《电工电子技术》课件-模块五 半导体器件及其应用

1.二极管的单向导电特性及应用。

2.三极管放大电路的静动态指标及它们的特点及应用。知识点能力目标：1.会用万用表判断二极管管脚极性和质量好坏；会用万用表确定三极管各极及管型。2.会分析设计单相桥式整流电容滤波电路。3.能够根据要求设计制作实用的三极管放大电路。目标知识目标：1.理解PN结的单向导电特性；掌握单相整流电容滤波电路工作原理及输出电压的波形和数值计算方法；2.会判断三极管在电路中的放大、饱和、截止状态及应用；3.掌握三种基本放大电路的静态工作点、电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等参数的计算。案例导入图5-1是一个声控LED灯电路图，电路中除我们熟悉的电阻、电容外，还有驻极体电容器话筒、晶体管和发光二极管等。这些元器件有什么特性、电路又是如何实现用声音来控制灯光的呢？图5-1声控led灯电路图二极管及其应用1三极管及其应用2技能训练3主要内容5.1二极管及其应用5.1.1二极管类型及电路符号a）PN结加正向电压b）PN结加反向电压图5-2PN结的单向导电性RRNPIE外加电场内电场NPI≈0E外加电场内电场5.1二极管及其应用5.1.1二极管类型及电路符号1.二极管类型

按材料来分，最常用的有硅管和锗管两种；按结构来分，有点接触型、面接触型和硅平面型等几种；按用途来分，有普通二极管、整流二极管、稳压二极管等多种。5.1二极管及其应用5.1.1二极管类型及电路符号2.二极管电路符号

二极管的符号及等效电路如图5-4所示。5.1二极管及其应用5.1.2二极管的伏安特性和主要参数1.二极管的伏安特性二极管的电流与电压的关系曲线I=f（V），称为二极管的伏安特性。其伏安特性曲线如图5-5所示。由图5-5可见二极管的伏安特性曲线是非线性的，可分为三部分：正向特性、反向特性和反向击穿特性。6040200图5-5二极管的伏安特性I(mA)75℃20℃死区20℃75℃0.40.8V(V)3020105.1二极管及其应用5.1.2二极管的伏安特性和主要参数2.二极管的主要参数（1）最大整流电流IDM（2）反向工作峰值电压URM（3）反向峰值电流IRM（4）最高工作频率ƒM5.1二极管及其应用5.1.3二极管的应用—整流滤波电路小功率稳压电源的组成可以用图5-6表示，它是由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成。图5-6直流稳压电源结构图5.1二极管及其应用5.1.3二极管的应用—整流滤波电路1.单相整流电路（1）单相半波整流电路单相半波整流电路如图5-7a）所示，图中变压器副边电压u2=U2sinωt。下面将二极管D看作理想元件,分析电路的工作原理。图5-7单相半波整流电路单相半波整流输出平均电压为5.1二极管及其应用5.1.3二极管的应用—整流滤波电路1.单相整流电路（2）单相桥式整流电路单相桥式整流电路如图5-8a）所示，四只整流二极管D1-D4接成电桥的形式，所以此电路被称为桥式整流电路。图5-8b）是其简化画法。图5-8单相桥式整流电路图5.1二极管及其应用5.1.3二极管的应用—整流滤波电路1.单相整流电路（2）单相桥式整流电路单相桥式整流电压的平均值为5.1二极管及其应用5.1.3二极管的应用—整流滤波电路2.滤波电路（1）电容滤波电路电容滤波电路是在整流电路的输出端与负载电阻RL并联一个电容C，如图5-10a）所示。图5-10半波整流电容滤波电路及其波形5.1二极管及其应用5.1.3二极管的应用—整流滤波电路

【例5-1】需要一单相桥式整流电容滤波电路，电路如图5-11所示。交流电源频率Hz，负载电阻RL=120Ω，要求直流电压Uo=30V。试选择整流元件及滤波电容。解：（1）选择整流二极管①流过二极管的平均电流mA由UO=1.2U2，所以交流电压有效值②二极管承受的最高反向工作电压可以选用的二极管4个。5.1二极管及其应用5.1.3二极管的应用—整流滤波电路（2）选择滤波电容C取，而，所以可以选用C=500μF，耐压值为50V的电解电容器。5.1二极管及其应用5.1.3二极管的应用—整流滤波电路2.滤波电路（2）电感滤波电路在桥式整流电路和负载电阻间串入一个电感器L，如图5-12所示。利用电感的储能作用可以减小输出电压的纹波，从而得到比较平滑的直流。图5-12桥式整流电感滤波电路~uoRLu2L5.1二极管及其应用5.1.3二极管的应用—整流滤波电路2.滤波电路（3）复式滤波器

a）LC型滤波器b）LCπ型滤波器c）RCπ型型滤波器图5-13复式滤波电路5.1二极管及其应用5.1.3二极管的应用—整流滤波电路3.稳压管稳压电路图5-14是一种稳压管稳压电路，经过桥式整流电路和电容滤波器滤波得到直流电压UI，再经过限流电阻R和稳压管DZ组成的稳压电路接到负载电阻RL上。这样，负载上得到的就是一个比较稳定的电压。RIZRLUoDZUiD4IoIRCu2D1D3D2~u1图5-14稳压管稳压电路5.1二极管及其应用5.1.3二极管的应用—整流滤波电路【例5-2】有一稳压管稳压电路，如图5-14所示。负载电阻RL由开路变到3KΩ，交流电压经整流滤波后得出UI=45（V）。今要求输出直流电压UO=15（V），试选择稳压管DZ。解：根据输出直流电压UO=15（V）的要求，由式(5-10)稳定电压

由输出电压UO=15（v）及最小负载电阻RL=3KΩ的要求,负载电流最大值

mA查半导体器件手册，选择稳压管2CW20，其稳定电压UZ=(13.5～17)(V)，稳定电流mA，mA。5.2三极管及其应用5.2.1三极管的基本结构、类型、电路符号1.三极管的基本结构三极管按结构不同可分为NPN管和PNP管。其结构、符号和常见外形见图5-15所示。a)NPN型b)PNP型图5-15两类三极管的结构示意图及符号5.2三极管及其应用5.2.1三极管的基本结构、类型、电路符号2.三极管的分类:按材质分:硅管、锗管。按结构分:NPN型、PNP型。

按功能分:开关管、功率管、达林顿管、光敏管等。按功率分：小功率管、中功率管、大功率管。按工作频率分：低频管、高频管、超频管。按结构工艺分：合金管、平面管。按安装方式：插件三极管、贴片三极管。5.2三极管及其应用5.2.2三极管的电流分配关系和放大作用现以NPN管为例来说明晶体管各极间电流分配关系及其电流放大作用，上面介绍了三极管具有电流放大用的内部条件。5.2三极管及其应用5.2.3三极管的特性曲线1.输入特性曲线晶体管的输入特性曲线表示管压降UCE一定时，基极电流IB和发射结压降UBE的关系。

0.20.40.60.8UBE(V)806040200UCE≥1VIB(μA)图5-17三极管的输入特性曲线5.2三极管及其应用5.2.3三极管的特性曲线2.输出特性曲线

5.2三极管及其应用5.2.4三极管的主要参数1．电流放大系数(1)共射直流电流放大系数。(2)共射交流电流放大系数β。2．极间电流(1)集电极反向饱和电流ICBO

(2)穿透电流ICEO

3．极限参数(1)集电极最大允许耗散功率PCM(2)反向击穿电压U(BR)CEO(3)集电极最大允许电流ICM

5.2三极管及其应用5.2.5三极管的应用—三极管放大电路1.共发射极放大电路（1）共发射极放大电路的组成5.2三极管及其应用5.2.5三极管的应用—三极管放大电路1.共发射极放大电路（2）静态分析放大电路未接入ui前称为静态。静态分析就是确定静态值，即直流分量，电路中的IB、IC和UCE一组数据来表示。这组数据是晶体管输入、输出特性曲线上的某个工作点，习惯上称静态工作点，用Q（IBQ、ICQ、UCEQ）表示。将耦合电容C1、C2视为开路，画出图5-22b）所示的共发射极放大电路的直流通路，由电路得：5.2三极管及其应用5.2.5三极管的应用—三极管放大电路1.共发射极放大电路（3）动态分析静态工作点确定以后，放大电路在输入电压信号ui的作用下，若晶体管能始终工作在特性曲线的放大区，则放大电路输出端就能获得基本上不失真的放大的输出电压信号uo。图5-23b）~f）为放大电路中各有关电压和电流的信号波形。5.2三极管及其应用5.2.5三极管的应用—三极管放大电路1.共发射极放大电路（4）晶体管的微变等效电路5.2三极管及其应用5.2.5三极管的应用—三极管放大电路1.共发射极放大电路（4）晶体管的微变等效电路5.2三极管及其应用5.2.5三极管的应用—三极管放大电路1.共发射极放大电路（5）共射放大电路的微变等效电路

5.2三极管及其应用5.2.5三极管的应用—三极管放大电路1.共发射极放大电路（6）动态性能指标的计算①电压放大倍数Au

其中，RL′=RC//RL；Au为复数，它反映了输出与输入电压之间大小和相位的关系。负号表示共射放大电路的输出电压与输入电压的相位反相。5.2三极管及其应用5.2.5三极管的应用—三极管放大电路1.共发射极放大电路（6）动态性能指标的计算②放大电路的输入电阻ri要求放大电路要有较高的输入电阻。5.2三极管及其应用5.2.5三极管的应用—三极管放大电路1.共发射极放大电路（6）动态性能指标的计算③输出电阻ro共射放大电路的输出电阻可由图5-28所示的等效电路计算得出。输出电阻越小，负载得到的输出电压越接近于输出信号，或者说输出电阻越小，负载大小变化对输出电压的影响越小，带载能力就越强。5.2三极管及其应用5.2.5三极管的应用—三极管放大电路1.共发射极放大电路【例5-3】图5-22a）所示的共射放大电路，已知VCC=12V，RB=300KΩ，RC=4KΩ，RL=4KΩ，RS=100Ω，晶体管的β=40。求解以下问题：（1）估算静态工作点；（2）计算电压放大倍数；（3）计算输入电阻和输出电阻。解：（1）估算静态工作点。由图5-22b）所示直流通路得：5.2三极管及其应用5.2.5三极管的应用—三极管放大电路1.共发射极放大电路（2）计算电压放大倍数。首先画出如图5-26a）所示的交流通路，然后画如图5-26b）所示的微变等电路，可得：③计算输入电阻和输出电阻。根据式（5-28）和（5-30）得：5.2三极管及其应用5.2.5三极管的应用—三极管放大电路1.共发射极放大电路（7）放大电路波形的非线性失真图5-29静态工作点与非线性失真的的关系5.2三极管及其应用5.2.5三极管的应用—三极管放大电路2.典型的静态点稳定的共射放大电路（分压偏置共射电路）（1）电路及原理5.2三极管及其应用5.2.5三极管的应用—三极管放大电路2.典型的静态点稳定的共射放大电路（分压偏置共射电路）（1）电路及原理其次在发射极串接一个电阻RE，使得温度T0C↑→IC↑→IE↑→VE↑→UBE↓→IB↓→IC↓。首先利用RB1、RB2的分压为基极提供一个固定电压。当I1＞＞IB（5倍以上），则认为IB不影响VB，基极电位为5.2三极管及其应用5.2.5三极管的应用—三极管放大电路2.典型的静态点稳定的共射放大电路（分压偏置共射电路）（2）静态工作点分析图5-30b）为分压式偏置放大电路的直流通路，由直流通路得：

5.2三极管及其应用5.2.5三极管的应用—三极管放大电路2.典型的静态点稳定的共射放大电路（分压偏置共射电路）（3）动态分析首先，画出微变等效电路如图5-30d），电路中的电容对于交流信号可视为短路，RE被CE交流旁路掉了。图5-30d）中RB=RB1//RB2。

a)电压放大倍数b)输入电阻c)输出电阻

5.2三极管及其应用5.2.5三极管的应用—三极管放大电路2.典型的静态点稳定的共射放大电路（分压偏置共射电路）【例5-3】

在图5-30所示的分压式偏置共射放大电路中，已知

VCC=24V，RB1=33KΩ，RB2=10KΩ，RC=3.3KΩ，RE=1.5KΩ，RL=5.1KΩ，晶体管的β=66，UBE=0.7V，设RS=0。求解以下问题：（1）

估算静态工作点；（2）

画微变等效电路；（3）计算电压放大倍数；（4）计算输入、输出电阻；（5）分析RE

两端并联的旁路电容有什么作用？5.2三极管及其应用5.2.5三极管的应用—三极管放大电路2.典型的静态点稳定的共射放大电路（分压偏置共射电路）解：（1）

估算静态工作点

（2）画微变等效电路如图5-30d)所示。（3）计算电压放大倍数由微变等效电路得:5.2三极管及其应用5.2.5三极管的应用—三极管放大电路2.典型的静态点稳定的共射放大电路（分压偏置共射电路）（4）计算输入、输出电阻

ro=RC=3.3KΩ（5）当RE

两端未并联旁路电容时其微变等效电路如图5-30e)所示。电压放大倍数5.2三极管及其应用5.2.5三极管的应用—三极管放大电路2.典型的静态点稳定的共射放大电路（分压偏置共射电路）从计算结果可知，去掉旁路电容后，电压放大倍数降低了，输入电阻提高了。（5）输入、输出电阻5.2三极管及其应用5.2.5三极管的应用—三极管放大电路3.基本共集电极放大电路（1）电路的结构图5-31a）所示是阻容耦合共集电极放大电路。由图可见，放大电路的交流信号由晶体管的发射极经耦合电容C2输出，故此电路又称为射极输出器。5.2三极管及其应用5.2.5三极管的应用—三极管放大电路3.基本共集电极放大电路(2)静态分析图5-31b）为射极输出器的直流通路。由此确定静态值。5.2三极管及其应用5.2.5三极管的应用—三极管放大电路3.基本共集电极放大电路(3)动态分析由图5-31c）所示的交流通路画出微变等效电路，如图5-32所示。5.2三极管及其应用5.2.5三极管的应用—三极管放大电路3.基本共集电极放大电路(3)动态分析①电压放大倍数从上式可以看出：射极输出器的电压放大倍数恒小于1，但接近于1。因此，射极输出器也称为电压跟随器。5.2三极管及其应用5.2.5三极管的应用—三极管放大电路3.基本共集电极放大电路(3)动态分析②输入电阻由图5-32微变等效电路及输入电阻的定义得

一般RB和[]都要比大得多，因此射极输出器的输入电阻比共射放大电路的输入电阻要高。射极输出器的输入电阻高达几十千欧到几百千欧。5.2三极管及其应用5.2.5三极管的应用—三极管放大电路3.基本共集电极放大电路(3)动态分析③输出电阻根据输出电阻的定义，由交流通路得

射极输出器的输出电阻与共射放大电路相比是较低的，一般在几欧到几十欧。当ro较低时，射极输出器的输出电压几乎具有恒压性。5.2三极管及其应用5.2.5三极管的应用—三极管放大电路4.多级放大电路多级放大电路的框图如图5-33所示。它通常包括输入级、中间级、推动级和输出级几个部分。5.2三极管及其应用5.2.5三极管的应用—三极管放大电路4.多级放大电路多级放大电路的第一级称为输入级，对输入级的要求往往与输入信号有关。中间级的用途是进行信号放大，提供足够大的放大倍数，常由几级放大电路组成。多级放大电路的最后一级是输出级，它与负载相接。因此对输出级的要求要考虑负载的性质。推动级的用途就是实现小信号到大信号的缓冲和转换。耦合方式是指信号源和放大器之间、放大器中各级之间、放大器与负载之间的连接方式。最常用的耦合方式有三种：阻容耦合、直接耦合和变压器耦合。阻容耦合应用于分立元件多级交流放大电路中，放大缓慢变化的信号或直流信号则采用直接耦合的方式，变压器耦合在放大电路中的应用逐渐减少。本书只讨论前两种级间耦合方式。5.2三极管及其应用5.2.5三极管的应用—三极管放大电路4.多级放大电路（1）阻容耦合放大电路图5-34是两级阻容耦合共射放大电路。两级间的连接通过电容C2将前级的输出电压加在后级的输入电阻上（即前级的负载电阻），故名阻容耦合放大电路。由于电容有隔直作用，因此两级放大电路的直流通路互不相通，即每一级的静态工作点各自独立。耦合电容的选择应使信号频率在中频段时容抗视为零。多级放大电路的静态和动态分析与单级放大电路时一样。5.2三极管及其应用5.2.5三极管的应用—三极管放大电路4.多级放大电路（2）直接耦合放大电路放大器各级之间、放大器与信号源或负载直接连起来，或者经电阻等能通过直流的元件连接起来，称为直接耦合方式。直接耦合方式不但能放大交流信号，而且能放大变化极其缓慢的超低频信号以及直流信号。现代集成放大电路都采用直接耦合方式，这种耦合方式得到越来越广泛的应用。然而，直接耦合方式有其特殊的问题，其中主要是前、后级静态工作点互相牵制与零点漂移两个问题。5.2三极管及其应用5.2.5三极管的应用—三极管放大电路4.多级放大电路（2）直接耦合放大电路①前、后级静态工作点的相互影响从图5-35可见，在静态时输入信号vi=0，由于T1的集电极和T2的基极直接相连使的两点电位相等，即VCE1=VC1=VB2=UBE2=0.7V，则晶体管T1处于临界饱和状态；另外第一级的集电极电阻也是第二级的基极偏置电阻，因阻值偏小，必定IB2过大使T2处于饱和状态，电路无法正常工作。为了克服这个缺点，通常采用抬高T2管发射极电位的方法。有两种常用的改进方案，如图5-36所示。5.2三极管及其应用5.2.5三极管的应用—三极管放大电路4.多级放大电路（2）直接耦合放大电路②零点漂移问题在直接耦合放大电路中，若将输入端短接（让输入信号为零），在输出端接上记录仪，可发现输出端随时间仍有缓慢的无规则的信号输出，如图5-37所示。这种现象称为零点漂移。零点漂移现象严重时，能够淹没真正的输出信号，使电路无法正常工作。所以零点漂移的大小是衡量直接耦合放大器性能的一个重要指标。5.2三极管及其应用5.2.5三极管的应用—三极管放大电路4.多级放大电路（2）直接耦合放大电路②零点漂移问题引起零漂的原因很多，最主要的是温度对晶体管参数的影响所造成的静态工作点波动，而在多级直接耦合放大器中，前级静态工作点的微小波动都能像信号一样被后面逐级放大并且输出。因而，整个放大电路的零漂指标主要由第一级电路的零漂决定，所以，为了提高放大器放大微弱信号的能力，在提高放大倍数的同时，必须减小输入级的零点漂移。因温度变化对零漂影响最大，故常称零漂为温漂。减小零点漂移措施很多，但第一级采用差动放大电路是多级直接耦合放大电路的主要电路形式。差动放大电路的知识我们在模块六中学习。技能训练技能训练一：二极管、三极管、场效应管的认识与检测一、二极管的识别与检测1.二极管的识别外形特征识别、电路符号与实物对应识别、引脚极性识别如图5-39a：图5-39a)二极管外形与极性识别技能训练一：二极管、三极管、场效应管的认识与检测一、二极管的识别与检测2.二极管的检测检测方法如图5-39b）图5-39b)二极管外形与极性识别技能训练技能训练一：二极管、三极管、场效应管的认识与检测一、二极管的识别与检测2.二极管的检测用指针式万用表检测二极管时，电阻数值较小的一次黑表笔所接的一端为正极，红表笔所接的一端则为负极。正反向电阻均为无穷大，则表明二极管已经开路损坏；若正反向电阻均为0，则表明二极管已经短路损坏。正常情况下，锗二极管的正向电阻约几千欧。用数字式万用表去测二极管时，红表笔接二极管的正极，黑表笔接二极管的负极，此时测得的阻值才是二极管的正向导通阻值，这与指针式万用表的表笔接法刚好相反。技能训练技能训练一：二极管、三极管、场效应管的认识与检测二、三极管的识别与检测根据三极管工作时各个电极的电位高低，就能判别三极管的工作状态，因此，维修人员在维修过程中，经常要拿万用表测量三极管各脚的电压，从而判别三极管的工作情况和工作状态。在此，只介绍用指针万用表检测三极管的方法。图5-40a)三极管外形与极性识别

技能训练技能训练一：二极管、三极管、场效应管的认识与检测二、三极管的识别与检测1.三极管基极的判别根据三极管的结构示意图5-40a)，我们知道三极管的基极是三极管中两个PN结的公共极。因此，在判别三极管的基极时，只要找出两个PN结的公共极，即为三极管的基极。用指针表判别具体方法是：将万用表调至电阻档的R×1k或R×100档，先用红表笔放在三极管的一只脚上，用黑表笔去碰三极管的另两只脚，如果两次全通，则红表笔所放的脚就是三极管的基极。如果一次没找到，则红表笔换到三极管的另一个脚，再测两次；如还没找到，则红表笔再换一下，再测两次。如果还没找到，则改用黑表笔放在三极管的一个脚上，用红表笔去测两次看是否全通，若一次没成功再换。这样最多测量1～2次，总可以找到基极。技能训练技能训练一：二极管、三极管、场效应管的认识与检测二、三极管的识别与检测1.三极管基极的判别图5-40a)三极管外形与极性识别

技能训练技能训练一：二极管、三极管、场效应管的认识与检测二、三极管的识别与检测2.三极管类型的判别

三极管只有两种类型，即PNP型和NPN型。判别时只要知道基极是P型材料还N型材料即可。当用万用表R×1k档时，黑表笔代表电源正极，如果黑表笔接基极时导通，则说明三极管的基极为P型材料，三极管即为NPN型。如果红表笔接基极导通，则说明三极管基极为N型材料，三极管即为PNP型。以PNP型三极管为例,判别如图5-40b)技能训练技能训练一：二极管、三极管、场效应管的认识与检测二、三极管的识别与检测2.三极管类型的判别

图5-40b)三极管类型的判别技能训练技能训练一：二极管、三极管、场效应管的认识与检测二、三极管的识别与检测3.判断三极管好坏的简单方法首先看三极管的类型，判断是硅管还是锗管，然后根据三极管的类型的特性，利用三极管内PN结的单向导电性用，万用表调至电阻档的R×1k或R×100档，检查各极间PN结的正反向电阻，如果相差较大说明管子是好的，如果正反向电阻都大，说明管子内部有断路或者PN结性能不好。如果正反向电阻都小，说明管子极间短路或者击穿了。技能训练技能训练二：直流稳压电源电路的连接与测量一、所用实验设备与器件1.多功能电子电路实验台（或实验箱）2.双踪示波器3.函数信号发生器4.万用表二、操作内容1.对照图5-42电路中所给元件参数，在实验台（或实验箱）上选定器件：四只同型号的整流二极管（IN4001～IN4007任一型号均可），一个220V/18V变压器，一只1000μF/35V电解电容，一只510Ω电阻。图5-42模块五技能训练二电路图技能训练技能训练二：直流稳压电源电路的连接与测量2.用万用表检测所用器件和导线。3.按图5-42连接电路，老师检查无误后接通电源。4.电压测量：（1）用万用表合适的档位和量程测变压器副边输出电压及电路输出直流电压；（2）电容开路，再测变压器副边输出电压及电路输出直流电压。5.利用示波器观察变压器副边输出电压