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任务过程1感性认识的教学过程4.1半导体二极管4.1.1普通二极管半导体二极管按照结构的不同可分为点接触型和面接触型两类,如图4.1-1所示。点接触型二极管如图4.1-1(a)所示,它的特点是结面积小,因而结电容小,允许流过的电流很小,一般为十几毫安或几十毫安以下,适用于高频电路,常用于高频检波和数字脉冲电路里的开关元件;面接触型二极管如图4.1-1(b)所示,它的特点是结面积大,因而结电容大,允许通过的电流也大,一般为几百毫安到上百安,适用于作大功率整流器件,但只能工作在较低的频率下。常见的几种二极管的外形如图4.1-2所示。下一页返回任务过程1感性认识的教学过程4.1.2稳压二极管稳压二极管带有白色环的为阴极,另一端为阳极,如图4.1-3所示,将其反偏(阳极接电源负极,阴极接电源正极)接在电路中,可以起到稳压的作用。4.1.3发光二极管与光电二极管1.发光二极管发光二极管是一种把电能转换成光能的半导体器件,它与普通二极管的类似之处是都具有单向导电性,不同之处是普通二极管由硅和锗材料构成,而发光二极管是用半导体砷化镓、磷化镓等材料制成。发光二极管外形和图形符号如图4.1-4所示。上一页下一页返回任务过程1感性认识的教学过程发光二极管具有亮度强、清晰度高、反应快、体积小、可靠性高、寿命长等特点,可用于信号指示、数字和字符显示等电路。2.光电二极管光电二极管工作在反向偏置状态,其管壳上有一个通光窗口,当有光通过窗口照射到PN结上时,会形成反向光电流,光电流的大小与光照强度成正比。光电二极管的外形和图形符号如图4.1-5所示。4.2半导体三极管4.2.1双极型三极管双极型三极管也称为晶体管或三极管,是一种电流控制器件,最主要的功能是电流放大和开关作用。三极管具有三个电极,分别是发射极、基极和集电极,如图4.1-6所示。上一页下一页返回任务过程1感性认识的教学过程电子制作中常用的三极管有90××系列,包括低频小功率硅管9013(NPN型)、9012(PNP型)、低噪声管9014(NPN型)和高频小功率管9018(NPN型)等,它们都采用TO-92标准封装,如图4.1-6所示。另外,还有一些常用的三极管外形如图4.1-7所示。4.2.2单极型三极管单极型三极管通常称为场效应管,是一种电压控制器件,与双极型三极管的工作原理完全不同,但它们都能实现信号的控制和放大。场效应管和三极管均可组成各种放大电路和开路电路,由于场效应管制造工艺简单,且具有耗电少、热稳定性好、工作电源电压范围宽等优点,被广泛用于大规模和超大规模集成电路中。场效应管如图4.1-8所示。上一页下一页返回任务过程1感性认识的教学过程4.3晶闸管4.3.1普通晶闸管晶闸管具有三个电极,分别是阳极A、阴极K和控制极G。与三极管相比,晶闸管只工作于导通和截止两种状态,而且导通状态只需要有效的触发信号触发后,晶闸管就可以维持导通。普通晶闸管的导通与截止状态相当于开关的闭合和断开状态,用它可以制成无触点电子开关。常用晶闸管如图4.1-9所示。4.3.2特殊晶闸管晶闸管是常用的开关器件,常用于大电流、高电压的功放电路中。除了普通的晶闸管外,还有一些特殊的晶闸管,比如双向晶闸管、可关断晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管和快速晶闸管等。多个晶闸管做在一个模块上可以构成晶闸模块。上一页下一页返回任务过程1感性认识的教学过程1.双向晶闸管双向晶闸管与普通晶闸管相比,除了控制极G的名称相同外,其余两个电极统称为主电极,用T1、T2表示。双向晶闸管的主要特性是,不论T1与T2的接法如何,都可以通过控制极脉冲触发导通,广泛用于调节交流电压、交流开关、温度控制、灯具调光、电机调速和换向等电路中。2.快速晶闸管快速晶闸管在制造工艺和结构上采取了一些改进措施,能适应于高频应用。3.逆导晶闸管逆导晶闸管是在普通晶闸管上反向并联一只二极管而制成,其特点是能反向导通大电流,用于城市电车和地铁机车的车速控制。上一页下一页返回任务过程1感性认识的教学过程4.可关断晶闸管可关断晶闸管是一种利用在控制极加正控制脉冲可触发导通、在控制极加负控制脉冲可关断的晶闸管,用负控制极脉冲可关断阳极电流。可关断晶闸管可做成直流无触点开关或斩波器。4.4模拟集成芯片介绍模拟集成芯片是把晶体管、电阻、电容以及连接导线等集中制造在一小块半导体基片上而形成具有电路功能的器件,具有体积小、重量轻、安装方便、功耗小、工作可靠等优点。4.4.1集成功放芯片集成功率放大器简称集成功放,有小功率集成功放和大功率集成功放,下面简单介绍典型的小功率集成功放LM386和输出较大功率的TDA2030。上一页下一页返回任务过程1感性认识的教学过程1.LM386LM386是一种常用的低电压、小功率集成功率放大器,由美国国家半导体公司生产,具有电源电压范围广、功耗低、频带宽等优点,其外形及引脚如图4.1-10所示。2.TDA2030TDA2030是目前使用较多的一种集成功放,与其他功放相比,它的引脚和外围电路比较少,而且电气性能稳定,能适应长时间连续工作,一般用作音频功率放大器。其外形和引脚图如图4.1-11所示。上一页下一页返回任务过程1感性认识的教学过程4.4.2集成运放芯片集成运算放大器简称运放,是一种多端集成电路。早期,运放主要用来完成模拟信号的求和、微分和积分等运算,故称为运算放大器。现在运放的应用已经远远超过运算的范围,在通信、控制和测量等设备中得到广泛应用。国产集成运放的封装外形主要采用圆壳式和双列直插式,由字母和阿拉伯数字表示,例如CF741、CF124等,其中C表示国家标准,F表示运算放大器,阿拉伯数字表示品种。集成运放的外形如图4.1-12所示。常用μA741集成芯片的管脚排列图如图4.1-13所示,管脚2为运放的反相输入端;管脚3为同相输入端;管脚6为输出端,与负载相连;管脚1和5为外接调零补偿电位器端,在实际应用中,若输入信号为零,而输出信号不为零时,调节管脚1和5之间的电位器数值,使其输出信号为零;管脚4为负电源端,接-12V电位;管脚7为正电源端,接+12V电位;管脚8是空脚,使用时可悬空处理。上一页返回任务过程2理论教学过程4.5半导体二极管4.5.1PN结及其单向导电性1.本征半导体和杂质半导体完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体。实际半导体不可能绝对的纯净,此类半导体称为杂质半导体。1)本征半导体天然的硅和锗提纯后形成“单晶体”,即为本征半导体。硅和锗都是4价元素,其原子核最外层有4个价电子,相邻原子的外层价电子两两形成共价键结构,如图4.2-1所示。下一页返回任务过程2理论教学过程在常温下,当温度升高或受到光照后,少数价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚,形成自由电子,在共价键上留下一个空位,称为空穴。这种由于温度的影响而产生电子-空穴对的现象称为本征激发,也称为热激发。在纯净的半导体中,电子与空穴是成对出现的,在运动过程中,如果自由电子填补了空穴,则电子和空穴成对消失,这种现象称为复合。2)杂质半导体本征半导体中的自由电子和空穴因为数量不多,因而导电能力不强,为了提高半导体的导电能力,人为地在本征半导体中掺入有用的微量杂质,会使半导体的导电性能发生显著改变。因掺入杂质的不同,杂质半导体可分为N型半导体和P型半导体两类。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程(1)N型半导体。如果在4价硅(或锗)的晶体中掺入少量的5价杂质元素,如磷、砷等,则共价键结构中某些位置上的硅原子被杂质原子取代。杂质原子最外层的5个价电子,其中4个与相邻的硅原子价电子组成共价键,多余的价电子由于不受共价键的束缚,更容易挣脱原子核的吸引成为自由电子,如图4.2-2(a)所示。在这种半导体中,自由电子的数量大大增加,在载流子中占多数,称为多数载流子,简称多子;空穴的数量相对较少,称为少数载流子,简称少子;杂质原子由于失去电子而成为不能移动的正离子,这种半导体称为N型半导体。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程(2)P型半导体。在4价硅(或锗)的晶体中掺入少量的3价杂质元素,如硼、镓等,杂质原子最外层的3个价电子在与相邻的硅原子价电子组成共价键时,因为缺少一个电子而在共价键结构中出现一个空位,与其相邻的硅原子的价电子很容易填补这个空位,产生一个空穴,如图4.2-2(b)所示。显然,在这种半导体中,空穴为多数载流子,而自由电子为少数载流子,杂质原子由于多余的电子而成为不能移动的负离子,这种半导体称为P型半导体。2.PN结的形成在一块完整的硅片上,用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体,另一边形成P型半导体,那么在两种半导体的交界面附近就形成了PN结。PN结是构成各种半导体器件的基础。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程在N型半导体和P型半导体交界面两侧存在着自由电子和空穴的浓度差,两种载流子都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散,并在交界面附近复合,从而使P区失去空穴留下负离子,N区失去自由电子留下正离子。因正、负离子被束缚在晶格中不能移动,不参与导电,在交界面附近,形成了很薄的空间电荷区,称为耗尽层。空间电荷区形成一个方向由N区指向P区的内电场,其作用是阻碍多子的扩散,而有利于P区和N区的少子越过空间电荷区进入对方区内,少子在电场作用下的这种有规则的运动称为漂移运动。N区的空穴向P区漂移,P区的电子向N区漂移,其结果使空间电荷区变窄,内电场被削弱,这又将引起多子扩散并增强内电场,从而使之达到动态平衡。当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时,将形成一个稳定的空间电荷区,即PN结,如图4.2-3所示。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程3.PN结的单向导电性当PN结无外加电压时,多子的扩散运动与少子的漂移运动达到动态平衡,其空间电荷区相对稳定。1)PN结正偏P区接电源正极、N区接电源负极时,扩散运动和漂移运动的动态平衡被破坏,外电场与内电场方向相反,从而削弱内电场,空间电荷区变窄,多子的扩散运动增强,形成较大的扩散电流,而少子的数量少,其形成的漂移电流相对扩散电流而言可以忽略,最后形成较大的正向电流,从P区流向N区,这时称PN结导通。PN结正偏电路如图4.2-4所示。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程2)PN结反偏P区接电源负极、N区接电源正极时,外电场与内电场方向相同,内电场增强,空间电荷区变宽,抑制了多子的扩散运动,加强了少子的漂移运动,在回路中产生由少子漂移所形成的、从N区流向P区的反向电流。常温下,因少子浓度很低,并在温度一定时浓度不变,所以反向电流不仅很小,而且外加电压超过零点几伏后,由于少子数量有限,基本不随外加电压的增加而增加,故称之为反向饱和电流。PN结反偏电路如图4.2-5所示。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程4.5.2二极管的特性及其主要参数1.二极管的基本结构和符号在PN结两端加上电极引线,再用外壳进行封装,就构成了一个二极管。二极管的电路符号如图4.2-6所示,P区引出的电极为阳极(正极),N区引出的电极为阴极(负极)。2.二极管的伏安特性二极管两端的电压U与流过二极管的电流I之间的关系称为二极管的伏安特性,其伏安特性曲线如图4.2-7所示,分为正向特性①、反向特性②和反向击穿特性③三个部分。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程1)正向特性二极管两端加正向电压,让其从零开始逐步增大。开始时,正向电压较低,不足以克服内电场对多子扩散运动的阻碍,正向电流I几乎为零,二极管处于截止状态,这段区域称为死区,二极管处于死区时所加的最大正向电压为死区电压。硅管死区电压约为0.5V,锗管约为0.1V。当正向电压大于死区电压时,内电场被大大削弱,正向电流随着正向电压的增大而增长很快,此时进入正向导通区,正向电流在一定范围内变化时,正向压降基本不变。硅管的正向压降约为(0.6~0.8)V,锗管的正向压降约为(0.2~0.3)V。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程2)反向特性当外加反向电压不高,低于某一数值时,二极管中只有很小的反向饱和电流通过,随着温度的升高,反向电流会有所增长。在实际应用中,二极管的反向饱和电流可以忽略,即认为进入反向截止区。3)反向击穿特性当外加反向电压超过某一数值时,反向电流急剧增加,称为PN结反向击穿。反向击穿分为热击穿和电击穿两种。(1)热击穿落在PN结上的功率较大,易使PN结过热而烧毁,其过程不可逆。(2)电击穿包括齐纳击穿和雪崩击穿,过程可逆。利用电击穿时PN结电流变化大、电压变化很小的特点,可以用来制作工作在反向击穿区的稳压二极管。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程3.二极管的主要参数(1)最大整流电流IF指二极管长期安全、稳定工作时,允许流过的最大正向平均电流,该参数的大小由PN结的结面积和散热条件决定。(2)最高反向工作电压URM指二极管允许加的最高反向工作电压,若超过此值,二极管有可能被反向击穿而损坏。最高反向工作电压一般为反向击穿电压的一半左右。(3)反向电流IR是向二极管施加最高反向工作电压时的反向电流,IR值越小,单向导电性越好。4.5.3二极管的基本应用二极管由于具有单向导电性,应用范围很广泛,可以用于整流、限幅、保护、检波、钳位及开关等电路。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程1.开关电路由于二极管正向导通电阻小,理想情况下可以看成零,相当于开关接通,而反向电阻很大,理想情况下可以看成无穷大,相当于开关断开。2.整流电路将交流电变为脉动直流电的过程称为整流。整流电路包括半波整流和全波整流电路两种。3.限幅电路把输出电压的最高电平限制在某一数值或某一范围内,称为限幅电路。4.钳位电路利用二极管正向导通压降相对稳定且数值较小的特点,来限制电路中某点的电位。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程4.5.4稳压二极管稳压二极管是一种面接触型晶体二极管,具有稳定电压的作用,简称为稳压管。稳压管利用PN结的反向击穿特性,即反向击穿时电压基本不随电流的变化而变化的特点达到稳压的目的,其图形符号和伏安特性曲线如图4.2-9所示。稳压二极管工作在反向击穿区,当外加反向电压撤除后,二极管并未损坏,这种击穿属于可逆性击穿。但是,如果反向电流太大,管子会因过热而烧毁,所以稳压管在接入电路时,需要接入一个限流电阻来保护稳压管。稳压管的主要参数如下。(1)稳定电压UZ:稳压管正常工作时的电压。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程(2)稳定电流IZ:稳压管正常工作时的参考电流。电流低于此值时,管子两端电压不稳定;电流高于此值时,只要不超过额定功率,稳压管可以正常工作。一般来说,工作电流较大时,稳压性能较好。(3)最大稳定电流IZmax:稳压管允许的最大工作电流。若电流超过此值,稳压管会因热击穿而损坏。(4)动态电阻rZ:稳压管两端电压的变化量ΔUZ与相应的电流变化量ΔIZ的比值。rZ越小,稳压性能越好。(5)最大耗散功率PZM:管子不至于产生过热损坏时的最大功率损耗值。稳压管工作时,功耗超过PZM,管子将会因热击穿而损坏,PZM=IZMUZ。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程4.6双极型三极管4.6.1晶体三极管的结构与放大原理1.三极管的基本结构和类型晶体管的种类很多,按照材料的不同分为锗管和硅管,按照工作频率的高低分为高频管和低频管,按照功率大小分为大功率管和小功率管,按照结构的不同分为NPN型和PNP型。不管三极管是什么类型,其基本结构都包括三个区、两个结和三个极,如图4.2-10所示。三个区包括发射区、基区和集电区。发射区具有较高的掺杂浓度且结面积较小,基区掺杂浓度较低且很薄,集电区掺杂浓度介于二者之间,但结面积较大。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程两个结包括发射结和集电结。发射结是指在发射区和基区交界处形成的PN结,集电结是指在集电区和基区交界处形成的PN结。三个极是由三个区分别引出的三个电极,即发射极、基极、集电极。2.三极管内部载流子的运动和放大原理三极管内部三个区的结构特点是保证三极管实现电流放大的内部条件,而要真正实现电流放大还必须要满足外部条件,即发射结正偏,集电结反偏,如图4.2-11所示。1)发射结正偏,扩散运动形成射极电流IE发射结正偏时,发射区的多子自由电子和基区的多子空穴通过扩散运动形成电子电流和空穴电流,但是由于基区的掺杂浓度较低且很薄,所以空穴电流相比于电子电流可以忽略,射极电流IE主要由发射区发射的电子电流所产生,电流方向与电子电流方向相反。电源不断地为发射区补充电子,用以维持发射极电流。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程2)扩散到基区的自由电子和空穴的复合运动形成基极电流IB扩散到基区的大量自由电子,只有极少的一部分与基区的空穴相复合,而基区被复合掉的空穴由外电源EB不断进行补充,所以复合运动源源不断,形成基极电流IB。剩余的大量自由电子继续扩散,到达集电结一侧,作为基区的非平衡少子。3)集电结反偏,漂移运动形成集电极电流IC集电结反偏时,阻止了扩散运动,加剧了漂移运动,聚集到集电结一侧的自由电子作为基区非平衡少子将越过集电结,到达集电区,形成漂移电流,即集电极电流IC。集电区和基区平衡少子的漂移运动,因数量很小可以忽略不计。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程4.6.2晶体三极管的特性曲线与主要参数三极管的特性曲线是指极间电压和各极电流间的关系曲线,它反映出三极管的性能。测试三极管特性曲线的电路如图4.2-12所示,它分为输入回路和输出回路。1.输入特性曲线输入特性曲线是指集电极与发射极之间的电压UCE为常数时,输入回路中加在晶体管的基极和发射极间的电压UBE与它所产生的基极电流IB间的关系曲线,即上一页下一页返回任务过程2理论教学过程共射极接法的输入特性曲线如图4.2-13所示,当UCE≥1V时,集电结反偏,且内电场已足够大,可以把从发射区注入基区的电子拉入集电区,形成IC,继续增大UCE且保持UBE不变,则IB基本不变,即UCE>1V时的输入特性曲线与UCE=1V时的输入特性曲线基本重合。2.输出特性曲线输出特性曲线指的是当基极电流IB为常数时,输出回路中集电极电流IC与集-射极之间的电压UCE之间的关系曲线,即IC=f(UCE)IB=常数。共射极接法的输出特性曲线如图4.2-14所示,它可以划分为三个区域,即放大区、截止区和饱和区,分别对应于三极管的三种工作状态。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程1)放大区输出特性曲线接近于水平部分的区域,此时发射结为正向偏置,集电结为反向偏置。集电极电流IC与集-射极电压UCE几乎无关,而是受到基极电流的控制IC=βIB,三极管具有电流放大作用。2)截止区IB=0的曲线以下的区域称为截止区,此时发射结为反向偏置。当UBE小于死区电压时,IB=0,相应地IC=ICEO≈0(ICEO称为穿透电流,数值很小),这时的晶体管呈高阻状态,相当于开关断开,通常说三极管截止。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程3)饱和区曲线靠近纵轴的区域是饱和区,此时,发射结和集电结均为正向偏置。当UBE>UCE时,三极管工作在饱和状态,三极管失去放大作用,IB与I=两者不成正比,放大区的β不再适用。三极管饱和时通常uCE<1V。3.三极管的极限参数极限参数是指三极管安全工作时,电压、电流和功率的极限值。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程4.7单极型三极管场效应管是靠半导体中的多数载流子导电的,即只有一种载流子参与导电,所以称为单极型三极管。单极型三极管主要有结型场效应管和绝缘栅型场效应管两种类型。本节主要介绍绝缘栅型场效应管,简称MOS管。场效应管不仅具有双极型三极管体积小、重量轻等优点,而且具有输入电阻高(可达107~1012Ω)、噪声小、热稳定性好等优点。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程4.7.1N沟道增强型场效应管1.N沟道MOS管的基本结构MOS管按其工作方式分为增强型和耗尽型两类,每类又有N沟道和P沟道之分。N沟道增强型MOS管的结构如图4.2-15所示,它以一块低掺杂浓度的P型硅片为衬底(B),利用扩散工艺在其上制作出两个高掺杂的N+区并引出电极,分别为源极S和漏极D;P型硅表面上覆盖一层SiO2绝缘层,在漏源两极间的绝缘层上再引出一个金属铝电极,称为栅极G,衬底B通常与源极S相连接。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程2.N沟道MOS管的工作原理如图4.2-16所示,当UGS=0时,衬底B与源极S相连接,由于漏极和源极相连接的两个N+区被P型衬底隔开,漏极与源极之间不可能建立导电沟道,故无漏极电流,即UGS=0,ID=0。4.7.2MOS管使用注意事项(1)由于MOS管输入阻抗极高,所以在运输、储藏中必须将引出脚短路,用金属屏蔽、包装,以防止外来感应电势将栅极击穿。(2)测试仪器、工作台、电烙铁、线路本身必须有良好的接地,在焊接时将电烙铁拔离交流电源后再焊接。(3)MOS管在不使用时应避免栅极悬空,务必将各电极短接。(4)装有MOS管的电路板在与机器接线端子连接之前,最好用接地线夹子碰一下机器各接线端子,进行静电泄放,再与电路板连接。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程4.8基本交流放大电路4.8.1交流放大电路的概念基本放大电路利用三极管或场效应管的放大作用,将输入的微弱电信号不失真地放大,将直流电源的部分能量转换为按输入信号规律变化的输出信号的能量,所以,放大电路的本质是能量的控制和转换,如用扩音机放大声音。基本放大电路共有三种组态,即共发射极放大电路、共集电极放大电路和共基极放大电路。4.8.2基本交流放大电路的组成单管共射基本放大电路如图4.2-17(a)所示,采用的是双电源供电。在实际应用中采用单电源供电情况居多,实际单电源供电的共射放大电路如图4.2-17(b)所示。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程4.8.3基本交流放大电路的工作原理及波形分析单管共射放大电路的工作原理如图4.2-17(b)所示,该电路是一个交、直流共存的电路,电路中各电压、电流的直流分量及其注脚均用大写英文字母表示,交流分量及其注脚均用小写英文字母表示,而总量用小写英文字母,注脚用大写英文字母表示。在图4.2-17(b)中,当有输入信号时,基极电流iB在直流分量的基础上叠加一个正弦交流电流,其波形图如图4.2-18(a)所示。因为IC=βIB,所以iB的变化使集电极电流iC随之改变,也是在直流分量的基础上叠加交流分量,波形图如图4.2-18(b)所示。iC的变化量在集电极电阻RC上产生压降,集-射极之间的电压uCE=UCC-iCRC,显然,uCE的变化与iC的变化正好相反,如图4.2-18(c)所示。将uCE中的直流分量通过电容滤掉,成为输出电压uo。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程4.8.4基本交流放大电路的静态分析放大电路的静态分析指输入信号为零时放大电路中各电压、电流的情况,这时电路中的电流和电压都是直流,其值称为静态值,分别用IBQ、ICQ、UBEQ和UCEQ表示,称为静态工作点。1.放大电路静态分析的估算法对放大电路进行静态分析应利用直流通路进行,所谓直流通路就是在直流电源工作下直流电流流经的通路。直流通路应遵循以下规则:(1)电容视为开路;(2)电感线圈视为短路;(3)信号源视为短路,但应保留其内阻。图4.2-17(b)按照上述规则得到其直流通路如图4.2-19所示,其静态工作点Q为上一页下一页返回任务过程2理论教学过程2.图解法利用晶体管的输入、输出特性曲线求解Q点的方法称为图解法。图解法的优点是能直观地了解和分析静态值的变化对放大电路工作的影响,其求解步骤如下。(1)通过实际测量描绘出三极管的输入、输出特性曲线。(2)利用公式UCE=VCC-ICRC作出直流负载线,若IC=0,则UCE=VCC;若UCE=0,则I,在输出特性曲线上找到这两个特殊的点,连接两点即可得到直流负载线。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程(3)直流负载线与晶体管的某条输出特性曲线(由估算法中求出的IB确定)的交点Q,称为放大电路的静态工作点,由它确定放大电路的电压和电流的静态值。如图4.2-20所示。如图4.2-21所示,当IB较大时,Q点将沿直流负载线上移至Q2点,Q2点的位置距离饱和区较近,容易使输入信号正半周进入到三极管的饱和区,从而使输出信号的负半周出现失真,称为饱和失真。当IB较小时,Q点将沿直流负载线下移至Q1点,而Q1点的位置距离截止区较近,容易使输入信号负半周进入到三极管的截止区,从而使输出信号的正半周出现失真,称为截止失真。因此,设置合适的静态工作点就变得尤为重要。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程为了保证放大电路具有稳定的静态工作点,需要对固定偏置共射放大电路进行改造。实际应用中一般采用分压式偏置共射放大电路,该电路利用负反馈有效地抑制温度对静态工作点的影响。分压式偏置放大电路如图4.2-22(a)所示,它的基极电压由RB1、RB2分压决定,发射极加接了电阻RE和电容CE,这是最常用的一种单元电路。3.分压式偏置共射放大电路静态工作点的估算分压式偏置共射放大电路的直流通路如图4.2-22(b)所示,其静态工作点的计算如下。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程4.8.5基本交流放大电路的动态分析所谓交流放大电路的动态分析,就是求出放大电路对交流信号呈现的输入电阻ri、输出电阻ro和交流电压放大倍数Au。对放大电路的动态分析应利用交流通路进行。所谓交流通路就是在输入信号作用下交流信号流经的通路。对于交流通路做以下处理:①大电容视为短路;②交流电源视为短路,但应保留其内阻。对交流放大电路进行动态分析通常采用微变等效电路法。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程1.微变等效电路法微变等效电路法是一种线性化的分析方法,其基本思想是:在满足“微变”的条件下,即信号变化的范围很小时,将三极管用一个与之等效的线性电路来代替,从而将非线性电路转化为线性电路,通过线性电路的分析方法来进行分析。三极管的微变等效电路如图4.2-23所示,其中电阻rbe由半导体的体电阻及PN结的电阻所组成,工程中用下式估算:2.固定偏置共射放大电路的动态分析固定偏置共射放大电路(图4.2-17(b))的微变等效电路如图4.2-24所示,放大器与信号源以及负载的等效电路如图4.2-25所示。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程(1)输入电阻ri:从放大电路输入端看进去的等效电阻如图4.2-25所示,定义为放大电路输入电压与输入电流的比值,用来衡量放大电路对输入信号源的影响。ri的大小决定了放大器向信号源索取电流的大小,通常希望ri越大越好。(2)输出电阻ro:根据戴维南定理,将放大电路的输出回路等效成一个有内阻的电压源,如图4.2-25所示,其内阻就是放大电路的输出电阻。输出电阻是用来衡量放大电路带负载能力的参数,通常希望ro越小越好上一页下一页返回任务过程2理论教学过程(3)电压放大倍数Au、Aus:定义为输出电压与输入电压的比值,是衡量放大电路性能的主要指标。3.分压式偏置共射放大电路的动态分析分压式偏置共射放大电路(图4.2-22)的微变等效电路如图4.2-26所示。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程4.共集电极放大电路的动态分析1)共集电极放大电路的组成共集电极放大电路如图4.2-27所示,输入信号加在三极管的基极,而输出信号则取自三极管的射极。对交流信号而言,直流电源UCC置零,集电极相当于“接地”,所以共集电极放大电路又称为射极输出器。2)共集电极放大电路的动态分析共集电极放大电路的微变等效电路如图4.2-28所示。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程4.9多级放大电路与功率放大电路4.9.1多级放大电路在实际应用中,放大电路的输入信号很微弱,要把微弱的信号放大几百倍、上千倍、甚至上万倍,单级放大电路是无法实现的,因此,需要将各种单级放大电路以不同的组合级连起来,构成多级放大电路。在多级放大电路中,级间的连接称为耦合。多级电压放大电路的耦合方式有直接耦合、阻容耦合、变压器耦合和光电耦合等。1.多级放大电路的级间耦合方式(1)直接耦合:把前级的输出端和后级的输入端连接在一起称为直接耦合,如图4.2-29所示。采用直接耦合方式的缺点是前后级的静态工作点会相互影响,优点是具有很好的低频特性,能对直流信号进行放大,而且便于集成。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程(2)阻容耦合:把前级的输出端和后级的输入端通过电容连接在一起,称为阻容耦合,采用阻容耦合方式的缺点是低频特性差,不便于集成,优点是前后级静态工作点相互独立。(3)变压器耦合:把前级的输出端和后级的输入端通过变压器连接在一起,称为变压器耦合。采用变压器耦合方式的缺点是低频特性差,不便于集成,优点是可以实现阻抗变化,从而在功放电路中得到广泛的应用,另外,静态工作点相互独立。(4)光电耦合:以光信号为媒介来实现电信号的耦合和传递,因其抗干扰能力强而得到广泛的应用。2.多级放大电路的技术指标(1)电压放大倍数:多级放大电路总的电压放大倍数为各级单元电路电压放大倍数的乘积,即上一页下一页返回任务过程2理论教学过程(2)输入电阻:多级放大电路总的输入电阻就是第一级的输入电阻。(3)输出电阻:多级放大电路总的输出电阻就是最后一级的输出电阻。4.9.2功率放大电路在实际应用中,往往要求放大电路能够为负载提供足够大的功率,称为功率放大电路,简称功放;功放电路中的三极管称为功率放大管,简称功放管,广泛应用于通信、音响设备等各方面。功放电路与其他放大电路在本质上没有根本的区别,只是侧重点不同,功放电路只追求输出尽可能大的功率,不要求高电压或是大电流。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程1.功率放大电路的特点1)功放电路的一般要求(1)在元件参数允许的范围内,为了使输出功率尽可能大,要求功放管工作在极限应用状态。(2)要求具有较高的效率。功放电路的功率是由直流电源提供的,若效率不高,会造成能量的浪费,电源提供的大部分能量会转换成热能消耗掉。(3)尽量减小非线性失真。功放管工作在大信号状态下,非线性失真不可避免,应适当增加偏置电路,尽可能将失真限制在允许范围内。2)功率放大电路的主要技术指标(1)最大输出功率Pom:在电路参数确定的情况下负载上可能获得的最大交流功率。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程(2)转换效率η:功放电路的最大输出功率与电源所提供的功率之比称为转换效率。2.功率放大电路的分类1)甲类放大器在放大电路中,若三极管在信号的整个周期内均导通,导通角θ=360°,则称之工作在甲类状态。功放管工作在甲类状态的放大电路称为甲类放大器,其特点是失真小,但效率低,理想情况下最高效率约为50%,功率损耗大。2)乙类放大器在放大电路中,若三极管仅在信号的正半周或负半周导通,导通角θ=180°,则称之工作在乙类状态。乙类放大器一般由两个工作在乙类状态的三极管交替工作,效率较高,约为78%,但是容易产生交越失真。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程3)甲乙类放大器在放大电路中,若三极管的导通时间大于半个周期且小于一个周期,导通角θ=180°~360°,则称之工作在甲乙类状态。功放管工作在甲乙类状态的放大电路称为甲乙类放大器,兼有甲类放大器音质好和乙类放大器效率高的优点。3.互补对称式功率放大电路互补对称式功率放大电路如图4.2-31所示,简称OCL电路(OutCapacitorLess,无输出电容),电路中有两只功放管,T1为NPN型,T2为PNP型,两管的基极连接在一起作为输入,射极连接在一起作为输出。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程4.10放大电路中的负反馈4.10.1反馈的基本概念1.反馈的概念所谓反馈,就是将基本放大电路输出信号的全部或一部分通过反馈网络引回到输入端,从而影响原输入信号的大小。分压式偏置放大电路如图4.2-22的电路所示,电阻RE是一个反馈元件,它能将输出回路的信息(输出电流IC的变化使得RE上的压降发生改变),送回输入回路,使输入电流IB增大或减小,从而维持输出电流IC基本稳定。当环境温度发生变化时,电路中的电压与电流产生如下变化。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程2.反馈电路框图反馈电路的框图如图4.2-32所示,上面一个方框表示基本放大电路,下面一个方框表示反馈网络,有反馈的系统称为闭环系统,无反馈的系统称为开环系统。图中X·i表示输入量,X·d表示净输入量,X·o表示输出量,X·f表示反馈量。F·表示反馈网络的反馈系数,A·表示未引入反馈前的基本放大电路的放大倍数(开环增益),Af·表示引入反馈后的基本放大电路的放大倍数(闭环增益)。它们之间的关系为上一页下一页返回任务过程2理论教学过程4.10.2反馈的基本类型和判别电路中的反馈根据产生效果的不同分为正反馈和负反馈两种。放大电路中普遍采用的是负反馈,根据输出端采用的不同和输入端连接方式的不同,负反馈具有电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流串联负反馈和电流并联负反馈四种基本组态。1.正反馈和负反馈使输入信号的净输入量减小的反馈称为负反馈,反之,使输入信号的净输入量增大的反馈,称为正反馈。对反馈极性的判别采用瞬时极性法。先假定输入信号某一时刻的瞬时极性,然后逐级判断出电路中各相关点电流的流向和各点极性,从而得出输出信号的极性,再通过反馈网络回到输入端,判断反馈信号的极性,并观察反馈信号是使净输入信号增大还是减小,若增大则引入正反馈,若减小则引入负反馈。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程2.直流反馈和交流反馈如果反馈量只含有直流量,则称为直流反馈;如果反馈量只含有交流量,则称为交流反馈。直流负反馈主要用于稳定放大电路的静态工作点,交流负反馈主要用来改善放大电路的动态性能。多数电路属于交流反馈和直流负反馈并存。3.串联反馈和并联反馈若反馈信号与输入信号以电压方式相叠加,则称为串联反馈;若反馈信号与输入信号以电流方式相叠加,则称为并联反馈。判别方法:反馈信号和输入信号加到放大元件的同一电极,则为并联反馈,反之为串联反馈。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程4.电压反馈和电流反馈反馈量取自输出电压则为电压反馈,反馈量取自输出电流则为电流反馈。判别方法:令反馈放大电路输出电压为零,若反馈量也随之消失,则为电压反馈,若反馈量依然存在,则为电流反馈。4.10.3负反馈对放大电路的影响1.提高放大电路的稳定性当放大电路引入深度负反馈,即1+AF≫1时,放大电路以损失放大倍数为代价提高了稳定性,即稳定性提高到A(1+AF)倍。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程2.改变输入、输出电阻负反馈对输入电阻的影响取决于输入端是串联负反馈还是并联负反馈。当输入端为串联负反馈时,输入电阻增大为开环时输入电阻的(1+AF)倍;当输入端为并联负反馈时,输入电阻减小为开环时输入电阻的3.展宽频带当输入幅度相同而频率不同的信号时,高频段和低频段的输出信号比中频段的输出信号小,因此反馈信号也小,对净输入信号的削弱作用小,所以高、低频段的放大倍数减小程度比中频段的小,从而扩展了通频带。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程4.减小非线性失真引入负反馈后,信号的失真被引回到输入端,可以看作通过反馈使净输入信号产生预失真,这种预失真正好补偿了放大电路非线性引起的失真。必须注意的一点是:负反馈只能减小放大电路内部引起的非线性失真,对于信号本身固有的失真则无能为力。此外,负反馈只能减小而不能消除非线性失真。4.11差动放大电路4.11.1直流放大与零点漂移能放大直流信号的放大器称为直流放大器。直流放大器常用于测量仪表,它的类型很多,直接耦合的单管放大电路是最简单的一种。利用成对晶体管或场效应管构成的差动放大器是一种零点漂移较小的直流放大器,常用于集成运算放大器的输入级。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程理想情况下,直接耦合的多级放大电路的输入信号为零时,其输出电压应保持零值。但实际的情况是,输入信号为零时,输出电压并不为零,而是随着时间缓慢地、无规则地、持续地变动,这种现象称为零点漂移,简称零漂。零漂产生的原因有很多,比如元件的老化、电源电压的波动以及半导体元件参数随温度变化而产生的变化,都会使输出电压产生漂移。在直接耦合电路中,前一级的漂移会和有用信号一起被送到下一级,并逐级放大,从而在输出级产生很大的变化。其中,由温度变化引起的元件参数的变化成为零点漂移的主要原因,因此零点漂移也称为温度漂移,简称温漂。对于直接耦合放大电路来说,必须采取措施抑制温度漂移,最常用的有效措施就是采用差动放大电路。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程4.11.2差动放大电路的工作原理1.基本差动放大电路的电路组成和特点基本差动放大电路如图4.2-33所示,两侧的共射放大电路完全对称,即VT1、VT2参数完全相同,两个三极管的射极相连,并接有公共的射极电阻RE,两个基极信号电压ui1、ui2大小相等、相位相反,称为差模信号,是放大电路进行传输和放大的有用信号,用uid表示,uid=ui1-ui2。当差动放大电路输入端施加差模信号时,输出端uo1与uo2大小相等、相位相反,输出信号uo=uo1-uo2=2uo1。2.差动放大电路的连接方式差动放大电路有两个输入端和两个输出端,可以组合成四种不同的连接方式,如图4.2-33所示为典型的双端输入双端输出方式,另外还有双端输入单端输出、单端输入双端输出以及单端输入单端输出方式。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程4.12集成运算放大电路简介前面讲述的放大电路都是用单个晶体管、二极管、电阻、电容等元件连接而成的电路,称为分立元件电路。集成电路(英文简称IC)利用特殊的半导体技术,把组成电路的电阻、二极管、三极管、电容及连接导线同时制作在一小块硅片上,并对外完成一定的功能,它除了具有体积小、重量轻、功耗低等优点外,还缩短了元器件相互间的连接距离,免去了焊接点,从而提高了工作可靠性,降低了成本。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程4.12.1集成运放的构成与引脚功能1.集成运放的构成集成运放的基本组成包括输入级、中间级、输出级和偏置电路四个部分,如图4.2-34所示。(1)输入级:又称为前置级,通常由双端输入的差动放大电路组成,要求较高的输入电阻和共模抑制比。(2)中间级:主要任务是提高电压放大倍数,通常由共发射极接法组成多级直接耦合放大电路。(3)输出级:一般由互补对称功率放大电路组成大信号放大器,要求有较低的输出电阻和较强的带负载能力。(4)偏置电路:一般由各种晶体管恒流源电路构成,为上述各级放大电路提供合适而稳定的偏置电流。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程2.集成运放的引脚功能集成运放外部管脚接线图如图4.2-35所示,管脚2为反相输入端;管脚3为同相输入端;管脚6为输出端外接负载;管脚4为负电源端;管脚7为正电源端;管脚1和管脚5为外接调零补偿电位器端,即当输入信号为零而输出信号不为零时,可调节该电位器数值,使输出信号为零;管脚8是空脚,使用时可悬空处理。4.12.2集成运放的符号与主要技术指标集成运放的图形符号如图4.2-36所示,u-为反相输入端,在运放图中用“-”表示;u+为同相输入端,在运放图中用“+”表示。集成运算放大器的主要技术指标如下。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程1.开环差模电压放大倍数Auo开环差模电压放大倍数Auo指的是运放在没有外接反馈电路时,输出电压与输入电压的变化量之比,即Auo愈高,所构成的运放电路愈稳定,运算精度也愈高。Auo一般为104~107或80~140dB。2.差模输入电阻ri差模输入电阻是电路输入差模信号时,运放开环输入电阻,一般为几十千欧至几十兆欧。3.差模输出电阻ro差模输出电阻是运放输入端短路、负载开路时,运放输出端的等效电阻,一般为20~200Ω。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程4.最大共模输入电压UicM由于差动输入级对共模信号有抑制作用,因此,共模输入使运放的输出基本上不受其影响。运放在一定的共模电压范围内才具有抑制共模信号的作用,如果超出此范围,运放内部管子将工作在不正常状态(处于饱和或截止),抑制能力显著下降,甚至造成器件损坏。F007的UicM约为±12V。4.12.3集成运放的电压传输特性1.电压传输特性集成运放的输出电压uo与输入电压ui=(u+-u-)之间的关系称为运放的电压传输特性,即其电压传输特性曲线表示如图4.2-37所示。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程4.13集成运放的应用4.13.1集成运放的线性应用当集成运放用来对信号进行运算,完成比例、求和、积分、微分、对数、指数等运算时,必须保证集成运放工作在线性区。非线性区只有+UOM和-UOM两种状态,要保证集成运放工作在线性区,必须给集成运放引入深度负反馈,形成闭环。1.比例运算电路根据输入信号所加的输入端的不同,比例运算电路分为反相比例运算电路和同相比例运算电路。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程1)反相比例运算电路反相比例运算电路如图4.2-38所示,输入信号通过电阻R1加在集成运放的反相输入端,Rf为反馈电阻,跨接在输出端和反相输入端之间,构成电压并联负反馈。R2为平衡电阻,目的是使集成运放两输入端对地直流电阻相等,满足R2=R1//Rf。2)同相比例运算电路同相比例运算电路如图4.2-39所示,输入信号加在集成运放的同相输入端,反相输入端通过R1接地,Rf跨接在输出端和反相输入端之间,构成电压串联负反馈。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程3)减法运算电路减法运算电路由反相输入和同相输入运算电路组合而成,如图4.2-41所示,因其工作在线性区,可采用叠加定理分析电路。2.积分运算电路积分运算电路如图4.2-42所示,根据虚断和虚短,可得if=i1=ui/R,此电流对电容C进行充电输出电压上一页下一页返回任务过程2理论教学过程3.微分运算电路微分是积分的逆运算,将积分运算电路的电容与电阻互换位置,便可构成微分运算电路,如图4.2-43所示。4.13.2集成运放的非线性应用当集成运放处于开环或正反馈状态时,集成运放工作在非线性区,此时虚短的概念不再成立,但仍有虚断特性,输出电压只有+UOM和-UOM两个值。1.单限比较器单限比较器如图4.2-44所示,输入信号ui接同相输入端,基准电压UR接反相输入端。若单限电压比较器的基准电压UR=0,则输出电压在零值点产生跃变,这种比较器称为过零比较器,如图4.2-45所示。上一页下一页返回任务过程2理论教学过程2.滞回比较器单限比较器比较简单,而且灵敏,当输入电压在基准电压值附近有干扰的波动时,会引起输出电压的跳变,致使产生误操作,为了提高电路的抗干扰能力,常常采用滞回比较器。滞回比较器的电路如图4.2-46所示,通过电阻R3将输出信号引回到同相输入端,形成正反馈,此时作为基准电压的同相输入端电压不固定,会跟随输出电压的变化而变化。上一页返回任务过程3理论与实践相结合的教学过程4.14知识的拓展4.14.1功放电路TDA2030是一种音频功放电路,广泛应用于汽车立体声收录音机和中功率音响设备,具有体积小、输出功率大、谐波失真和交越失真小等特点,并设有短路和过热保护电路等,多用于高级收录机及高传真立体声扩音装置。典型TDA2030构成的OCL电路如图4.3-1所示,为了保持两个输入端的直流电阻平衡,使输入级偏置电流相等,选择R3=R1。D1起保护作用,用来泄放R=产生的感应电压,将输出端的最大电压钳位于VCC+0.7V和VCC-0.7V上。C1和C2为耦合电容器,C3和C4为去耦电容,用于减少电源内阻对交流信号的影响。下一页返回任务过程3理论与实践相结合的教学过程4.14.2集成运放在实际使用中应注意的问题(1)集成运放在使用前要用万用表欧姆档进行检查,以确保正、负电源端与输出端和其他引出端之间,以及两输入端之间均无短路现象。(2)集成运放接线要正确可靠。由于集成运放的外接端点比较多,很容易接错,因此要求集成运放电路接线完毕后,应认真检查,确认没有错误后,方可接通直流电源,

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