共模抑制比KCMR p输入电阻rid p输出电阻ro p-3dB带宽fh和单位增益带宽fc 理想运放 F 开环差模增益： F 差模输入电阻： F 输出电阻： F 共模抑制比： F 上限截止频率： F 失调电压、电流及其温漂：均为0。 实际集成运 放的特性很 接近理想集 成运放 二、集成运放的理想化条件及传输特性 - + +UO 同相输入端 输出端 反相输入端UP UN 线性区 非线性区 理想运放的图形符号 理想运放的传输特性 运放线性应用的必要条件 运放线性应用的分析要点 虚短 虚断 运放的同相输入 端和反相输入端的 电位“无穷”接近， 好象短路一样，但 却不是真正的短路 。 Up=UN 运放的同相输入 端和反相输入端的 电流趋于0，好象断 路一样，但却不是 真正的断路。 Ip=IN0 理想运放线性区放大倍数 趋于无穷大，在输入端只 要加一个非无穷小的电压 ，其输出就会超出其线性 工作区，因此，只有电路 引入负反馈，才能使其工 作于线性区。 运放线性应用的分析要领 负反馈 1.信号运算 三、集成运放的典型应用 反相输入放大电路 为了保持运放差放输入级的对称 性，同相输入端的电阻R2为uI=0时反 相输入端的等效电阻： R2= R1/ Rf 。 虚断 虚短 电压放大倍数 同相输入放大电路 电压 跟随器 差动输入放大电路（减法电路） 若： 则： 加法电路 2.信号比较 单值电压比较器 - + + uo ui UREF R1 R2 电路 传输特性 - + + uo ui R1 R2 过零电压比较器 输入输出波形 三、集成运放在汽车中的应用 压敏电阻式进气压力测量电路 蓄电池欠压报警电路 64 直流稳压电源 一、直流稳压电源的组成 功能： 把交流电压变成稳定的直流电压。 u4 uo u3 u2u1 常用的直流稳压电源由电源变压器、整 流、滤波以及稳压电路组成。 电源 变压器 整流 电路 滤波 电路 稳压 电路 二、整流与滤波电路 1. 整流电路 整流电路的作用: 将交流电压转变为脉动的直流电压 整流原理： 利用二极管的单向导电性 整流电路的两种类型： 半波整流、全波整流 1. 整流电路 单相半波整流 uD O u u 正半周，正半周，V V a a VV b b ， 二极管二极管V VD D导通；导通； u 负半周，VaVb，二极 管 1、3 导通，2、4 截止 。 u u 负半周，负半周，V V a a V V b b ，二极二极 管管 2 2、4 4 导通，导通，1 1、3 3 截止截止 。 uo uD t t uD1 uD3 u 单相桥式整流 每管承受的最高反向电压每管承受的最高反向电压 U UDRM DRM 变压器副边电流有效值变压器副边电流有效值 I I 2 2 单相桥式整流电路的参数计算 整流电压平均值平均值 U Uo o 整流电流平均值平均值 I Io o 二极管电流平均值平均值 I I D D 输出直流电压高； 脉动较小； 二极管承受的最 大反向电压较低； 电源变压器得到充分利用。 半导体器件厂已将整流二极管封装在一起， 制成的单相及三相整流桥模块称为桥堆，这 些模块只有输入交流和输出直流引线。减少 接线，提高了可靠性，使用起来非常方便。 桥式整流电路的优点桥式整流电路的优点 桥堆桥堆 车用整流电路 整流二极管 焊接式压装式电路 车用整流电路的安装 正极管 负极管 车用整流电路 电路及波形 2. 电容滤波电路 滤波：利用储能元件电容两端的电压(或通过 电感中的电流)不能突变的特性, 滤掉整流电路输出 电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输 出电压波形的目的。 方法：将电容与负载RL并联(或将电感与负载 RL串联)。 u2 t 0 t uL 0 桥式整流电容滤波 输出电压： (负载开路) 电容容量及耐压： 耐压取1.52U2 三、直流稳压电路 稳压电路（稳压器）是为电路或负载 提供稳定的输出电压的一种电子设备。 稳压管并联稳压电路 串联型稳压电路 集成稳压电路 稳压电路的基本类型： UO = UZ IR = IO + IZ U I UZ RL(IO)