助听器的设计与制作1

1,电子电路调试与应用,项目二助听器的设计与制作,模拟电路部分,2,课前导读：,任何助听器都包括6个基本结构：1听筒（传声器或麦克风）接收声音并把它转化为电波形式，即把声信号转化为电信号。2放大器放大电信号（晶体管放大电路）3耳机把电信号转化为声信号。4耳模（耳塞）置入外耳道。5音量控制开关6电源供放大器用的电池。,3,电子电路调试与应用,助听器电路结构图,模拟电路部分,常用半导体器件2晶体管,晶体三极管，是最常用的基本元器件之一。晶体三极管的主要作用是电流放大，它是电子电路的核心元件，现在的大规模集成电路的基本组成部分也就是晶体三极管。,课前导读：,晶体管的基本特性,1.1晶体管的结构类型与特性,1.2晶体管的特性曲线,1.3晶体管的主要参数,1.1晶体管的结构类型与特性,1.1.1晶体管的结构类型,1.1.2晶体管的放大作用和载流子的运动,1.1.3用万用表判断晶体管的类型,双极型结型三极管(BJT),又称半导体三极管，简称为三极管或晶体管。,(BipolarJunctionTransistor),三极管的外形如下图所示。,图3.1.1三极管的外形,图3.1.2三极管结构示意图和符号,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极c,基极b,发射极e,具有了不同于单个PN结的特性,三极管有两种类型：NPN和PNP型。,(a)NPN型,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极c,发射极e,基极b,三极管内部结构要求：,1.发射区高掺杂。,2.基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少。,3.集电结面积大。,平面型(NPN)三极管制作工艺,在N型硅片(集电区)氧化膜上刻一个窗口，将硼杂质进行扩散形成P型(基区)，再在P型区上刻窗口，将磷杂质进行扩散形成N型的发射区。引出三个电极即可。,以NPN型三极管为例讨论,图3.1.4三极管中的两个PN结,三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。,不具备放大作用,三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。,UCUBUE,1.三极管中载流子运动过程,1.发射发射区的电子越过发射结扩散到基区，基区的空穴扩散到发射区形成发射极电流IE(基区多子数目较少，空穴电流可忽略)。,2.复合和扩散电子到达基区，少数与空穴复合形成基极电流IB，复合掉的空穴由VBB补充。,多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。,1.三极管中载流子运动过程,3.收集集电结反偏，有利于收集基区扩散过来的电子而形成漂移电流ICE。其能量来自外接电源VCC。,另外，集电区的少子(空穴)和基区少子（电子）在外电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流，用ICBO表示。,ICE,2.三极管的电流分配关系,IEp,ICBO,IE,IC,IB,IEn,IBE,ICE,IC=ICE+ICBOICE,IE=IEN+IEp=ICE+IBE+IEpICE+IBE=IC+IB,IB=IBE-ICBO+IEpIBE-ICBOIBE,IEp,ICBO,IE,IC,IB,IEn,IBE,ICE,由三极管的内部结构决定：从发射区注入到基区的电子只有很少一部分在基区复合掉（IBE），较大的电子流部分形成ICE,=ICE/IBE,称为本征电流放大系数,3.三极管的电流放大作用,同时由于集电结反偏，少子在电场的作用下形成了漂移电流ICBO,ICBO,1.发射区向基区扩散空穴，形成发射极电流,2.空穴在基区扩散和复合，形成了基区复合电流ICB,3.集电极收集从发射区扩散到基区的空穴，形成了电流ICE,电流之间的分配关系,IB=IBC-ICBO,IC=ICE+ICBO,IE=IB+IC,PNP型三极管为例,三极管若实现放大，必须从三极管内部结构和外部所加电源的极性来保证。,外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。,三极管内部结构要求：1.发射区高掺杂。2.基区做得很薄，掺杂较少。,3.集电结面积大。,总结：,三极管的电流分配关系,1.任何一列电流关系符合IE=IC+IB，IB0时，这个电压有利于将发射区扩散到基区的电子收集到集电极。,*特性右移(因集电结开始吸引电子),UCE1时的输入特性具有实用意义。,*UCE1V，特性曲线重合。,三极管共射特性曲线测试电路,三极管的输入特性,UCE=1V,UCE=0V时，IB与UBE的关系曲线与二极管的正向伏安特性相似，（此时，相当于两个二极管正向并联接在b、e间）；UCE从0增加到1V时，曲线右移显著；当UCE1V后，IB与UBE的关系曲线几乎重叠在一起，故输入特性通常用UCE=1V时的一条曲线来表示即可。,UCE=1V,一、输入特性,一、输入特性曲线的应用,如图所示，VCC=15V，=100。试问：Rb=50k时，IB=?,二、输出特性,图NPN三极管的输出特性曲线,划分三个区：截止区、放大区和饱和区。,1.截止区IB0的区域。,条件：发射结反偏，集电结反偏。,IB=0时，IC=ICEO很小，叫做穿透电流。硅管约等于1A，锗管约为几十几百微安。,截止区,2.放大区：,条件：发射结正偏集电结反偏,特点：各条输出特性曲线比较平坦，近似为水平线，且等间隔。,二、输出特性,放大区,集电极电流和基极电流体现放大作用，即,放大区,放大区,图NPN三极管的输出特性曲线,对NPN型管，UCUBUE,3.饱和区：,条件：两个结均正偏,对NPN型管，UCEUBE,特点：IC基本上不随IB而变化，在饱和区三极管失去放大作用。ICIB。,当UCE=UBE时，称临界饱和，UCEUBE时称为过饱和。,饱和管压降UCES10k；3.Au=200；4.答辩(制作PPT进行过程描述：包含设计步骤；遇到的问题是怎么解决的)。,参考设计步骤：1.确定电路模型；2.根据放大倍数，确定rbe等；3.确定ICQ.IBQ；4.确定电阻值；5.电路仿真。,184,任务书：小信号放大电路的设计,答辩要求：1.制作PPT进行过程描述：包含设计步骤；遇到的问题是怎么解决的。2.过程分为学生讲解和答辩两部分，讲解限时6分钟，答辩分为9分钟，共计15分钟；3.每组选出一名同学进行讲解，组成员共同答辩。,计分规则：1.团队共同得分降分制；2.7个团队，评价最高者得20分，第二名递减4分，直至为0分；3.若团队中出现一名打酱油成员，扣除团队分4分，扣分依次递增；4.每队成员至少7人，人数不封顶。,185,助听器电路结构图,186,由一只三极管组成的基本放大电路，Au,一般为几十数百倍，在实际工作中，这样的,放大倍数往往是不够的，为此常常需要把若干,个基本放大电路串联起来，组成多级放大器。,187,1、多级放大电路之间相互连接的问题，也就是耦合方式的问题。2、多级放大电路的分析计算（静态和动态）问题。,多级放大电路需要讨论两方面的问题：,耦合,为获得足够大的放大倍数，需将单级放大器串接，组成多级放大器,188,耦合方式：阻容耦合；直接耦合；变压器耦合；光电耦合。,耦合：输入和输出之间的连接方式。,多级放大电路对耦合电路要求：,1.静态：保证各级Q点设置,2.动态:传送信号。,要求：波形不失真，减少压降损失。,189,1、阻容耦合两级放大电路,特点：,（1）各级放大电路的静态工作点相对独立，互不影响，利于放大器的设计、调试和维修。（2）阻容耦合方式电路的低频特性差，不适合放大直流及缓慢变化的信号。,用途：交流电压放大器,190,Task6,2、直接耦合,直接耦合两级放大电路,直接耦合电路的特点：,（1）低频率特性好，可以放大直流、交流及缓慢变化的信号。（2）电路中无大的耦合电容，便于集成化。（3）各级放大电路的静态工作点互相影响，不利于电路的设计、调试和维修。,用途：直流放大器；集成电路。,191,Task6,3、变压器耦合,变压器耦合两级放大电路,特点：,（1）各级的静态工作点彼此独立，互不影响，有利于放大器的设计、调试和维修。（2）可以实现电压、电流和阻抗的变换，易获得较大的输出功率。（3）输出温度漂移较小。（4）低频和高频特性均差，不适合放大直流及缓慢变化的信号，只能传递具有一定频率的交流信号。（5）变压器耦合电路体积和重量都比较大，不便于集成。,用途：功率放大器。,192,Task6,4.光电耦合,前后级之间利用光电耦合器件耦合的方式称为光电耦合。,其特点为：,（1）前后级静态工作点相互独立，互不影响。（2）便于集成。（3）受温度影响较大。,193,助听器电路结构图（阻容耦合和直接耦合）,判断该电路的耦合方式,194,多级放大器的动态计算,1.多级放大器的电路结构,计算原则：()多级放大器中，前一级的输出电压是后一级的输入电压，即Uo1=Ui2；()后一级的输入电阻是前一级的负载电阻RL。，即RL1=Ri2,195,2.电压增益的计算,推广至n级：,多级放大器总的电压增益等于组成它的各级单管放大电路电压增益的乘积。,196,3.输入电阻的计算,4.输出电阻的计算,197,设:1=2=50,rbe1=2.9k,rbe2=1.7k,例题1：,198,1.电压放大倍数:,199,2.Ri=R1/rbe1+（+1)RL1,其中:RL1=RE1/Ri2=RE1/R2/R3/rbe2=RE1/RL1=RE1/Ri2=27/1.71.7k,Ri=1000/(2.9+511.7)89.6k,3.Ro=RC2=10k,200,例2：放大电路由下面两个放大电路组成。已知EC=15V，R1=100k，R2=33k，RE1=2.5k，RC=5k，1=60，；RB=570k，RE2=5.6k，2=100，RS=20k，RL=5k,201,求直接采用放大电路1的放大倍数Au和Aus。若信号经放大电路1放大后，再经射极输出器输出，求放大倍数Au、ri和ro。若信号经射极输出器后，再经放大电路1后输出，求放大倍数Au和Aus。,202,ri=R1/R2/rbe=1.62k,(1)放大倍数与负载的大小有关。例：RL=5k时,Au=-93；RL=1k时,Au=-31。(2)由于RS大，而ri小，致使放大倍数降低；,求直接采用放大电路1的放大倍数Au和Aus。,203,2.若信号经放大电路1放大后，再经射极输出器输出，求放大倍数Au、ri和ro。,rbe2=2.36k,rbe1=1.62k,ro1=RC=5k,204,你的出什么结论？放大倍数增加,205,讨论：带负载能力。,2.输出不接射极输出器时的带负载能力：,RL=5k时：Au=-93RL=1k时：Au=-31,即：当负载电阻由5k变为1k时，放大倍数降低到原来的92.3%,放大倍数降低到原来的30%,RL=5k时：Au1=-185，Au2=0.99，ri2=173k,RL=1k时：Au1=-174，Au2=0.97，ri2=76k,1.输出接射极输出器时的带负载能力：,206,3.若信号经射极输出器后，再经放大后放大电路1输出，求放大倍数Aus。,Au2=-93ri2=1.52k,Au1=0.98ri=101k,207,输入不接射极输出器时：,可见，输入接射极输出器可提高整个放大电路的放大倍数Aus。,208,多级阻容耦合放大器的特点：,(1)由于电容的隔直作用，各级放大器的静态工作点相互独立，分别估算。(2)前一级的输出电压是后一级的输入电压。(3)后一级的输入电阻是前一级的交流负载电阻。(4)总电压放大倍数=各级放大倍数的乘积。(5)总输入电阻ri即为第一级的输入电阻ri1。(6)总输出电阻即为最后一级的输出电阻。,209,复合晶体管是由两个或两个以上的晶体管按照一定连接方式组成的等效晶体管。复合管在实际应用中可以改变放大电路的某些性能，例如：提高放大电路的电流放大倍数；增大放大电路的输入电阻等。,210,T1、T2构成复合管（达林顿管),211,A、复合管的管型与第一只管子V1相同。因为V1的基极电流决定了复合管的基极电流方向。IB流入复合管为NPN，反之为PNP。B、复合管的12。,复合管等效的特点,212,C、如果V1的发射极接V2，则V2相当于V1的射极电阻，复合管的输入电阻：rbe=rbe1+（1+1）rbe2如果V1的集电极接V2，此时的V2相当于V1的集电极电阻，复合管的输入电阻：rbe=rbe1,复合管等效的特点,213,几种典型复合管复合形式,（a）、(d)等效为NPN管;（b）、(c)等效为PNP管,214,在实际应用中，放大器所放大的信号并非单一频率，例如，语言、音乐信号的频率范围在2020000Hz，图像信号的频率范围在06MHz，还有其它范围。所以，要求放大电路对信号频率范围内的所有频率都具有相同的放大效果，输出才能不失真地重显输入信号。,215,但是，实际电路中存在的电容、电感元件及三极管本身的结电容效应，对交流信号都具有一定的影响。所以，对不同频率具有不同的放大效果。因这种原因所产生的失真称为频率失真。频率响应曲线分为：幅频特性和相频特性。,216,阻容耦合电路中，由于耦合电容、旁路电容和极间电容的影响，其频率特性一般近似地分为三个频段来分析。,低频段,中频段,高频段,低频段,管子极间电容可视为开路，耦合电容和旁路电容的容抗增大使得低频段的放大倍数下降，这时，放大器实际上是一个高通滤波器。,高频段,器件的极间电容的容抗变小，分流的作用增大，因而使放大倍数下降，这时，放大器实际上是一个低通滤波器。,通频带,217,引起低频区放大倍数下降的原因是由于耦合电容C1、C2及Ce的容抗随频率下降而增大所引起。为什么直接耦合放大电路低频特性好？,218,高频区放大倍数的下降原因是由于三极管结电容和杂散电容的容抗随频率增加而减小所引起。结电容通常为几十到几百皮法，杂散电容也不大，因而频率不高时可视为开路。在高频时输入的电流被分流，使得IC减小，输出电压降低，导致高频区电压增益下降。,高频通路,219,Task6,多级放大电路的频率特性,多级放大电路的频率特性可由单级放大电路频率特性的叠加得到。,两级放大电路的幅频响应,电压放大倍数：,信号总的相位移：,220,由图可见，多级放大电路虽然提高了中频区的放大倍数，但通频带变窄了，这是一个重要的概念。理论上：同频带的宽度与电压增益的乘积是一个常数。,多级放大电路的频率特性,221,Task6,本课题小结,1.基本放大电路的三种组态，即共射极、共集电极和共基极电路。放大电路正常放大的前提条件是外加电源电压的极性要保证晶体管的发射极正偏，集电结反偏。有合适的静态工作点。,2.正常工作时，放大电路处于交、直流共存状态。晶体管各电极的电压和电流瞬时值是在静态值的基础上叠加交流分量，但瞬时值的极性和方向始终固定不变。放大电路放大的实质是实现小能量对大能量的控制和转换作用，但放大仅仅是对交流分量而言。,3.基本放大电路的分析方法有两种：一是图解分析法，二是微变等效电路分析法。图解分析法直观方便，主要用来分析静态工作点Q的位置是否合适；非线性失真和最大不失真输出电压等。微变等效电路分