模拟电子技术基础 放大电路20111013.ppt

一 负荷的分级工厂的电力负荷 按GB50052 95规定 根据其对供电可靠性的要求及中断供电造成的损失或影响的程度分为三级 一级负荷 二级负荷 三级负荷 电力负荷的分级及其对供电的要求 1 一级负荷如果供电中断 将造成人身伤亡或对政治 经济造成重大损失 因此 要求有两个独立电源供电 2 二级负荷如果供电中断 将对政治 经济造成较大损失 如主要设备的损坏 大量产品的报废 连续性生产过程被破坏等 二级负荷是较重要的负荷 要求由两回路供电 供电变压器通常也采用两台 3 三级负荷三级负荷属一般性电力负荷 对供电无特殊要求 照明方式照明方式是指照明设备按其安装部位或使用功能而构成的基本制式 一 一般照明二 分区一般照明三 局部照明四 混合照明五 控制室与检验工作室的照明六 特殊厂房的照明七 无窗厂房照明 光源的选择一 工厂照明的要求照度及均匀度2 光色及显色性3 环境条件二 照明光源的选择 车间常用照明配电箱及照明灯具一 常用照明配电方式照明配电系统由配电装置 配电箱 及配电线路 干线及支线 组成 一组照明设备接入一条支线 若干条支线接入一条干线 若干条干线接入一条总进户线 汇集支线接入干线的配电装置称为分配电箱 汇集干线接入总进户线的配电装置称为总配电箱 a b c 图基本照明配电方式 a 放射式 b 树干式 c 混合式 d 链式 d 二 照明配电箱的安装照明配电箱有标准型和非标准型两种 标准配电箱可向厂家直接订购 非标准配电箱可自行制作 1 悬挂式照明配电箱的安装悬挂式 明装 照明配电箱既可安装在墙上 也可安装在柱上 2 嵌入式照明配电箱的安装嵌入式照明配电箱的安装 暗装 一般与土建配合进行 砌墙时将箱体预埋在墙内 三 照明灯具安装要求1 灯泡容量l00W及以下时 可用胶木灯口 l00W以上及潮湿场所 防潮封闭式灯具用瓷质灯口 2 相线经开关进入灯头 接在螺扣灯头中心的接线柱上 零线接在螺口的接线柱上 3 导线的绝缘强度 不低于500V 5 吊链灯导线应编插在链中 导线不应受力 6 灯具重量 lkg以下可采用灯头软线吊挂 lkg 3kg采用吊链吊杆 大于3kg需设预埋件 并应按灯具重量的l 25倍作过载试验 预埋件结构如下图所示 预埋件结构 7 吊杆灯 管内径不小于10mm 钢管壁厚不小于1 5mm 导线穿入管中 并不许有接头 8 距地面低于2 4m灯具 需做接地 接地时 必须经灯具专用接地螺丝接地 接地线经平垫片及弹簧垫片压紧 保护接地线需用铜芯导线 截面不小于l 5mm2 9 室外灯具引入线需做防水弯 灯具可能产生凝结水时 需打泄水孔 10 荧光灯灯管 镇流器 启辉器 必须与灯管的容量相匹配 11 嵌入顶棚内灯具安装 灯具固定在专设的框架上 电源线不能贴近灯具外壳 并留有余量 灯罩的边框边缘应紧贴在顶棚面上 12 户外大型玻璃罩灯 应有防止其破碎后溅落措施 13 大容量气体放电灯 灯管 灯头 控照器都由制造厂配套生产供货 购置时连同触发器 镇流器及升压变压器等配套订货 按安装使用说明书进行安装 14 照明灯具距地面最低悬挂高度应满足规定值 2 车间照明平面图 图某车间照明平面示意图1 沿屋架横向明敷2 跨屋架纵向明敷3 沿墙或沿柱明敷4 穿管明敷5 地下穿管暗敷6 地沟内敷设7 母线槽 插接式母线 作业 P148复习思考题2 11 半导体基本知识1半导体及其特性2半导体二极管3半导体三极管 1半导体及其特性1 1半导体概述自然界中存在着许多不同的物质 根据其导电性能的不同可分为导体 绝缘体和半导体三大类 半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间 电阻率在10 3 109 cm 例如硅 Si 锗 Ge 硒 Se 和砷化镓 GaAs 及其他金属氧化物和硫化物等 半导体具有的特性为 热敏性 光敏性和杂敏性 1 热敏性指半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加 2 光敏性指半导体的导电能力随着光照的强弱而有显著的改变 3 杂敏性指半导体的导电能力会因为掺入适量杂质而发生显著变化 1 2本征半导体纯净的不含任何杂质 晶体结构排列整齐的半导体称为本征半导体 本征半导体中的价电子可挣脱共价键的束缚而成为带单位负电荷的自由电子 同时在原来的共价键位置上留下一个相当于带有单位正电荷电量的空穴 自由电子和空穴在热运动中又可能重新相遇结合而消失 这种现象叫做复合 半导体中自由电子和空穴都可以参与导电 因此半导体中有两种载流子 带负电荷的自由电子和带正电荷的空穴 1 3杂质半导体根据掺入杂质的不同 杂质半导体又可分为N型 电子型 半导体和P型 空穴 半导体 1 N型半导体在本征半导体硅 或锗 中 掺入微量磷 或其他五价元素 形成的半导体称为N型半导体 由于在N型半导体中自由电子数目远远大于空穴数 故称这种杂质半导体为电子型半导体 在N型半导体中自由电子为多数载流子 简称多子 相应的空穴为少数载流子 简称少子 N型半导体的形成及结构示意图如图1所示 2 P型半导体在本征半导体硅 或锗 中 掺入微量硼元素 或其他三价元素 形成的半导体称为P型半导体 由于在P型半导体中空穴数目远远大于自由电子数 故称这种杂质半导体为空穴型半导体 在P型半导体中空穴为多数载流子 简称多子 相应的自由电子为少数载流子 简称少子 P型半导体的形成及结构示意图如图2所示 图1N型半导体的形成及结构示意图 图2P型半导体的形成及结构示意图 2半导体二极管2 1PN结的形成及单向导电性 1 PN结的形成在本征半导体上通过某种掺杂工艺 使其形成P型区和N型区两部分 由于P区的多子是空穴 N区的多子是自由电子 因此在交界处自由电子和空穴都要从高浓度区向低浓度区扩散 多数载流子在浓度差作用下的定向运动 叫做扩散运动 如图5 4a所示 多子扩散到对方区域后 使对方区域的多子因复合而耗尽 于是P区和N区的交界处就会出现数量相等 不能移动的负离子区和正离子区 这些不能移动的带电离子形成了空间电荷区 也就是PN结 如图5 4b所示 空间电荷区靠近P区带负电 靠近N区带正电 因此形成了一个电场方向由N区指向P区的内建电场 简称内电场 图5 4PN结的形成 2 PN结的单向导电特性1 外加正向电压时PN结导通将PN结的P区接电源的正极 N区接电源的负极 这种接法为正向接法或正向偏置 简称正偏 如图5 5a所示 在正向偏置下 PN结对外电路呈现较小的电阻 理想情况下电阻为零 因此称PN结处在导通状态 图5 5PN结外加电压 2 外加反向电压时PN结截止将PN结的P区接电源的负极 N区接电源的正极 这种接法为反向接法或反向偏置 简称反偏 如图5 5b所示在反向偏置下 PN结对外电路显现很大的电阻 理想情况下电阻为无穷大 因此称PN结处在截止状态 2 2半导体二极管1 二极管的结构半导体二极管 实质上是有一个PN结加上电极引线及外壳封装制成 由P区引出的电极为阳极或正极 由N区引出的电极为阴极或负极 二极管的结构及符号如图5 6所示 图5 6二极管的结构及符号 2 二极管的伏安特性曲线二极管的伏安特性曲线是指外加到二极管两端的电压与流过二极管的电流之间的关系曲线 如图5 7所示 外加正向电压 U 0 的伏安特性为二极管的正向特性 当电压U开始增加时 PN结不导通 如图0A段 只有当U大于死区电压 PN结才导通 产生正向电流 并以指数规律上升 如图AB段 外加反向电压 U 0 的伏安特性为二极管的反向特性 当外加反向电压时 PN结内流过的电流为反向饱和电流IS 当反向电压U在一定范围内变化时 反向电流很小 且几乎不变 如图0C段 外加反向电压增大到一定程度时反向电流将急剧增大 如图CD段 这种现象称之为反向击穿 发生击穿时的反向电压叫做反向击穿电压UBR 3 二极管的主要参数二极管的主要参数有 最大整流电流IF 反向击穿电压UBR 最高反向工作电压URM 反向电流IR和最高工作频率fM 图5 7二极管的伏安特性曲线 例如 二极管2AK系列 表示N型锗材料开关二极管 4 二极管的型号命名根据国产半导体器件型号命名规则 半导体器件的型号由四部分组成 如表5 1所示 表5 1二极管的型号命名及意义 5 二极管的测试用万用表测量其正反向电阻值来确定二极管的电极 测量时把万用表置于电阻R 100挡或R 1K挡 将万用表两表笔分别接二极管的两个电极 测出电阻值 然后更换二极管的电极 再测出电阻值 电阻值很小的那次测量 万用表的黑表笔相接的电极为二极管的正极 红表笔相接的电极为二极管的负极 6 二极管的应用二极管在电子技术中广泛地应用于整流 限幅 开关和稳压等方面 大多是利用其正向导通 反偏截止的特点 1 整流应用 即把大小和方向都随时间发生变化的正弦交流电变为单向脉动的直流电 2 限幅应用 将输入电压限定在要求的范围之内 叫做限幅 3 稳压应用 用来实现稳定电压输出 4 开关应用 在数字电路中经常将半导体二极管作为开关元件来使用 假设VD1 VD2为理想二极管 当输入电压ui 2V时 uo 2V 当ui 2V时 uo 2V 当ui在 2V与 2V之间时 uo ui 输入输出波形如图5 8b 利用限幅电路就可以把输入电压ui的幅度加以限制 图5 8双向限幅电路 例1如图所示电路中 已知二极管为硅管 电源电压为U1 6V U2 3V 电阻R 300 问二极管是否导通 Uab等于多少 流过电阻的电流各为多少 图例1题图 解 分析时 可以先假设二极管不导通 来判断加在二极管两端的正向电压是否大于导通电压 若两端的电压大于导通电压 则二极管导通 电路中有电流 二极管两端的电压等于导通电压 若两端的电压小于导通电压 则二极管截止 电路中无电流 对于a图假设二极管不导通 以b点为参考电位点 即令Vb 0V 则二极管的阳极电位为 6V 阴极电位为 3V 二极管的正向压降为 6 3 V 3V 0 6V 所以二极管截止 Uab 3V 流过电阻的电流为零 对于b图假设二极管不导通 以b点为参考电位点 即令Vb 0V 则二极管的阳极电位为 3V 阴极电位为 6V 二极管的正向压降为 3 6 V 3V 0 6V 所以二极管导通 导通电压为0 6V Uab 6 0 6 V 5 4V 流过电阻的电流 I 0 6 6 3 V 300 0 008A负号表示电流方向由a指向b 3半导体三极管3 1半导体三极管的结构半导体三极管的种类很多 按照半导体材料的不同可分为硅管 锗管 按照功率分为小功率管 中功率管和大功率管 按照频率分为高频管和低频管 按照制造工艺分为合金管和平面管等 根据两个PN结的组成不同三极管又可分为NPN型三极管和PNP型三极管 结构示意图及电路符号如图5 21所示 符号中的箭头方向是三极管的实际电流方向 三极管有三个区 分别为基区 发射区和集电区 从三个区引出的三个电极相应的为基极 发射极和集电极 分别用b e c来表示 组成三极管的两个PN结分别为发射结 基区与发射区交界处的PN结 和集电结 基区和集电区交界处的PN结 图5 21三极管的结构示意图及电路符号 为了使三极管具有放大作用 三极管在制造工艺上应具有如下特点 基区做的很薄 发射区掺杂浓度远远高于基区掺杂浓度 集电区的面积比较大 满足制造工艺特点后还必须具备的外部条件 使发射结正偏 使集电结反偏 1 三极管的基本工作原理由于NPN管和PNP管的结构对称 工作原理完全相同 下面仅以NPN管为例 讨论三极管的基本工作原理 图5 22三极管内部载流子的运和电流关系 在满足上述内部和外部条件的情况下 三极管内部载流子的运动如图5 22所示 首先 发射区向基区注入电子 形成发射极电流IE 其次 发射区发射的自由电子注入基区后 和基区的空穴产生复合运动而形成基极电流IB 最后 集电结的内电场将基区的自由电子收集到集电区 从而形成集电极电流IC 2 各极电流的分配关系由三极管内部载流子的运动可以看出 IE IC IB 由于复合电流IB很小 所以通常认为IE IC IC和IB成比例关系 比值的大小取决于制造三极管时的结构和工艺 称为三极管的直流电流放大系数 用表示 通常取值范围为20 200 3 2三极管的伏安特性曲线三极管的伏安特性曲线是指三极管各极电压与电流之间的关系曲线 常用的伏安特性曲线有输入特性曲线和输出特性曲线 1 输入特性曲线输入特性曲线是指当集电极与发射极之间的电压UCE为一常数时 输入回路中基极电流iB与加在三极管基极与发射极之间的电压uBE之间的关系曲线 用函数式表示为 iB f uBE UCE 常数当UCE变化时 三极管的输入特性曲线如图5 24所示 从图上可以看出 三极管的输入特性曲线和二极管的正向特性曲线相似 当输入电压小于导通电压时 三极管不导通 基极电流为零 当输入电压大于导通电压时 三极管导通 当UCE为不同的值时 输入特性略有不同 即随着UCE的增大 特性曲线向右移动趋势越来越慢 一般当UCE 1V时 各条特性曲线几乎重叠一起 图5 24三极管的输入特性曲线 所以通常只用一条曲线代表UCE 1V以后的各条曲线 2 输出特性曲线输出特性曲线是在基极电流IB一定的情况下 三极管的集电极电流iC和集电极与发射极之间的电压uCE之间的关系曲线 用函数式表示为 iC f uCE IB 常数 当IB取不同的值时 三极管的输出特性曲线如图5 25所示 从图中可以看出 输出特性各条曲线的形状基本上是一样的 起始部分很陡 当uCE略有增加时 iC增大的很快 当uCE 1V左右以后 IC和IB的分配比例固定 图5 25三极管的输出特性曲线 按输出特性曲线的不同特点 可将其划分为三个区域 截止区 放大区和饱和区 如图5 25所示 1 截止区习惯上把IB 0的区域称为截止区 在截止区发射结与集电结均处在反向偏置状态 2 放大区各条输出特性曲线比较平坦 近似为水平线的区域为放大区 在放大区发射结正向偏置 集电结反向偏置 3 饱和区通常认为在图5 25中对应uCE较小的区域为饱和区 在饱和区发射结和集电结均处于正向偏置状态 虽然饱和区和截止区都没有放大作用 但这两个区的特点是截然不同的 在饱和区 集电极 发射极之间等效为一个闭合的开关 在截止区 集电极 发射极之间等效为一个断开的开关 必须注意 当uCE增大到一定程度时 集电结因反偏电压过大而击穿 此时集电极电流iC急剧增大 可能造成管子的击穿而损坏 在使用中应避免出现这种情况 3 3三极管的主要参数三极管的参数表征了三极管的性能和适用范围 是合理选用和正确使用三极管的依据 主要参数有 1 电流放大系数直流电流放大系数交流电流放大系数 2 极间反向电流集电极 基极反向饱和电流ICBO 集电极 发射极间反向电流ICEO 3 极限参数1 集电极最大允许电流ICM 2 极间反向击穿电压主要有 当基极开路时 集电极与发射极之间的反向击穿电压U BR CEO 当发射极开路时 集电极与基极之间的反向击穿电压U BR CBO 3 集电极最大允许耗散功率PCM 表5 4三极管的型号命名及意义 例如 3AG11为锗材料PNP型高频小功率三极管 3 4三极管的型号命名三极管的型号命名与二极管的型号命名类似 同样有四部分组成 型号命名及意义如表5 4所示 3 5三极管的测试及应用1 三极管的测试可以用万用表对三极管的电极 好坏作大致的判断 无论是基极和集电极之间的正向电阻 还是基极与发射极之间的正向电阻 都在几千欧姆到十几千欧姆的范围内 而反向电阻则趋近于无穷大 若测出的电阻无论正反向电阻值均为零 说明此三极管内部已短路 若测出的电阻无论正反向电阻值均为无穷大 说明此三极管内部已断路 三极管已损坏 测量判断方法为 用万用表的黑表笔接触某一管脚 用红表笔分别接触另外两个管脚 如果两次测得的阻值都很小 则黑表笔接触的那一个管脚就是基极 同时可知此三极管是NPN型 若用万用表的红表笔接触某一管脚 用黑表笔分别接触另外两个管脚 如果两次测得的阻值都很小 则红表笔接触的那一个管脚就是基极 同时可知此三极管是PNP型 当基极确定 后 以NPN型三极管为例 假设剩余的两个管脚中的一个为集电极 另一个为发射极 用手捏住假设的集电极和基极 将黑表笔接到假设集电极管脚上 红表笔接到假设的发射极管脚上 观察表针的指示 并记住此时的电阻值 然后交换红黑表笔的位置 做同样的测量记录 比较两次读数的大小 读数小的一次假设是正确的 2 三极管的应用半导体三极管是电子电路的核心器件 应用十分广泛 三极管可以组成运算放大电路 功率放大电路 振荡电路 反相器和数字逻辑电路等 在电路中的作用可归纳为放大应用和开关应用两大类 在模拟电子电路中 三极管主要工作于放大状态 在数字电子电路中 三极管工作于截止状态和饱和状态 基本交流电压放大电路的组成及各元器件的作用 1基本放大电路的组成 1 晶体管VT2 集电极电源VCC3 集电极负载电阻Rc 4 基极电源VBB 5 基极偏置电阻Rb 6 耦合电容C1和C2 2共射基本放大电路的习惯画法和电流 电压正方向的规定 图6 2 对于上图所示电路 在实际应用中 为了简化电路 一般选取 如图6 2a所示 此外 在画图时 往往省略电源符号 只标出电源电压的端点 这样就得到了图6 2b的习惯画法 3共射基本放大电路的直流通路和交流通路 图6 3 1 直流通路及画法直流通路是在直流电源作用下直流电流流经的通路 是放大电路中直流成分流过的路径 画直流通路时 将电容视为开路 电感线圈视为短路 即忽略线圈电阻 信号源视为短路 但应保留其内阻 根据上述原则 图6 3a电路的直流通路如图6 3b所示 2 交流通路及画法交流通路则是在输入信号作用下交流信号流经的通路 是交流成分流过的路径 画交流通路时 将容量大的电容 如耦合电容 视为短路 无内阻的直流电源视为短路 其他不变 则图6 3a的交流通路如图6 4所示 图6 4 4放大电路的主要性能指标为了衡量一个放大电路的性能 可采用若干技术指标来表示 常用的有放大倍数 输入阻抗 输出阻抗 频率响应 带宽以及非线性失真等 1静态工作点的估算 静态分析 所谓直流工作状态 是指放大电路没有输入信号 ui 0 时 电路中各处的电压 电流都是直流时的工作状态 简称静态 直流工作点 又称为静态工作点 简称Q点 是指在静态工作状态下 晶体管各电极的直流电压和直流电流的数值 我们将晶体管的基极电流 集电极电流 管压降 管压降称为放大电路的静态工作点Q 常将这四个物理量记作IBQ ICQ UBEQ UCEQ 6 1 6 3 6 2 在式 6 1 中 当VCC UBEQ时 UBEQ可略去不计 2图解法确定静态工作点 图解法是以器件的特性曲线为基础 用作图的方法在器件的特性曲线上分析放大电路的工作情况 图6 5a为图6 3直流通路的分割 它被a b分成两个部分 左边为非线性部分 右边为线性部分 晶体管的输出特性曲线如图6 5b所示 图6 5c为负载线 图6 5d为Q点的确定 图解法确定Q点的步骤 首先在输出特性曲线所在坐标中 按直流负载线方程uCE VCC iCRc 作出直流负载线 其次由基极回路求出IBQ 最后找出iB IBQ这一条输出特性曲线 与直流负载线的交点即为Q点 读出Q点坐标的电流 电压值即为所求 图6 5 3动态分析 1动态工作情况 当放大电路输入信号后 电路中各处电压 电流便处于变动状态 这时电路处于动态工作情况 简称动态 2图解法分析动态特性1 交流负载线的作法1 在输出特性曲线上先画出直流负载线 找到Q点 Q点对应的电流 电压值分别为ICQ CEQ 2 求出交流负载 过Q点作一斜率为的直线 由于所以 故一般情况下交流负载线比直流负载线陡 如图6 7所示 图6 7 2 波形的画法设输入交流信号电压为V 则