电工学第六章VIP

1、安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（首页）科室: 教务科 授课时间：课程名称煤矿电工学学时分配总学时: 57讲 授: 课程类别必修课( ) 选修课( ) 公选课( )实 验:授课专业井下电钳工授课班级50班课堂讨论: 任课教师徐雪颖职 称习 题 课: 2选用教材煤炭工业出版社机 动:教学目的要求教学重点难点重点: 晶体二极管和三极管；体管低频小信号放大器难点: 功率、直流、集成运算器放大器；正弦波振荡器参考书目学 校审 阅意 见负责人 年 月 日安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（内页）授 课 章 节 第六章 晶体管放大和振荡电路 教 学 目 的 了解半导体基本知识，晶体二极管、三极管；掌握功率、

2、直流、集成运算器放大器等。重 点 与 难 点教学重点晶体二极管、三极管教学难点掌握功率、直流、集成运算器放大器教 学 方 法讲授法、讲练结合教 学 手 段口述教 学 过 程时 间 分 配教 学 内 容学时数半导体基本知识1晶体二极管、三极管2功率、直流、集成运算器放大器2正弦波振荡器1教学过程设计复习提问 讲授新课 组织教学 课堂小结 引入新课 布置作业 实 验无思考题及作业题课后习题教 后 感安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（附页）教 学 内 容教法提示及备注第一节 半导体基本知识一、半导体的导电性 我们把自然界中导电能力介于导体和绝缘体之间的一类物质称为半导体。常见的半导体材料有硅和锗。1

3、. 本征半导体纯净的、不含任何杂质的半导体称为本征半导体，它是制造半导体器件的基本材料。以硅为例说明其内部结构特征。2. 杂质半导体的导电性能由于本征半导体在常温下载流子的浓度很低，导电能力差。若在本征半导体中掺入微量的（杂质）元素，其导电能力会发生显著变化。这种掺有杂质的半导体称为杂质半导体。1） N型半导体在硅（或锗）晶体中掺入微量的五价元素，如磷等，由于每个磷原子最外层有5个价电子，其中4个价电子分别与相邻的4个硅原子组成4个共价键，多余的1个价电子处在共价键之外，只受自身磷原子核吸引，这种吸引力比较微弱，在室温下即可挣脱原安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（附页）教 学 内 容教法提示及

4、备注2） P型半导体在硅晶体中掺入微量的三价元素，如硼等，由于硼原子最外层只有3个价电子，当它与周围的硅原子组成共价键时，因为缺少一个价电子而形成一个空位。由于掺入的每个硼原子都能提供一个空穴载流子，其浓度远大于由于热激发而产生的自由电子数，所以空穴成为多数载流子，自由电子成为少数载流子。这种半导体主要依靠空穴载流子导电，所以称为空穴型半导体或P型半导体。由于空间电荷区中N区带正电，P区带负电，正负电荷在交界面附近形成内电场，其方向由N区指向P区。内电场方向与多子扩散运动的方向相反，一方面它将阻碍多子的扩散，另一方面促使了P区和N区中的少子的漂移运动。显然，漂移作用和扩散作用是相反的，形成动态

5、平衡。2.PN结的单向导电性1）外加正向电压PN结导通将P区接电源正极，N区接电源负极，此时，加在PN结上的电压叫正向电压，或叫正向偏置。第 页安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（附页）教 学 内 容教法提示及备注第二节 晶体二极管一、 晶体二极管的结构和分类 晶体二极管简称为二极管，是一种最简单的电子器件。它内部结构中有一个PN结，由P区引出的电极称为阳极，N区引出的电极称为阴极。 晶体二极管的分类：根据PN结的结构特点，二极管可分为点接触型和面接触型两大类。按照不同的功能和用途，二极管可分为：普通二极管；整流二极管；开关二极管；稳压二极管。 根据制作材料来分，有硅二极管和锗二极管。二、 晶体

6、二极管的伏安特性和主要参数1. 二极管的伏安特性二极管最重要的性能就是单向导电性。这种特性可通过二极管的电流随两端电压而变化的伏安特性来表示。1） 正向区当二极管两端外加正向电压U较小时，由于外电场还不足以克服PN结内电场对多子扩散的阻碍作用，二极管的正向电流几乎为零；当正向电压增大第 页安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（附页）教 学 内 容教法提示及备注到某一值以后，PN结的内电场被大大削弱，于是正向电流随着外加电压的增长呈指数规律迅速上升。工作在正向区的二极管，在电路中相当于一个开关的导通（闭合）状态。2）反向区当二极管的两端外加反向电压小于一定值时，二极管的反向电流很小，且不随反向电压的

7、变化而变化。2） 反向击穿区若反向电压继续增大，反向电流突然上升，即二极管发生了反向击穿现象，此时所对应的反向电压称为反向击穿电压。2. 二极管的主要参数1） 最大整流电流它表示二极管长期工作时，所允许流过的最大正向平均电流。2） 最高反向工作电压它是指允许加在二极管上的最大反向电压的峰值。三、 晶体二极管的简易判别 在使用二极管时，必须注意极性不能接错，否则第 页安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（附页）教 学 内 容教法提示及备注电路不仅不能正常工作，甚至可能烧毁管子和其他元件。因此，在使用前需要判别它的正、负极和质量。可以根据二极管的单向导电性，用万用表很方便地来简单判断管子的质量和管脚的

8、极性。1. 判断二极管的极性用万用表R×100档或R×1K档，测量二极管的正反向电阻。若二极管是好的，总会测得一大一小两个阻值。由于万用表的红表笔接表内电池负极，黑笔接表内电池正极，而二极管正向偏置时阻值较小，当测得阻值较小时，黑表笔所接的是二极管正极，红表笔所接的是二极管负极；反之，当测得阻值很大时，红表笔所接的是二极管正极，而黑表笔接的是二极管的负极。2.判断二极管的好坏：用万用表测二极管正反向电阻，若正向电阻值是几十到几百欧，反向电阻值在几百千欧以上，可以认为二极管是好的；若正反向电阻无穷大，说明管子内部已断路；若反向电阻很小，说明管子内部已短路；若反向电阻比正向电阻

9、大得不多，说明管子质量不佳。第 页安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（附页）教 学 内 容教法提示及备注第三节 晶体三极管一、三极管的基本结构 三极管是在一块P型或N型半导体芯片上制作出两个PN结形成的。根据P型和N型半导体的组合方式不同，三极管分为NPN型和PNP型两种类型。三极管内部有两个PN结分别叫集电结和发射结，它把三极管分为三个区：集电区、基区和发射区；从三个区分别引出三个电极：集电极c、基极b和发射极e。为了实现三极管的放大作用，在制造工艺上具有如下特点：1. 基区做得很薄，且掺杂浓度很低。2. 发射区掺杂浓度非常高。3. 3.集电区掺杂浓度较低，其掺杂浓度比发射区小得多，但集电区的

10、几何面积做得很大，以利于散热。4. 二、三极管的电流放大原理为了是三极管工作在放大状态，需要在发射结上加正向电压，集电结上加反向电压。三极管之所以具有电流放大能力，是因为它有特第 页安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（附页）教 学 内 容教法提示及备注（1）反向饱和电流：是指三极管的发射极开路，集电结反向偏置时，c与b极间出现的反向漏电流，它是由集电区的少子和基区漂移形成的。 （2）穿透电流：是指三极管基极开路时，c与e极间产生的电流。3）极限参数 极限参数是保证三极管安全工作的依据。第 页安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（附页）教 学 内 容教法提示及备注 第四节 晶体管低频小信号放大器所谓放

11、大器（亦称放大电路），就是把微弱的电信号（电压或电流）转变为较强的电信号的电子电路。在电子设备中，放大器的用途十分广泛。晶体管放大器主要有交流放大器和直流放大器两大类。而交流放大器又有低频和高频之分。本节主要介绍低频小信号电压放大器。一、低频放大器的工作原理1、共射基本放大器的组成 由NPN型三极管组成的共射极接法的基本电压放大器如图6-21所示。整个放大器分成输入回路和输出回路两部分。放大器的输入端接输入信号Us；输出端接负载。由于图中三极管的发射极是输入和输出回路公共端，故称为共射极放大器。 现将电路中各元件的作用分述如下： 三极管V：具有电流放大作用，是放大器中的核心器件。 基极偏置电阻

12、Rb：其作用是向三极管的基极提供合适的偏流，并向发身结提供必须的正偏电压。例如：收音机和电视机，需要将天线收到的微弱信号加以放大，使扬声器发出宏亮的声音，使电视屏显示出清晰的图像。第 页安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（附页）教 学 内 容教法提示及备注 集电极电阻Rc：其作用是把三极管电流放大作用以电压放大的形式表现出来。 耦合电容C1和C2：它们分别接在放大器的输入端和输出端。由于电容对直流电呈现的阻抗较大，对交流电呈现的阻抗较小，即具有“隔直流通交流”的特点，一方面可避免放大器输入端和信号源之间，输出端与负载之间直流电的相互影响；另一方面又保证了输入和输出的交流信号畅通地进行传输。基极回

13、路直流电源Eb和集电极回路直流电源Ec：它们的作用是给三极管发射结提供正偏电压UBE，给集电结提供反偏电压UCE，使三极管处于放大工作状态。Ec同时又作为整个放大器的能源。 实际运用中，可将图6-21电路改变成图6-22a形式，即基极回路不再使用单独的电源，而是通过Rb直接取自集电极电源Ec来获得直流基极电压的。此外，画图时往往活力电源的图形符号，而用电位的极性及数值来表示，如图6-22b所示。2、共射基本放大器的工作原理我们知道，在保证三极管发射结正偏、集电结反偏第 页安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（附页）教 学 内 容教法提示及备注这一条件琥，三极管基极电源Ib发生微小的变化Ib会引起I

14、c较大的变化Ic，而且在放大过程中，集电极电源的直流电转变为交流电输出。3、放大器的图解分析法 为了进一步理解放大器的性能和工作原理，下面以三极管的特性曲线为基础，用作图的方法去分析放大器的工作情况，即放大器的图解分析法。1）静态情况下的图解分析 放大器在静态时，电路中电流和电压都是直流量，所以静态分析是根据其直流通路进行的。 直流通路是指静态时，放大器的输入回路和输出回路的直流电流通过的路径。由于电容器对直流相当于断开，所以画直流通路时，将有电容器的支路断开，其它不变。现以图624a所示共射基本放大器为例进行分析，其直流通路如图624b所示。2、 稳定工作点的偏置电路 对于共射极基本放大器，

15、当电源电压和偏置电阻值确定后，I也就基本不变了，故又称之为固定偏置电路。第 页安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（附页）教 学 内 容教法提示及备注第5节 功率放大器 在实际应用中，往往要利用放大后的信号去驱动某种负载工作，例如，扬声器的发音，电动机的转动，仪表指针的偏转等。为了控制这些负载，不仅要求放大器有较大的电压输出，而且要求有较大的电流输出，也就是要求有较大的功率输出。这种以供给负载足够大的信号功率为目的的放大器，通常称为功率放大器。为了获得较高的输出功率和效率，随着功放电路的不断改进，近年来无输出变压器的互补对称式功率放大器得到越来越广泛的应用。这些电路具有非线性失真小、频带宽和易于集

16、成化等优点。因此，这里主要介绍两种常用的典型功率放大电路。一、OTL功率放大电路1、电路组成及工作原理 图638是OTL功率放大器的典型电路。V1和V2管是一对导电类型不同、特性配对一致的功放管。从连接方式看，V1和V2上下对称；两管都接成射极输出，并通过一只大电容C按至负载；两管第 页安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（附页）教 学 内 容教法提示及备注都工作在乙类状态（三极管的静态工作点设置在横轴上）。从导电特性看，V1管是NPN型，它在信号的正半周导通；V2管是PNP型，它在信号的负半周导通。由于两管工作性能对称，互为补偿，所以OTL电路又称为互补对称功放电路。电路工作原理如下： 在电路工

17、作前，首先调整静态工作点，选取合适的R1、R2值，使发射极电位Ue Ec，以保证V1和V2的输出波形对称。 当输入信号Ui为正半周时，V1管处于正向偏置，寻通；V2管处于反向偏置，截止。输出电流Ic1经电源正极V1CRL，回到电源负极，在负载RL上得到放大的正半周输出信号。 同理，当输入信号Ui为负半周时，V2管寻通，V1管截止。输出电流Ic2由电容C正极V2RL，回到电容C负极，则在负载RL上得到放大的负半周输出信号。 由此可见，在信号正负半周变化的过程中，尽管三极管V1、V2工作在乙类状态，但由于两管管型第 页安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（附页）教 学 内 容教法提示及备注相反，参数对

18、称，组成了一对互补管，轮流导通，一“推”一“挽”交替工作，而渡过负载的电流一正一负，因而得到了一完整的信号波形。2、OTL电路的交越失真OTL电路工作在乙类状态，由于两管静态工作点Q设置在IbQ1IbQ20处，因此当输入正弦电压Ui较小时，不足以克服三极管的死区电压。这时正弦信号加到功放管输入端，得到的基极电流波形呈现为如图639所示的钟形，由此引起的集电极电流Ic和集电极电压Uce的波形也都将产生同样的失真。当两只功放管交替工作时，合成的输出电压波形在过零处出现了两个半波衔接不好的间断现象，这种现象称为交越失真。二、OCL互补对称电路 在OTL互补对称电路中，其输出端需要经过一个大电容C再与

19、负载相接，这对于高频信号将会产生相移，影响频率特性。另外大电容不易实现集成化。这了实现直接耦合，可采用不用输出耦合电容的OCL互补对称电路。第 页安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（附页）教 学 内 容教法提示及备注第六节 直流放大器在一些自动控制和检测系统中，需要放大的信号往往是一些随时间缓慢变化的非周期信号（例如，反映温度、压力、转速等变化的信号）。用来放大这种缓慢变化的信号或某个直流量的变化（统称为直流信号）的放大电路称作直流放大器。直流放大器不能采用前面交流放大器的阻容耦合或变压器耦合方式，这两种耦合方式都不能传递直流信号。因此，直流放大器只能采用直接耦合方式，而这又给电路带来一些特殊问

20、题。一、直流放大器的工作特点1、前、后级静态工作点的相互影响 图642a为两级放大器直接耦合电路。由图中可见，V1管的集电极电位即为V2管的基极电位。若V1、V2两管均采用NPN硅管时，则前级的集电极电位将被后级的基极电位强制限定在0.7V左右，于是V1管的静态工作点接近饱和区，不能正常进行放大。为此，直接耦合放大电路必须采取一定措施，第 页安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（附页）教 学 内 容教法提示及备注才能保证既能有效地传递信号，又能使每一级有合适的静态工作点。2、直流放大器的零点漂移 一个理想的直流放大器，当输入信号为零时，其输出电压应保持不变。但由于因素的影响使放大器的静态工作点不稳

21、定而引起静态电压的缓慢变化，经逐级放大后使输出电压出现缓慢的不规则的变化，这种现象称为零点漂移，简称零漂，如图643所示。当放大器输入信号后，这种漂移伴随着信号共存于放大电路中，两者都在缓慢变化，很难分辨。严重时，在输出端得到的零漂电压大到甚至会把输入信号“淹没”，使放大器无法正常工作。在前述的交流放大器中虽然也存在着零漂，但因电容、变压器等耦合元件的隔断，零漂只局限在本级范围内，不会被逐级放大。而直流放大器因采用直接耦合方式，这种漂移会向后逐级被放大，且放大电路的级数越多，放大倍数越高，零点漂移现象就越严重。其中，第一级的零漂产生的影响最大。 引起零漂的原因很多，如温度的变化，电源电压第 页

22、安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（附页）教 学 内 容教法提示及备注的波动，电路元件参数的变化等。其中最主要的是温度的影响。我们知道，环境温度的变化将引起三极管的ICBO、及UBE发生变化，进而使ICQ变化，引起输出电压漂移。对直流放大器来说，抵制零漂是得到高质量直流放大器的一个主要问题。目前常用的最有效的办法是利用两只特性相同的三极管组成差动式放大器。二、差动放大器1、差动电路的基本形式 图644是用两个极性相同的三极管组成的最简单的差动放大电路。电路中，三极管V1、V2的型号、温度特性相同，左右电路的参数Rb1、Rb2、Rc1、Rc2以及分压电阻R均相同。其中，Rb2是电路的输入电阻，用以

23、防止当信号为零时，基极直流电位通过信号源接地。左右两输入端，每边获得输入信号的一半。输出信号U0由两管的集电极取出，即：U0Uc1Uc2U01U022、典型差动放大电路第 页安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（附页）教 学 内 容教法提示及备注第七节 集成运算放大器 集成电路是把晶体管、电阻、电容和连接导线等制做在一小块半导体硅片上，从而把一个电路做成一个器件。它使电子设备缩小了体积，减轻了重量，简化了组装和调试工作，并由于外接焊点少，使设备工作的可靠性大为提高。 集成运算放大器（简称集成运效）是一种直接耦合的高放大倍数的放大器。早期的运算放大器主要用于模拟计算机中，作为模拟信号运算。随着电子技

24、术的发展，运算放大器的应用日益广泛，它不仅用于信号的运算，而且用于信号的放大处理、测量和变换等。一、集成运放的基本结构及电路符号 集成运放的类型很多，电路也各不相同，但其基本结构一般都是由四个部分组成。（1）输入级：作为整个电路的第一级放大器，它是提高集成运放性能的关键部分，要求具有较高的输入电阻，能减少零点漂移和抑制干扰信号，一般都由差动放大器组成。第 页安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（附页）教 学 内 容教法提示及备注（2）中间级：主要进行电压放大，要求它的电压放大倍数高，一般由共发射放大电路组成。（3）输出级：与负载相接，要求其输出电阻低，带负载能力强，通常为射极输出器或互补对称电路。

25、（4）偏置电路：为上述各级电路提供稳定和合适的偏置电流，即各级电路有一个合适的静态工作点。 集成运放的引出端有几个甚至十几个。在众多的引出端中起信号传输作用的是两个输入端和一个输出端，通常采用图647所示的简化符号来表示集成运放。 在图647中，一个输入端叫“反相输入端”，用“”号标注，它表明该输入端的信号与输出端信号的相位相反；另一个输入端叫“同相输入端”，用“+”号标注，它表明该输入端的信号与输出端信号的相位相同。它们对“地”的电压分别用U、U+、U0表示。表示开环电压放大倍数的理想化条件。二、理想运放的概念 在分析集成运放时，为了突出它的主要性能，简化分析过程，同时又满足工程上的实际需要

26、，我们第 页安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（附页）教 学 内 容教法提示及备注把集成运放理想化，即认为集成运放的主要指标为：开环差模电压放大倍数Aod；开环差模输入电阻Rid；输出电阻R00。三、集成运算放大电路的基本形式 集成运放的基本放大电路是各种应用电路和运算电路的基础。按照信号的输入方式，集成运放有把相输入和同相输入两种基本形式。第 页安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（附页）教 学 内 容教法提示及备注第八节 正弦波振荡器 振荡器（又称波形发生器）是用来产生给定波形信号的装置。按起振激励的不同方式，振荡器分为自激式和他激式两种。本节主要讨论自激振荡器中的LC正弦波振荡器，它是一种具有选频能力的正反馈放大电路，能够产生一定幅度和频率的正弦波，在自动控制、仪器仪表、高频加热、广播通信等技术领域中有着广泛的应用。一、自激振荡的基本概念1、自激振荡的过程 如图650所示为自激振荡器的原理方框图