常用电子元件及其应用(ppt 103页).ppt

输入信号按时间可分为连续时间信号 模拟信号 和离散时间信号 数字信号 处理模拟信号的电子电路称为模拟电路 电路中的晶体管工作在线性放大状态 处理数字信号的电子电路称为数字电路 电路中的晶体管一般在工作开关状态 电子技术内容 模拟电路和数字电路 摩尔定律 集成电路中的晶体管数目每两年增加一倍 CPU性能每18个月增加一倍 摩尔定律 集成电路的发展遵从摩尔定律 物质按导电能力的不同可分为导体 半导体和绝缘体3类 日常生活中接触到的金 银 铜 铝等金属都是良好的导体 它们的电导率在105S cm 1量级 而像塑料 云母 陶瓷等几乎不导电的物质称为绝缘体 它们的电导率在10 22 10 14S cm 1量级 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体 它们的电导率在10 9 102S cm 1量级 自然界中属于半导体的物质有很多种类 目前用来制造半导体器件的材料大多是提纯后的单晶型半导体 主要有硅 Si 锗 Ge 和砷化镓 GaAs 等 第五章常用电子元件及其应用 本征半导体 完全纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体 它具有共价键结构 锗和硅的原子结构 单晶硅中的共价键结构 价电子 硅原子 在半导体中 同时存在着电子导电和空穴导电 空穴和自由电子都称为载流子 它们成对出现 成对消失 在常温下自由电子和空穴的形成 复合 自由电子 本征激发 半导体的导电性能对温度很敏感 杂质半导体 N型半导体和P型半导体 原理图 P 自由电子 结构图 磷原子 正离子 P 在硅或锗中掺入少量的五价元素 如磷或砷 锑 则形成N型半导体 多余价电子 在N型半导体中 电子是多子 空穴是少子 P型半导体 在硅或锗中掺入三价元素 如硼或铝 镓 则形成P型半导体 原理图 B B 硼原子 负离子 空穴 填补空位 结构图 在P型半导体中 空穴是多子 电子是少子 多数载流子取决于掺杂浓度 少数载流子取决于温度 一 认识晶体二极管 小功率二极管 大功率二极管 发光二极管 第一节晶体二极管及其应用 表示符号 用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上 形成P型半导体区域和N型半导体区域 在这两个区域的交界处就形成一个PN结 P区 N区 P区的空穴向N区扩散并与电子复合 N区的电子向P区扩散并与空穴复合 空间电荷区 内电场方向 PN结的形成 空间电荷区 内电场方向 在一定条件下 多子扩散和少子漂移达到动态平衡 P区 N区 多子扩散 少子漂移 在一定条件下 多子扩散和少子漂移达到动态平衡 空间电荷区的宽度基本上稳定 内电场阻挡多子的扩散运动 推动少子的漂移运动 结论 在PN结中同时存在多子的扩散运动和少子的漂移运动 PN结的单向导电性 P区 N区 内电场 外电场 E I 空间电荷区变窄 P区的空穴进入空间电荷区和一部分负离子中和 N区电子进入空间电荷区和一部分正离子中和 扩散运动增强 形成较大的正向电流 外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走 空间电荷区变宽 内电场 外电场 少子越过PN结形成很小的反向电流 IR E N区 P区 由上述分析可知 PN结具有单向导电性 即在PN结上加正向电压时 PN结电阻很低 正向电流较大 PN结处于导通状态 加反向电压时 PN结电阻很高 反向电流很小 PN结处于截止状态 切记 二极管的伏安特性 40 20 O U V I mA 60 40 20 50 25 0 4 0 8 正向 反向 击穿电压 死区电压 U BR 硅管的伏安特性 I A 20 40 25 0 4 0 2 50 10 O 15 5 I mA U V 锗管的伏安特性 I A 死区电压 二极管的主要参数 稳压管是一种特殊的面接触型半导体二极管 具有稳定电压的作用 符号 DZ 阴极 阳极 特点 1 反向特性曲线比较陡 2 工作在反向击穿区 二 特殊二极管 稳压二极管 I mA U V 0 UZ IZ 击穿并不意味损坏 采取适当的限流措施 反相击穿是可逆的 稳压管的主要参数 I mA U V 0 UZ IZ 单个发光二极管实物 发光二极管是一种能把电能直接转换成光能的固体发光元件 发光二极管和普通二极管一样 管芯由PN结构成 具有单向导电性 左图所示为发光二极管的实物图和图符号 发光二极管是一种功率控制器件 常用来作为数字电路的数码及图形显示的七段式或阵列式器件 单个发光二极管常作为电子设备通断指示灯或快速光源以及光电耦合器中的发光元件等 二 特殊二极管 发光二极管 光电二极管也和普通二极管一样 管芯由PN结构成 具有单向导电性 光电二极管的管壳上有一个能射入光线的 窗口 这个窗口用有机玻璃透镜进行封闭 入射光通过透镜正好射在管芯上 二 特殊二极管 光电二极管 三 直流稳压源电路 二极管的应用非常广泛范围很广 利用它的单向导电性和正向导通 反向截止 反向击穿 稳压管 等工作状态 可以组成各种应用电路 下面介绍其在直流稳压源中的应用 直流稳压电源的组成 滤波电路 整流电路 稳压电路 负载 变压器 交流电源 各部分电路输出波形 将电源的交流电变成直流电压或电流 uo t o t o t o t o 2 3 uo u2 u2 u1 uD io io RL Tr 2 3 Im 2 2 3 3 uD VD u2正半周 负 整流电路 一 单相半波整流电路1 电路图 2 工作原理 1 t 0 时 u2 D在正向电压作用下而导通 u0 u2 2 t 2 时 u2 D因承受反向电压而截止 u0 0 3 有关计算 1 负载上的电压平均值和电流平均值 即直流值 直流电压是指一个周期内脉动电压的平均值 即 流过负载RL上的直流电流为 2 二极管 ID I0 选管时 IOM ID URM UDrm 例1 一单相半波整流电路 已知负载电阻RL 600 变压器副边电压有效值U2 40V 求 负载上电流和电压的平均值及二极管承受的最大反向电压 解 U0 0 45U2 0 45 40 18V mA V 二 单相桥式全波整流电路 2 工作原理 1 t 0 时 u2 VD1 VD3在正向电压作用下而导通 VD2 VD4因承受反向电压而截止 u0 u2 2 t 2 时 u2 VD2 VD4在正向电压作用下而导通 VD1 VD3因承受反向电压而截止u0 u2 VD1 VD2 VD4 VD4 u O u 1 u 2 R L Tr i0 1 电路图 D1和D3导通 D2和D4截止 相当于开路 u2 Tr u1 RL u0 i0 u2正半周 VD4 VD3 VD2 VD1 D2和D4导通 D1和D3截止 相当于开路 u2 Tr u1 RL VD4 VD3 VD2 uo io u2负半周 VD1 工作波形 uD2uD4 uo uD t t u2 uD1uD3 4 计算 1 整流电压平均值Uo 2 整流电流平均值Io 3 二极管 选管时 IOM ID URM UDrm 4 特点 桥式整流电路与半波整流电路相比 电源利用率提高了1倍 同时输出电压波动小 因此桥式整流电路得到了广泛应用 电路的缺点是二极管用得较多 电路连接复杂 容易出错 为了解决这一问题 生产厂家常将整流二极管集成在一起构成桥堆 简化画法 整流桥 把四只二极管封装在一起称为整流桥 已知负载电阻RL 100 负载工作电压UL 45V 若采用桥式整流电路 试选择整流二极管的型号 解 变压器副边电压有效值为 二极管承受最高反压为 二极管的平均电流为 可选择2CZ54C型整流二极管 URM 100V IFM 0 5A 例 V A 225mA 滤波电路 1 滤波的概念 是一种只允许直流电流通过 而交流电流很难通过的电路 将脉动的直流电变为较平滑的直流电 2 组成 一般由电容 电感等元件组成 能量观点 L C都是储能元件 阻抗观点 L 通直阻交 因此串联在负载电路中 C 通交阻直 因此并联在负载电路中 3 滤波作用原理 任何一个单一方向的周期性变化的脉动电压或电流均可分解为一个直流分量 一个基波分量和许多高次谐波 因此只要用一种电路 把脉动电压 电流 中的交流分量滤去 这样便可得到平滑的直流电 用滤波电路来实现 半波整流电容滤波电路的外特性 UDrm 有关计算 U0 U2I0 U0 RLID I0UDrm 电容充电 电容放电 io 电容滤波 半波整流电容滤波电路 电容充电 电容放电 二极管导通时给电容充电 二极管截止时电容向负载放电 1 电路组成和工作原理 u2 Tr u1 RL D1 D4 D3 D2 uo io uC 滤波后输出电压uo的波形变得平缓 平均值提高 电容滤波 桥式整流电容滤波电路 2 波形及输出电压 当RL 时 当RL为有限值时 通常取 RC越大UO越大 RL 为获得良好滤波效果 一般取 T为输入交流电压的周期 UO 1 2U2 3 输出特性 输出电压随输出电流的增大而明显降低 带负载能力差 一般用于负载电流较小且变化不大的场合 电容滤波 优点 电路简单 输出直流电压较高 纹波较小 缺点 带负载能力差 单相桥式电容滤波整流 交流电源频率f 50Hz 负载电阻RL 40 要求直流输出电压UO 20V 选择整流二极管及滤波电容 解 1 选二极管 电流平均值 承受最高反压 选二极管应满足 IF 2 3 ID 可选 2CZ55C IF 1A URM 100V 或1A 100V整流桥 2 选滤波电容 可选 1000 F 耐压50V的电解电容 稳压管构成的稳压电路 图中R为限流电阻 用来限制流过稳压管的电流 RL为负载电阻 由于稳压管工作在其反向特性端 因而在反向击穿的情况下可以保证负载两端的电压在一定的范围内基本保持不变 2 工作原理 UO UZIR IO IZ RL IO IR 设UI一定 负载RL变化 UO UZ IZ 1 电路 限流调压 稳压电路 2 工作原理 UO UZIR IO IZ UI UZ 设负载RL一定 UI变化 IZ IR 1 电路 1 UZ UO 2 IZM 1 5 3 IoM 3 UI 2 3 UO 4 为保证稳压管安全工作 为保证稳压管正常工作 适用场合 适用于负载电流较小的场合 因为IL大 I大 IR大 U0相应的小 UZ小 起不到稳压作用 注意 1 在稳压电路中 稳压管应工作在反向击穿区 2 使用稳压管时必须串联电阻 问题讨论 利用稳压管的正向压降是不能进行稳压的 因为稳压管的正向特性与普通二极管相同 正向电阻非常小 工作在正向导通区时 正向电压一般为0 6V左右 此电压数值一般变化不大 一 晶体三极管 小功率晶体管 大功率晶体管 第二节晶体三极管 晶体管三极管内有两种载流子 自由电子和空穴 参与导电 故称为双极型三极管 或BJT BipolarJunctionTransistor BJT有两种类型 NPN晶体管 正极性晶体管PNP晶体管 负极性晶体管 两种晶体管在电路中形成互补 NPN晶体管 PNP晶体管 互补复合晶体管 双极型晶体管的基本结构和类型 双极型晶体管是由两个背靠背 互有影响的PN结构成的 在工作过程中两种载流子都参与导电 所以全名称为双极结型晶体管 双极结型晶体管有三个引出电极 人们习惯上又称它为晶体三极管或简称晶体管 晶体管的种类很多 按照频率分 有高频管 低频管 按照功率分 有小 中 大功率管 按照半导体材料分 有硅管 锗管等等 双极性三极管的基本结构和电流放大作用 NPN型 PNP型 C P N N N P P E E B B 发射区 集电区 基区 基区 基极 发射极 集电结 发射结 发射结 集电结 集电区 发射区 集电极 集电极 C 发射极 基极 晶体管的电流放大原理 IE IB RB UBB IC UCC 输入电路 输出电路 公共端 晶体管具有电流放大作用的外部条件 发射结正向偏置 集电结反向偏置 NPN管 UBE 0UBCVB VE RC B C E 共发射极放大电路 三极管的电流控制原理 UBB RB IB IC UCC RC N P IE N 发射区向基区扩散电子 电源负极向发射区补充电子形成发射极电流IE 电子在基区的扩散与复合 集电区收集电子 电子流向电源正极形成IC EB正极拉走电子 补充被复合的空穴 形成IB 由上所述可知 由于基区很薄且掺杂浓度小 电子在基区扩散的数量远远大于复合的数量 即 IC IB或 IC IB 当基极电路由于外加电压或电阻改变而引起IB的微小变化时 必定使IC发生较大的变化 即三极管的基极电流对集电极电流具有控制作用 特性曲线和主要参数 1 输入特性曲线 IB f UBE UCE 常数 UCE 1V UBE V IB A O O 2 晶体管输出特性曲线 IC f UCE IB 常数 IB减小 IB增加 UCE IC IB 20 A IB 60 A IB 40 A 晶体管输出特性曲线分三个工作区 UCE V IC mA 80 60 40 0 IB 20 A O 2 4 6 8 1 2 3 4 截止区 饱和区 放大区 晶体管三个工作区的特点 放大区 截止区 饱和区 发射结正偏 集电结反偏 有电流放大作用 IC IB 输出曲线具有恒流特性 发射结 集电结处于反偏 失去电流放大作用 IC 0 晶体管C E之间相当于开路 发射结 集电结处于正偏 失去放大作用 晶体管C E之间相当于短路 例1 测量到硅BJT管的三个电极对地电位如图试判断三极管的工作状态 放大 截止 饱和 例2 判断下列硅BJT的工作状态 解 a 发射结反偏 集电结正偏 管子截止 b 发射结正偏 集电结反偏 管子放大 c 发射结正偏 集电结正偏 管子饱和 d 发射结正偏 集电结反偏 管子放大 3 主要参数 集电极基极间反向饱和电流ICBO 集电极发射极间穿透电流ICEO ICEO 1 ICBO 交流电流放大系数 IC IB 集电极最大允许电流ICM 集 射反向击穿电压U BR CEO 集电极最大允许耗散功率PCM 过压区 过流区 安全工作区 过损区 PCM ICUCE UCE V U BR CEO IC mA ICM O 使用时不允许超过这些极限参数 电路组成 1 合理的直流偏置电路 发射结正偏 集电结反偏 直流电源 2 能使交流信号有效的输入 输出 基极电阻 输入电容 集电极电阻 三极管 电流放大 输出电容 二 基本放大电路 负载 信号源 IB IC UBE UCE直流分量 ib iC ube uce交流分量 iB iC uBE uCE总量 Ib IC Ube Uce交流分量有效值 直流通路 电容开路 直流通路和交流通路 交流通路 电容短路直流电源短路 静态分析 静态分析内容 在直流电源作用下 确定三极管基极电流 集电极电流和集电极与基极之间的电压值 IB IC UCE 静态分析方法 静态估算法 直流通路 UCC RBIB UBE UCC UCE RCIC IC IB UCE UCC RCIC 动态分析任务 在静态值确定后 当接入变化的输入信号时 分析电路中各种变化量的变动情况和相互关系 动态分析 从输入回路看当信号很小时 将输入特性在小范围内近似线性 uBE 对输入的小交流信号而言 三极管相当于电阻rbe rbe从几百欧到几千欧 1 三极管的微变等效电路 从输出回路看 所以 1 输出端相当于一个受ib控制的电流源 2 考虑uCE对iC的影响 输出端还要并联一个大电阻rce rce的含义 rce很大 一般忽略 c b e 三极管的微变等效电路 微变等效电路 ic 三极管的微变等效电路 由于rce阻值比输出端的负载大很多 通常可视为开路 从而得到简化的微变等效电路 三极管的微变等效电路只能用来分析放大电路变化量之间的关系 三极管简化的微变等效电路 先画出放大电路的交流通路 将交流通路中的三极管用其微变等效电路来代替 1 电压放大倍数 1 带负载时的电压放大倍数 2 不带负载时的电压放大倍数 2 放大电路的输入电阻 对基本放大电放大电路 Ui rbe Ib Ib Ic RC RB Ii 3 放大电路的输出电阻 对负载而言 放大电路相当于一个具有內阻的信号源 信号源的內阻就是放大电路的输出电阻 RS 放大电路 可用外加电压法求ro U rbe Ib Ib Ic RC RB Uo RL US Ii RS 三 静态工作点的调整对放大电路性能的影响 当Q点设计在交流负载线的中点 满激励时获得最大输出电压VOM 最大输出电压振幅 VOM VCC VCEQ Q点过低 vi过大时 信号进入截止区产生截止失真 截止失真信号波形 最大输出电压振幅 VOM VCC VCEQ 截止失真造成输出信号正半周削顶 Q点过高 vi过大时 信号进入饱和区产生饱和失真 饱和失真信号波形 最大输出电压振幅 VOM VCEQ VCES 饱和失真造成输出信号负半周削顶 为了保证放大电路的稳定工作 必须有合适的 稳定的静态工作点 但是 温度的变化严重影响静态工作点 对于前面的电路 固定偏置电路 而言 静态工作点由UBE 和ICEO决定 这三个参数随温度而变化 温度对静态工作点的影响主要体现在这一方面 1 静态工作点的漂移 IB 80 A IB 60 A IB 40 A IB 20 A Q1为25 C时的静态工作点 Q2为65 C时的静态工作点 静态工作点的稳定电路 温度升高时 静态工作点将沿直流负载线上移 常采用分压式偏置电路来稳定静态工作点 稳定静态工作点的物理过程 温度升高 IC IE UE VB UE IB IC 2 分压式偏置电路 UBE 把输出量引回到输入回路改善电路的某种性能的措施称为反馈 I1 四 放大电路中的负反馈 1 反馈的基本概念 反馈就是指放大电路输出信号的一部分或全部 通过反馈网络 或的 回送到输入端的过程 能使净输入信号增强的反馈称为正反馈 使净输入信号削弱的反馈称为负反馈 放大电路中普遍采用的形式是负反馈 2 负反馈的基本类型及其判别 按照反馈网络与基本放大电路在输出 输入端的连接方式不同 负反馈电路具有4种典型反馈形式 电压串联负反馈 电压并联负反馈 电流串联负反馈 电流并联负反馈 判断是电压反馈还是电流反馈的方法 判断是电压反馈还是电流反馈时 常用 输出短路法 即假设负载短路 RL 0 使输出电压uo 0 看反馈信号是否还存在 若存在 则说明反馈信号与输出电压成比例 是电压负反馈 若反馈信号不存在了 则说明反馈信号不是与输出电压成比例 而是和输出电流成比例 是电流负反馈 判断是串联负反馈还是并联负反馈 判断是串联负反馈还是并联负反馈主要是根据反馈信号 原输入信号和净输入信号在电路输入端的连接方式和特点 判断方法有两种 1 若反馈信号和输入信号是在输入端以电流方式求和的 则为并联负反馈 若反馈信号和输入信号是在输入端以电压方式求和的 即为串联负反馈 2 将输入信号交流短路后 若反馈信号消失了 则为并联反馈 否则为串联反馈 3 负反馈对放大电路性能的影响 电路中引入负反馈后 一般造成电压放大倍数的下降 反馈电压IeRe越大 电压放大倍数下降越多 虽然负反馈引起Au下降 但换来的却是放大电路稳定性的提高 提高放大电路的稳定性 是放大电路中至关重要的一个环节 既然负反馈具有稳定放大电路的作用 当然信号频率的变化引起的电压放大倍数的变化也将减小 即引入负反馈可扩展放大电路的通频带 当输入正弦信号的幅度较大时 输出波形引入负反馈后 将使放大电路的闭环电压传输特性曲线变平缓 线性范围明显展宽 在深度负反馈条件下 若反馈网络由纯电阻构成 则闭环电压传输特性曲线在很宽的范围内接近于直线 即负反馈可减小放大电路的非线性失真 负反馈能抑制反馈环内的噪声和干扰 电压负反馈使输出电阻减小 电流负反馈使输出电阻增加 1 集成运算放大器概述 集成运算放大器是一种高电压增益 高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路 它的类型很多 电路也不一样 但结构具有共同之处 一般由四部分组成 五 集成运算放大器 输入级一般是差动放大器 利用其对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和电路性能 输入级有反相输入端 同相输入端两个输入端 中间级的主要作用是提高电压增益 一般由多级放大电路组成 输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成 以降低输出电阻 提高带负载能力 偏置电路是为各级提供合适的工作电流 此外还有一些过载保护电路及高频补偿环节等辅助环节 集成电路的几种外形 左图所示为 A741集成运算放大器的芯片实物外形图 从实物外形图上可看出 A741集成运放有8个管脚 管脚的排列图 电路图符号如下 空脚 正电源端 输出端 调零端 调零端 反相输入端 同相输入端 负电源端 集成运放的电路图符号 外部接线图 2 集成运算的主要技术指标 1 开环电压放大倍数Au0 指集成运放工作在线性区 接入规定的负载 无负反馈情况下的直流差模电压增益 集成运放的Au0一般很高 约为104 107 集成运放的差动输入电阻很高 可高达几十千欧和几十兆欧 由于运放总是工作在深度负反馈条件下 因此其闭环输出电阻很低 约在几十欧至几百欧之间 2 差模输入电阻ri和输出电阻r0 指运放两个输入端能承受的最大共模信号电压 超出这个电压时 运放的输入级将不能正常工作或共模抑制比下降 甚至造成器件损坏 4 最大共模输入电压Uicmax 3 共模抑制比KCMR集成运放对共模信号的抑制能力 3 理想集成运算及其传输特性 Auo ri r0 0 KCMR 根据集成运放的实际特性和理想特性 可画出相应的电压传输特性 为简化分析过程 同时又能满足实际工程的需要 常把集成运放理想化 集成运放的理想化参数为 电压传输特性给出了集成运放开环时输出电压与输入电压之间的关系 可以看出 当集成运放工作在线性区 U0M U0M 时 其实际特性与理想特性非常接近 由于集成运放的电压放大倍数相当高 即使输入电压很小 也足以让运放工作在饱和状态 使输出电压保持稳定 线性区 饱和区 输出 输入电压的关系 根据集成运放的理想化条件 可以导出两个结论 作为集成运放在线性区工作的重要分析依据 1 虚断 由ri 得i i 0 即理想运放内部不需要向信号源索取任何电