电工电子技术概论（中篇共上中下3篇）

IntroductoryElectricalandelectronicTechnology电工电子技术概论主编：盛贤君大连理工大学出版社(第二版)6.2交流电路的基尔霍夫定律02CONTENTS6.1交流电路的欧姆定律01目录CONTENTS第6章交流电路的分析6.3交流电路的阻抗036.4交流电路的功率046.5三相交流电路05PART-016.1交流电路的欧姆定律6.1交流电路的欧姆定律电二端网络中,内部只含无源元件的网络称为无源二端网络,如图6-1所示。6.1交流电路的欧姆定律式(6-1)称为交流电路的欧姆定律或欧姆定律的相量形式。该式也可以改写为或者Z是一个复数,用极坐标表示为Z=｜Z｜∠φ(6-4)式中,|Z|称为阻抗模,φ称为阻抗角。6.1交流电路的欧姆定律上述三式也可以称为交流电路的欧姆定律。由式(6-5)还可以得到电压与电流的相位关系为ψu-ψi=φ即电压对电流的相位差等于阻抗角。6.1交流电路的欧姆定律PART-026.2交流电路的基尔霍夫定律6.2交流电路的基尔霍夫定律6.2.1基尔霍夫电流定律

在交流电路中,基尔霍夫电流定律的表达形式为即在电路的任何结点上,任一瞬间电流的代数和等于零。流入结点的电流前面取正号,流出结点的电流前面取负号。若用相量表示,则交流电路基尔霍夫电流定律的相量形式为即在电路的任何结点上,电流的相量和等于零。流入结点的电流相量前面取正号,流出结点的电流相量前面取负号。6.2交流电路的基尔霍夫定律6.2交流电路的基尔霍夫定律在交流电路中,基尔霍夫电压定律的表达形式为即在电路的任何回路中,任一瞬间电压的代数和等于零。与回路方向一致的电压前面取正号,与回路方向不一致的电压前面取负号。若用相量表示,则交流电路基尔霍夫电压定律的相量形式为即在电路的任何回路中,电压的相量和等于零。与回路方向一致的电压相量前面取正号,与回路方向不一致的电压相量前面取负号。6.2交流电路的基尔霍夫定律PART-036.3交流电路的阻抗6.3交流电路的阻抗6.3.1理想无源元件的阻抗

1.电阻元件的阻抗电阻元件的阻抗为ZR=R(6-13)即电阻元件的阻抗为一实数,在数值上就等于该元件的电阻。证明如下:如图6-4(a)所示,在电阻元件两端加上电压u,则电路中将通过电流i。设6.3交流电路的阻抗比较上面两式,便可知道电阻元件的电压与电流之间有如下关系:电压和电流的频率相同;电压和电流的相位相同;电压和电流的有效值之间的关系为U=RI(6-14)若将上述关系用相量表示,则相量图如图6-4(b)所示。由此证明6.3交流电路的阻抗2.电容元件的阻抗电容元件的阻抗为ZC=-jXC(6-16)式中,称为容抗,单位为欧姆(Ω)。可见,电容元件的阻抗为一虚数,在数值上就等于该元件的容抗。6.3交流电路的阻抗

证明如下:如图6-5(a)所示,在电容元件两端加上电压u,则电路中将通过电流i,设6.3交流电路的阻抗比较上面两式,便可知道电容元件的电压与电流之间有如下关系:电压和电流的频率相同;电流在相位上超前于电压90°,即电压在相位上滞后于电流90°;电压和电流的有效值之间的关系为U=XCI(6-18)若将上述关系用相量表示,则6.3交流电路的阻抗3.电感元件的阻抗电感元件的阻抗为ZL=jXL(6-20)式中,XL=ωL(6-21)称为感抗,单位为欧姆(Ω)。可见,电感元件的阻抗为一虚数,在数值上就等于该元件的感抗。

证明如下:如图6-6(a)所示,在电感元件两端加上电压u,则电路中将通过电流i,设6.3交流电路的阻抗比较上面两式,便可知道电感元件的电压与电流之间有如下关系:电压和电流的频率相同;电压在相位上超前于电流90°,即电流在相位上滞后于电压90°;电压和电流的有效值之间的关系为U=XLI(6-22)若将上述关系用相量表示,则6.3交流电路的阻抗6.3交流电路的阻抗6.3.2RCL串联电路的阻抗图6-8是RCL串联电路,各元件的阻抗分别为R、-jXC和jXL。根据KVL和欧姆定律,得式中,X=XL-XC(6-24)称为串联电路的电抗,单位为欧姆(Ω)。由此得到RCL串联电路的阻抗为Z=R+jX(6-25)6.3交流电路的阻抗可见,RCL串联电路的阻抗为一个复数,其实部为电阻,虚部为电抗。式(6-25)是阻抗的代数式,式(6-4)是阻抗的极坐标式。根据第1章中介绍的复数的模、辐角、实部和虚部间的关系可知,RCL串联电路的阻抗模|Z|、阻抗角φ与电阻R、电抗X之间有如下关系:即|Z|、R和X三者之间符合如图6-9所示的直角三角形关系。这一三角形称为阻抗三角形。如图6-8所示的RCL串联电路包含了三种不同的参数,是具有一般意义的典型电路。单一无源元件或两种无源元件串联的电路只是RCL串联电路在R、XC、XL中某两个或某一个等于零时的特例。6.3交流电路的阻抗

【例6-5】如图6-10所示电路中,已知R=40Ω,L=500mH,电源电压U=220V,频率f=50Hz。求电路中的电流I。解电路中的感抗、电抗和阻抗模分别为XL=ωL=2πfL=2×3.14×50×500×10-3Ω=157ΩX=XL-XC=157-0Ω=157Ω6.3交流电路的阻抗6.3.3阻抗的串联和并联

1.阻抗串联阻抗串联时,例如如图6-11所示两个阻抗串联时,电路的总阻抗为可见,n个阻抗串联时,总阻抗Z的计算公式为但要注意,一般情况下6.3交流电路的阻抗

2.阻抗并联阻抗并联时,例如如图6-12所示两个阻抗并联时,电路总阻抗的倒数为可见,n个阻抗并联时,总阻抗Z的计算公式为但要注意,一般情况下6.3交流电路的阻抗

【例6-6】如图6-13所示电路中,已知R=60Ω,XC=40Ω,XL=80Ω。求电路的总阻抗。解由于XC与XL并联后再与R串联,故电路的总阻抗为PART-046.4交流电路的功率6.4交流电路的功率6.4.1瞬时功率

设某一电路中的电压对电流的相位差为φ,且设i=Imsin

ωtu=Umsin（ωt+φ）由于u和i是随时间变化的,它们的乘积称为瞬时功率。瞬时功率也是随时间变化的,用小写字母p表示,即p=ui=Umsin（ωt+φ）·Imsinωt=2UIsin(ωt+φ)sinωt=2UI(sin

ωtcosφ+cos

ωt

sinφ)sin

ωt

=2UIcosφsin2ωt+UIsinφsin2ωt=p'+p″

(6-30)p的第一部分p'=2UIcosφsin2ωt变化规律如图6-14所示。它虽然是变化的,但却是大于或等于零的。说明这部分功率是实际消耗的,这是因为电路中有耗能元件存在。6.4交流电路的功率p的第二部分p″=UIsin

φsin2ωt变化规律如图6-15所示。它在一个周期内的平均值等于零,说明这部分功率并未实际消耗掉,这是因为电路中有储能元件存在。当电容电压的绝对值增加时,电容从电源吸取电能并将之转化为电场能,电容中储存的电场能增加;当电容电压的绝对值减少时,电容又将电场能转换为电能送回电源,电容中储存的电场能减少。同样,当电感电流的绝对值增加时,电感从电源吸取电能并将之转换为磁场能,电感中储存的磁场能增加;当电感电流的绝对值减少时,电感又将磁场能转换为电能送回电源,电感中储存的磁场能减少。因而电路与电源之间不断有能量在往返互换。6.4交流电路的功率以上分析说明,一般而言,交流电路中存在着两部分功率:一部分是实际消耗的功率,其大小是用有功功率来表示的;另一部分是电路与电源之间往返互换的功率,其大小是用无功功率来表示的。两者的综合值则用视在功率来表示。6.4交流电路的功率6.4.2有功功率瞬时功率p在一个周期内的平均值称为平均功率,又称为有功功率(activepower)。有功功率用P表示,单位为瓦(特)(W)。有功功率代表电路消耗的功率。由于p″在一个周期内的平均值为零,p的平均值等于p'的平均值,由图6-14可知,其值应为最大值2UIcosφ的一半,因此,有功功率的计算公式为P=UIcosφ(6-31)电阻元件的电压与电流的相位差φ=0°,故电阻消耗的有功功率为电容元件的电压滞后于电流90°,即φ=-90°,cosφ=0,P=0,即电容元件不消耗有功功率。电感元件的电压超前于电流90°,即φ=90°,cosφ=0,P=0,即电感元件不消耗有功功率。有功功率总是大于零的,故电路的总有功功率应等于各支路或各电阻元件有功功率的算术和,即6.4交流电路的功率6.4.3无功功率瞬时功率中电路与电源之间往返互换功率的最大值称为无功功率(reactivepower)。无功功率用Q表示。为了与P区别起见,无功功率单位用乏(尔)(var)。无功功率代表电路与电源之间往返互换功率的规模,由图6-15可知,无功功率的计算公式为Q=UIsinφ(6-34)电阻元件的φ=0,sinφ=0,Q=0,即电阻元件没有无功功率。电容元件的φ=-90°,sinφ=-1,故电容元件的无功功率为电感元件的φ=90°,sinφ=1,故电感元件的无功功率为6.4交流电路的功率无功功率有电容性和电感性之分,前者为负值,后者为正值。这是因为电路中同时有电容和电感存在时,由于电容电压与电感电流的相位不同,使得电场能增加时,磁场能却在减少,反之亦然。因而两者的总无功功率为两者的无功功率的绝对值之差,即Q=QL+QC=｜QL｜-｜QC｜(6-37)无功功率既然有正、负之分,故电路的总无功功率应等于各支路或各储能元件无功功率的代数和,即6.4交流电路的功率6.4.4视在功率电压与电流有效值的乘积称为视在功率(apparentpower)或表观功率,用S表示,即S=UI(6-39)为了与P和Q区别起见,S的单位为伏安(V·A)。视在功率可视为有功功率和无功功率的综合值,它的大小反映了电气设备的负载情况。由式(6-31)、式(6-34)和式(6-39)可知,三种功率间的关系为P=Scosφ(6-40)Q=Ssinφ(6-41)三者之间符合如图6-16所示直角三角形的关系。这个直角三角形称为功率三角形。6.4交流电路的功率6.4.5功率因数在交流电路中,有功功率与视在功率的比值称为电路的功率因数(powerfactor),用λ表示,即因而,电压与电流的相位差φ又称为功率因数角,它是由电路的参数决定的。在纯电容和纯电感电路中,P=0,S=Q,λ=0,功率因数最低。在纯电阻电路中,Q=0,S=P,λ=1,功率因数最高。功率因数是一项重要的力能经济指标。功率因数高会带来下述两个优点:提高供电设备的利用率。１减少供电设备和输电线路的功率损耗。２6.4交流电路的功率6.4交流电路的功率解(1)求电流。解法1先求支路电流,再求总电流。6.4交流电路的功率解法2先求电路总阻抗,再求总电流。6.4交流电路的功率(2)求功率。解法1由总电压、总电流求总功率。P=UIcosφ=220×0.86×cos(0°-39.6°)W=146WQ=UIsinφ=220×0.86×sin(0°-39.6°)var=-121varS=UI=220×0.86V·A=189.2V·A6.4交流电路的功率解法2由支路功率求总功率。

P=P1+P2=UI1cosφ1+UI2cosφ2

={220×1.90×cos（0-80°）+220×1.36×cos[0-(-75.7°)

]}W=(72+74)W=146W

Q=Q1+Q2=UI1sinφ1+UI2sinφ2

={220×1.90×sin(0-80°)+220×1.36×sin[0-(-75.7°)]}var=-121var6.4交流电路的功率解法3由元件功率求总功率。(3)求功率因数。λ=cosφ=cos（0-39.6°）=0.77PART-056.5三相交流电路6.5三相交流电路6.5.1三相负载由三相电源供电的负载称为三相负载。三相负载一般可以分为两类。一类负载必须接在三相电源上才能工作,例如三相异步电动机、大功率三相电阻炉等。这类负载的特点是三个相的负载阻抗相等,即Z1=Z2=Z3(6-44)这种负载称为对称三相负载,或称三相负载是对称的。由对称三相电源供电给对称三相负载的电路称为对称三相电路。与三相电源相同,三相负载的基本连接方式也有星形(Y形)联结(图6-19)和三角形(△形)联结(图6-20)两种。无论采用哪种连接方式,负载的相电压、线电压、相电流、线电流的定义是相同的。6.5三相交流电路6.5三相交流电路6.5三相交流电路1.三相负载的星形联结图6-19是三相负载的三相四线制星形联结。由于负载相电压即电源电压,因此它们是对称的。若负载也对称,则三相负载的相电流和线电流也是对称的。这时线电压与相电压、线电流与相电流的有效值间的关系为当负载对称时,通过相量运算或相量图可知IN=0。中性线中若没有电流,中性线便可省去,电路变成三相三线制星形联结,而式(6-46)的关系仍然成立。当负载不对称时,IN≠0,中性线不可省去,否则势必会引起相电压的变化,使负载的三相电压不对称,有的相电压过高,有的相电压过低,故使三相负载不能正常工作,甚至损坏。6.5三相交流电路2.三相负载的三角形联结图6-20是三相负载的三角形联结。显然这种连接方式只能是三相三线制。这时,负载的线电压与相应的相电压相等,线电流与相电流的关系可由KCL求得。当负载对称时,通过相量运算或相量图求得线电压与相电压、线电流与相电流的有效值间的关系为6.5三相交流电路3.三相负载联结方式的确定三相负载既然有两种联结方式,那么在什么情况下应该接成星形,什么情况下应该接成三角形呢?三相负载应该采用哪一种联结方式,应该由电源电压和负载额定电压的大小来决定。原则上,应使负载的实际相电压等于其额定相电压,为此,可分为以下两种情况:(2)当负载的额定相电压等于电源线电压时,负载应采用三角形联结。6.5三相交流电路6.5.2三相功率对于三相负载和三相电源,无论负载是否对称,无论采用何种联结方式,三相总有功功率应等于各相有功功率的算术和,即P=P1+P2+P3(6-48)总无功功率应等于各相无功功率的代数和,即Q=Q1+Q2+Q3(6-49)总视在功率为如果负载对称,则各相的有功功率、无功功率均相等,即P1=P2=P3=UPIPcosφQ1=Q2=Q3=UPIPsinφ6.5三相交流电路从而得到总有功功率、总无功功率和总视在功率与相电压、相电流的关系为将式(6-46)或式(6-47)代入式(6-51),得到负载对称时,这三种功率与线电压、线电流的关系为IntroductoryElectricalandelectronicTechnology电工电子技术概论主编：盛贤君大连理工大学出版社(第二版)7.2基本半导体器件02CONTENTS7.1半导体基础知识01目录CONTENTS第7章电子器件7.3光电半导体器件037.4电子显示器件047.5集成电子器件05PART-017.1半导体基础知识7.1半导体基础知识7.1.1本征半导体纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体(intrinsic

semiconductor)。在物理学中已经学过,半导体中存在着两种载流子:本征半导体中载流子总数很少,导电能力很差,如果掺入微量的其他合适的元素,这种做法称为掺入杂质,简称掺杂。掺杂可以使半导体的导电能力有很大的提高。带正电的空穴带负电的自由电子7.1半导体基础知识7.1.2杂质半导体掺入杂质的半导体称为杂质半导体(extrinsic

semiconductor)。

如果所掺杂质带来了很多空穴,使得空穴的总数远大于自由电子的总数,则空穴成为多数载流子,自由电子成为少数载流子,这种半导体主要靠空穴导电,称为空穴型半导体,简称P型半导体(P-typese

miconductor)。

如果所掺杂质使得自由电子的总数远大于空穴的总数,则自由电子成为多数载流子,空穴成为少数载流子,这种半导体主要靠自由电子导电,称为电子型半导体,简称N型半导体(N-typese

miconductor)。7.1.3PN结1.PN结的形成

如图所示,将一块半导体的两边分别做成P型半导体和N型半导体。7.1半导体基础知识

由于P型半导体区内空穴的浓度大,N型半导体区内自由电子的浓度大,它们将越过交界面向对方区域扩散。这种多数载流子因浓度上的差异而形成的运动称为扩散运动(diffusion

motion)。

多数载流子扩散到对方区域后被复合而消失,但在交界面的两侧分别留下了不能移动的正负离子,呈现出一个空间电荷区。这个空间电荷区就称为PN结(PN

junction)。

多由于PN结内的载流子因扩散和复合而消耗殆尽,故又称耗尽层。

同时正、负离子将产生一个方向为由N型区指向P型区的电场,这个电场称为内电场。

内电场反过来对多数载流子的扩散运动又起着阻碍作用,同时,那些做杂乱无章运动的少数载流子在进入PN结时,在内电场的作用下,必然会越过交界面向对方区域运动。这种少数载流子在内电场作用下的运动称为漂移运动(driftmotion)7.1半导体基础知识2.PN结的特性PN结的特性主要是单向导电性(unilateral

conductivity)(1)PN结外加正向电压,即PN结正向偏置,是指将外部电源的正极接P端,负极接N端[图7-2(a)]。由于外部电源不断地向半导体提供电荷,因此该电流得以维持。这时PN结所处的状态称为正向导通,简称导通(on)。7.1半导体基础知识(2)PN结外加反向电压,即PN结反向偏置,是指将外部电源的正极接N端,负极接P端[图7-2(b)]。PN结这时所处的状态称为反向截止,简称截止(cut-off)。7.1半导体基础知识PART-027.2基本半导体器件7.2基本半导体器件7.2.1半导体二极管

1.基本结构半导体二极管(diode)是在一个PN结两端加上电极引线而做成的,如图所示,P型区一侧引出的电极称为阳极,N型区一侧引出的电极称为阴极,图中还给出了半导体二极管的图形符号。7.2基本半导体器件7.2.1半导体二极管

2.伏安特性二极管的电流与电压之间的关系曲线称为二极管的伏安特性。硅二极管和锗二极管的伏安特性如图所示,它们可以分为正向特性和反向特性两部分。在正向电压很小时,由于外电场不足以克服内电场对多数载流子扩散运动的阻力,使得正向电流几乎为零(曲线OA段),这时二极管并未真正导通,这一段所对应的电压称为二极管的死区电压(dead-zone

voltage)或阈值电压(threshold

voltage),通常硅二级管的阈值电压约为0.5V,锗二级管的阈值电压约为0.2V。7.2基本半导体器件7.2.1半导体二极管反向特性反映了二极管外加反向电压时电流和电压的关系。在反向电压不超过一定范围时(曲线OB段),少数载流子的漂移运动形成了很小的反向电流。由于该电流几乎恒定,故称为反向饱和电流(reverse

saturation

current)。当外加反向电压过高,超过特性曲线上B点对应的电压时,反向电流会突然急剧增加,这是因为外电场太强,将PN结内的束缚电子拉出并形成自由电子和空穴,同时又使电子运动速度增加,高速运动的电子与原子碰撞产生更多的自由电子和空穴,并引起连锁反应,终因少数载流子的大量增加而导致反向电流的剧增。这种现象称为反向击穿(reverse

breakdown)。B点对应的电压称为反向击穿电压(reverse

breakdown

voltage)。普通二极管被击穿后,PN结的温度过高,会失去单向导电性,而且不可能再恢复其原有性能,将造成永久性损坏。7.2基本半导体器件3.主要参数

二极管的参数是正确选择和使用二极管的依据。主要参数有:额定正向平均电流IF正向电压降UF最高反向工作电压UR最大反向电流IRm7.2基本半导体器件7.2.2稳压二极管

稳压二极管又称齐纳二极管(Zener

diode)。它是一种特殊的面接触型二极管。在电路图中的图形符号如图7-5(a)所示。稳压二极管的伏安特性[图7-5(b)]与普通二极管相似,但反向击穿电压小,而且稳压二极管应工作在反向击穿区。由于采取了特殊的设计和工艺,只要反向电流在一定范围内,PN结的温度不会超过允许值,不会造成永久性击穿。7.2基本半导体器件

【例7-1】如图7-6(a)所示电路中,稳压二极管的稳定电压UZ=5V,正向电压可以忽略不计。试求:(1)当输入电压UI分别为10V、3V和-5V时的输出电压UO;(2)若输入电压为交流ui=10sinωtV,求这时输出电压uO的波形。7.2基本半导体器件

解(1)UI=10V时,由于UI=10V>UZ=5V,DZ工作于反向击穿区,起稳压作用,故UO=UZ=5V。UI=3V时,由于UI=3V<UZ=5V,DZ不在反向击穿区工作,它相当于反向截止的二极管,电路中的电流等于零,故UO=UI=3V。UI=-5V时,由于DZ工作在正向导通状态,故UO=0V。(2)ui=10sinωtV时,在ui的正半周中,当ui<UZ=5V时,DZ工作在反向截止状态,故uO=ui;当ui>UZ=5V时,DZ工作在反向击穿区,起稳压作用,故uO=UZ=5V。在ui的负半周中,DZ处在正向导通状态,故uO=0V。最后求得uO的波形如图7-6(b)所示。可见,这时DZ起限幅作用。7.2基本半导体器件7.2.3双极型晶体管1.基本结构有两种极性的载流子(自由电子和空穴)在其内部做扩散、复合和漂移运动的半导体三极管称为双极型晶体管(bipolar

junction

transistor,BJT),简称晶体管(transistor)。它是在一块半导体上制成两个PN结,再引出三个电极而构成的。每种晶体管都有三个导电区域:发射区集电区基区位于发射区和基区之间的PN结称为发射结(emitter

junction),位于集电区和基区之间的PN结称为集电结(collector

junction)。从对应的三个区引出的电极分别称为发射极E(emitter),基极B(base)和集电极C(collector)。7.2基本半导体器件位于发射区和基区之间的PN结称为发射结(emitter

junction),位于集电区和基区之间的PN结称为集电结(collector

junction)。从对应的三个区引出的电极分别称为发射极E(emitter),基极B(base)和集电极C(collector)。7.2基本半导体器件2.工作状态

晶体管的工作状态有放大、饱和与截止三种,下面分别讨论。

晶体管处于放大状态(amplification

state)的条件是发射结正向偏置,集电结反向偏置,电路如图所示。(1)放大状态7.2基本半导体器件

晶体管内载流子的运动过程是:发射区发射载流子形成IE,其中少数部分在基区被复合形成IB,大部分被集电区收集形成IC。三者的关系是IE=IB+IC

(7-1)三者的大小取决于UBE的大小,UBE增加,发射区发射的载流子增多,IE、IB和IC都相应增加。

IB、IC和IE各占多少比例呢?如图7-9(a)所示,当基极开路时,IB=0,这时的集电极电流用ICEO表示,称为穿透电流(penetration

current)。(1)放大状态7.2基本半导体器件称为晶体管的直流(或静态)电流放大系数(DCcurrentamplificationcoefficient)。当改变RB使得发射结电压变化了ΔUBE时,各极电流将会随之变化,在保持UCE不变的情况下,集电极电流的变化量与基极电流的变化量之比,即(1)放大状态7.2基本半导体器件(1)放大状态晶体管工作在放大状态的特征是:IB的微小变化可得到IC的较大变化。IC=βIB,IC是由β和IB决定的。0<UCE<UCC,UCE=UCC-ICRC。晶体管相当于通路。7.2基本半导体器件(2)饱和状态晶体管处于饱和状态(saturation

state)的条件是发射结正向偏置,集电结也正向偏置。若减小RB,使UBE增加,则开始时,因工作在放大状态,IB增加,IC也增加,UCE减小。当UCE减小到接近为零时，已达到了所示电路可能的最大数值,再增加IB,IC已不可能再增加,即已经饱和,故晶体管这时的状态称为饱和状态。这时集电结已正向偏置。实际上只要UCE<UBE,集电结都处于正向偏置,晶体管已进入饱和状态。由于饱和时,UCC≫UCE,故可认为从输出回路看,这时的晶体管如图7-10所示,相当于一个开关处于闭合状态,晶体管相当于短路。晶体管处于饱和状态的特征是:IB增加时,IC基本不变。UCE≈0。晶体管相当于短路。7.2基本半导体器件(3)截止状态

晶体管处于截止状态(cut-offstate)的条件是发射结反向偏置,集电结也反向偏置。

从输出回路看,晶体管如图7-11所示,相当于一个开关处于断开状态,晶体管相当于开路。晶体管工作在截止状态的特征是:基极电流IB=0。集电极电流IC=0晶体管相当于开路。UCE=UCC。7.2基本半导体器件

3.特性曲线

常用晶体管的特性曲线有以下两种。7.2基本半导体器件

4.主要参数穿透电流ICEO集电极最大允许电流ICM集电极最大允许耗散功率PCM反向击穿电压U(BR)CEO7.2基本半导体器件

7.2.4场效应晶体管

场效应晶体管是用一种掺杂浓度较低的P型硅片[图7-15(a)]或者N型硅片[图7-15(b)]作衬底,在P型硅衬底上制成两个掺杂浓度很高的N型区(用N+表示),或者在N型硅衬底上制成两个掺杂浓度很高的P型区(用P+表示)。分别从这两个N+区或P+区引出两个电极,一个称为源极S(source),一个称为漏极D(drain)。然后在衬底表面生成一层二氧化硅的绝缘薄层,并在源极和漏极之间的表面上覆盖一层金属铝片,引出栅极G(grid)。由于栅极与其他电极是绝缘的,所以称为绝缘栅场效应晶体管(insulated

gate

type

FET),也称为金属-氧化物-半导体(metal-oxide-semiconductor,MOS)场效应晶体管,简称为MOS场效应晶体管(MOSFET)。按导电沟道形成方式的不同,MOS场效应晶体管又分为增强型(enhancement

type)和耗尽型(depletiontype)两种,分别简称为E型和D型。7.2基本半导体器件

2.工作原理

当UGS小于某一数值UGS(th)时,吸引到表面中的电子很少,而且立即被空穴复合,只形成不能导电的耗尽层;当UGS大于这一数值时,吸引到表面层的电子除填满空穴外,多余的电子在原为P型硅衬底表面形成一个自由电子占多数的N型层,故称为反型层。反型层沟通了漏极和源极,成为它们之间的导电沟道。使场效应晶体管刚开始形成导电沟道的这个临界电压UGS(th)称为开启电压(threshold

voltage)。(1)

增强型NMOS场效应晶体管(2)

耗尽型NMOS场效应晶体管当UGS的负值达到某一数值UGS(off)时,导电沟道消失。这一临界电压UGS(off)称为夹断电压(pinch-offvoltage)7.2基本半导体器件

3.特性曲线

在UDS一定时,漏极电流ID与栅极电压UGS之间的关系ID=f(UGS)称为场效应晶体管的转移特性(transfercharacteristic)。(1)

转移特性(2)

漏极特性在UGS一定时,漏极电流ID与漏极电压UDS之间的关系ID=f(UDS)称为场效应晶体管的漏极特性(draincharacteristic)7.2基本半导体器件7.2基本半导体器件

4.主要参数

(1)

开启电压UGS(th)和夹断电压UGS(off)(2)

跨导gm(3)

漏源击穿电压UDS(BR)(4)

最大允许漏极电流IDM跨导(transconductance)是用来描述UGS对ID的控制能力的,其定义为式中,gm的单位是西[门子](S)。7.2基本半导体器件电力电子器件(power

electronic

device)又称为功率半导体器件,在电力设备中实现电能的变换或控制的大功率电子器件(通常指电流为数十至数千安,电压为数百伏以上)。普通晶闸管是在一块半导体上制成三个PN结,再引出电极并封装加固而成。如图7-18(a)所示,从外层P区、外层N区和内层P区分别引出三个电极:阳极A,阴极K和控制极(又称触发极或门极)G。普通晶闸管在电路图中的符号如图7-18(b)所示。图7-18普通晶闸管PART-037.3光电半导体器件7.3光电半导体器件7.3.1发光二极管正向电流通过发光二极管时,会发出光来,光的颜色视发光二极管的制造材料而定,有红、黄、绿等颜色,外形有圆形、方形和矩形等[图7-19(a)]。如图7-19(b)所示,发光二极管处于正向偏置状态,其中R为限流电阻。正向工作电压一般为1.5~3V,正向电流为几毫安到十几毫安。7.3光电半导体器件7.3.2光电二极管

光电二极管也称为光敏二极管(photodiode),是一种将光信号转换成电信号的特殊二极管。7.3光电半导体器件7.3.3光电三极管

光电三极管(phototransistor)也称为光敏三极管,也是一种能将光信号转换成电信号的半导体器件。7.3光电半导体器件7.3.4光电耦合器

光电耦合器(photoelectric

coupler)是发光器件和受光器件的组合体。由于信号传输是通过光耦合的,输出与输入之间没有直接电气联系,两电路之间不会相互影响,可以实现两电路之间的电气隔离,所以光电耦合器也称为光电隔离器(photoelectric

isolator)。7.3光电半导体器件光电耦合器具有如下特点:光电耦合器的发光器件与受光器件互不接触,绝缘电阻很高,可达1010Ω以上,并能承受2000V以上的高压,因此经常用来隔离强电和弱电系统。光电耦合器的发光二极管是电流驱动器,输入电阻很小,而干扰源一般内阻较大,且能量很小,很难使发光二极管误动作,所以光电耦合器有极强的抗干扰能力。光电耦合器具有较高的信号传递速度,响应时间一般为微秒。高速型光电耦合器的响应时间可以小于100ns。7.3光电半导体器件7.3.5半导体激光器

半导体激光器即激光二极管(laser

diode),简称LD,它是以半导体材料作为工作介质的。PART-047.4电子显示器件7.4电子显示器件7.4.1发光二极管显示器图7-24LED数码管外观与引脚排布图7-25LED数码管的两种接法7.4电子显示器件图7-268×8点阵LED显示屏结构示意图7.4电子显示器件7.4.2液晶显示器

液晶显示器(liquid

crystal

display)简称LCD,它是基于液晶电光效应的显示器件。PART-057.5集成电子器件7.5集成电子器件7.5.1集成电子器件的分类与特点集成电子器件在制造工艺方面具有以下特点:

集成电子器件又称为集成电路(integrated

circuit,IC),是20世纪60年代初期发展起来的一种新型电子器件。所有元器件处于同一晶片上,由同一工艺做成,易做到电气特性对称、温度特性一致。高阻值的电阻制作成本高,占用面积大。必需的高阻值电阻可以外接。难于制作电感元件,较大容量的电容元件也较难实现,一般电容值不超过200pF,若需大电容时可以外接。制作三极管比制作二极管容易,所以集成电路中的二极管都是用三极管基极与集电极短接后的发射结代替的。7.5集成电子器件7.5.2模拟集成电路由模拟电路构成的集成电路叫作模拟集成电路(analogIC)。线性模拟集成电路１非线性模拟集成电路２7.5.3数字集成电路数字集成电路用来产生、放大和处理各种数字信号(指在时间上和数值上离散取值的信号)。IntroductoryElectricalandelectronicTechnology电工电子技术概论主编：盛贤君大连理工大学出版社(第二版)8.2线性直流稳压电源的组成02CONTENTS8.1直流稳压电源的分类01目录CONTENTS第8章直流稳压电源8.3整流电路038.4滤波电路048.5稳压电路058.6开关型直流稳压电源06PART-018.1直流稳压电源的分类8.1直流稳压电源的分类直流稳压电源习惯上将直流稳压电源分为两类:开关型直流稳压电源线性直流稳压电源根据输出性质分稳压电源、稳流电源、集稳压与稳稳压稳流(双稳)电源。根据输出值分定点输出电源、波段开关调整式电位器连续可调式。根据输出指示分指针指示型数字显示式型等。电路形式单端反激式、单端正激式、半桥式、推挽式全桥式。PART-028.2线性直流稳压电源的组成8.2线性直流稳压电源的组成

如图所示,线性直流稳压电源一般是由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等组成。电源变压器的作用将市电交流电压变换为整流电路所需要的交流电压,有时也起到隔离交流电源和整流电路的作用。整流电路的作用将交流电变换为方向不变的直流电。稳压电路的作用将不稳定的直流电压变换为不随交流电源电压波动和负载电流变化而变动的稳定直流电压。滤波电路的作用将脉动直流电压变换为平滑直流电压。PART-038.3整流电路8.3整流电路

8.3整流电路8.3整流电路式(8-1)和式(8-2)是计算负载直流电压和电流的依据。式(8-3)和式(8-4)是选择二极管的依据。所选用的二极管参数必须满足IF≥ID(8-5)UR≥URm(8-6)目前封装成一体的多种规格的整流桥块批量生产,给使用者带来了很多方便。其外形如图所示。使用时,只要将交流电压接到标有“~”的管脚上,从标有“+”和“-”的管脚引出的就是整流后的直流电压。8.3整流电路8.3.2可控整流电路

利用二极管作整流元件的整流电路,其输出直流电压的大小是不能调节的。而利用晶闸管作整流元件的整流电路,其输出直流电压的大小是可以调节的,故将其称为可控整流电路。应用比较广泛的是如图(a)所示的半控桥式整流电路。

在u2的正半周,T2和D1承受反向阳极电压而截止,T1和D2虽承受正向阳极电压,但T1在ωt=α时才加上控制电压,故在α≤ωt≤π时,T1和D2才导通,电流的通路是a→T1→RL→D2→b。

在u2的负半周,T1和D2承受反向阳极电压而截止,T2和D1虽承受正向阳极电压,但T2在ωt=α+π时才加上控制电压,故在(α+π)≤ωt≤2π时,T2和D1才导通,电流的通路是b→T2→RL→D1→a。8.3整流电路

可见,在RL上得到的是如图(b)所示的不完整的全波脉动电压,它相当于在输出直流电压uO每个周期的波形中都切去了一部分。α越大,切去的部分越多,输出直流电压的平均值UO就越小。α是晶闸管在正向阳极电压作用下开始导通的角度,称为控制角。图中θ是晶闸管在一个周期内导通的范围,称为导通角。

控制电压uG采用尖峰脉冲电压,它是由专门的触发电路供给的,图中未画出。通过触发电路改变产生uG的时间,即改变α角,就可以调节输出直流电压的大小。

该电路的输出直流电压和直流电流分别为PART-048.4滤波电路8.4滤波电路8.4.1电容滤波电路

8.4滤波电路

8.4滤波电路8.4.2电感滤波电路

图8-6是一个桥式整流-电感滤波电路,它是在整流电路之后与负载串联一个电感器。当脉动电流通过电感线圈时,线圈中产生自感电动势阻碍电流的变化,从而使得负载电流和电压的脉动程度减小。脉动电流的频率越高,滤波电感越大,则滤波效果越好。电感滤波适用于负载电流较大并且变化大的场合。图8-6桥式整流-电感滤波电路8.4滤波电路8.4.3复式滤波电路

为了得到更好的滤波效果,还可以将电容滤波和电感滤波混合使用而构成复式滤波电路。如图8-7(a)所示的π型LC滤波电路就是其中的一种。由于电感器的体积大、成本高,在负载电流较小(即RL较大)时,可以用电阻代替电感,电路如图8-7(b)所示。因为C2的容抗较小,所以脉动电压的交流分量较多地降落在电阻R两端,而RL的值又比R大,故直流分量主要降落在RL两端,使输出电压脉动减小。图8-7π型滤波电路PART-058.5稳压电路8.5稳压电路8.5.1稳压管稳压电路如图8-8所示,将稳压管与适当数值的限流电阻R相配合即组成了稳压管稳压电路。图8-8中UI为整流、滤波电路的输出电压,也就是稳压电路的输入电压;UO为稳压电路的输出电压,也就是负载电阻RL两端的电压,它等于稳压管的稳定电压UZ。由图8-8可知UO=UI-RI=UI-R(IZ+IO)当电源电压波动或负载电流变化而引起UO变化时,该电路的稳压过程如下:只要UO略有增加,IZ便会显著增加,I随之增加,RI增加,使得UO自动降低,保持近似不变。如果UO降低,则稳压过程与上述过程相反。这种稳压电路结构简单,但受稳压管最大稳定电流的限制,输出电流不能太大,而且输出电压不可调,稳定性也不是很理想。8.5稳压电路8.5.2集成稳压电路国产三端固定式集成稳压器有CW78XX系列和CW79XX系列两种,外形如图8-9所示,它只有三个管脚。8.5稳压电路CW78XX系列为正电压输出,管脚1为输入端,管脚2为输出端,管脚3为公共端,接线图如图8-10所示。8.5稳压电路CW79XX系列为负电压输出,管脚1为公共端,管脚2为输出端,管脚3为输入端,接线图如图8-11所示。8.5稳压电路如果需要同时输出正、负两组电压,可选用正、负两块集成稳压器,按如图8-12所示电路接线。PART-068.6开关型直流稳压电源8.6开关型直流稳压电源开关型直流稳压电源(简称开关电源)的原理框图如图8-13所示。开关电源的特点主要有:功耗小、效率高。体积小、质量轻。稳压范围宽。电路形式灵活多样。IntroductoryElectricalandelectronicTechnology电工电子技术概论主编：盛贤君大连理工大学出版社(第二版)9.2场效应晶体管放大电路02CONTENTS9.1双极型晶体管放大电路01目录CONTENTS第9章模拟电子技术9.3多级放大电路039.4差分放大电路049.5集成运算放大器05PART-019.1双极型晶体管放大电路9.1双极型晶体管放大电路9.1.1放大电路工作原理

如图9-1所示,为了将待放大信号输送进来,由基极B引出一根输入线并与地之间构成一对输入端,输入端接信号源或前级放大电路。图9-1所示电路采用了两个电源,实用不便,可将RB接到UBB正极的一端改接到UCC的正极上,这样可省去UBB,电路改为如图9-2所示。9.1双极型晶体管放大电路

在输入信号为正弦信号的情况下,如图9-3所示,通常在输入端与信号源之间、输出端与负载之间分别接电容C1和C2,它们的作用是传递交流信号,隔离直流信号,也就是既要保证交流信号能顺利地输送(又称耦合)进来或输送出去,又要使放大电路中的直流电源与信号源或负载隔离,以免影响它们的工作。9.1双极型晶体管放大电路

如图9-4(a)所示,根据晶体管的输入特性,与发射结的交流分量ube相对应,基极电流也会产生一个交流分量ib,使基极电流iB以静态值IB为基准上下波动。。由于晶体管的电流放大作用,在集电极也相应地引起一个放大了β倍的交变的集电极电流ic,叠加在静态电流IC上。当iC(=ic+IC)流过集电极电阻RC时,产生电压iCRC。由于uCE=UCC-iCRC,因此uCE中的交流分量uce与ic反相[图9-4(b)],亦即uce与ui反相。9.1双极型晶体管放大电路

基本放大电路的电压、电流波形图如图所示。9.1双极型晶体管放大电路9.1.2放大电路的静态工作点

静态时,在晶体管的输入特性和输出特性上所对应的工作点称为静态工作点(quiescent

point),如图9-4中的Q点,对应的物理量有IB、UBE、IC和UCE。当偏流IB太小,使得IB小于基极电流交流分量ib的幅值时,如图9-6(a)所示,在输入信号ui的负半周中,iB将有一段时间为零,晶体管处于截止状态。因而iC和uCE的波形也发生了如图9-6(a)所示的变化。经C2后得到的输出电压uo的波形在后半周发生了畸变,输出电压与输入电压波形不同的现象称为失真。这一失真是由晶体管有一段时间进入截止状态引起的,故称为截止失真(cut-off

distortion)。图9-6非线性失真(a)截止失真9.1双极型晶体管放大电路图9-6非线性失真(ｂ)饱和失真9.1双极型晶体管放大电路可见,IB太小,Q点太低,会引起集电极电流ic的负半周、输出电压uo的正半周期出现截止失真;IB太大,Q点太高,会引起集电极电流ic的正半周、输出电压uo的负半周期出现饱和失真。截止失真和饱和失真都是由晶体管特性的非线性引起的,统称为非线性失真(nonlinear

distortion)。为了不引起非线性失真,静态工作点的设置应保证动态时在输入信号的整个周期内晶体管都处于放大状态。9.1双极型晶体管放大电路9.1.3放大电路的主要性能指标

电压放大倍数(或增益)Au1电压放大倍数(voltage

amplification

factor)是衡量放大电路对输入信号放大能力的主要指标。它定义为输出电压的变化量与输入电压的变化量之比,用Au表示,即在输入信号为正弦交流信号时,Au也可以用输出电压与输入电压的相量之比表示,即9.1双极型晶体管放大电路9.1.3放大电路的主要性能指标

电压放大倍数(或增益)Au1其绝对值为若用电压增益(voltage

gain)表示,则其值(dB)为9.1双极型晶体管放大电路9.1.3放大电路的主要性能指标

输入电阻ri2

放大电路的输入信号是由信号源(前级放大电路也可看成是本级的信号源)提供的。对信号源来说,放大电路相当于它的负载,如图9-7左边所示,其作用可用一个电阻ri来等效代替。这个电阻就是从放大电路输入端看进去的等效动态电阻,称为放大电路的输入电阻(inputresistance)。9.1双极型晶体管放大电路9.1.3放大电路的主要性能指标

输入电阻ri2

放输入电阻ri在数值上应等于输入电压的变化量与输入电流的变化量之比,即当输入信号为正弦交流信号时输入电阻反映了放大电路与信号源之间的配合问题。由图9-7可知,放大电路的输入电压Ui和输入电流Ii与信号源的电压US、信号源内阻RS和输入电阻ri的关系为9.1双极型晶体管放大电路9.1.3放大电路的主要性能指标

输出电阻ro３9.1双极型晶体管放大电路9.1.3放大电路的主要性能指标

输出电阻ro３输出电阻反映了放大电路与负载之间的配合问题。由图9-7可知,放大电路有载和空载时电压之间的关系为放大电路有载和空载时电压放大倍数之间的关系为9.1双极型晶体管放大电路9.1.3放大电路的主要性能指标

放大电路的频率特性４电压放大倍数|Au|与信号频率f的关系称为放大电路的幅频特性(amplitude-frequency

characteristic),输出电压和输入电压的相位差φ与信号频率f的关系称为相频特性(phase-frequency

characteristic),两者总称为频率特性(frequency

characteristic)。9.1双极型晶体管放大电路9.1.3放大电路的主要性能指标

放大电路的频率特性４

由于放大电路的输入信号通常不是单一频率的正弦波,而是包括各种不同频率的正弦分量,输入信号所包含的正弦分量的频率范围称为输入信号的频带(frequency

band)。放大电路必须对输入信号的各个不同频率的正弦分量都具有相同的放大能力,否则会引起波形失真。这种因电压放大倍数随频率变化而引起的失真称为频率失真(frequency

distortion)。要想不引起频率失真,输入信号的频带应在放大电路的通频带内。9.1双极型晶体管放大电路

【例9-1】某放大电路的空载电压放大倍数|Ao|=100,输入电阻ri=9kΩ,输出电阻ro=1kΩ,试问:(1)输入端接到US=10mV,RS=1kΩ的信号源上,开路电压UOC应等于多少?(2)输出端再接上RL=9kΩ的负载电阻时,负载上的电压UOL应等于多少?这时的电压放大倍数|Au|是多少?PART-029.2场效应晶体管放大电路9.2场效应晶体管放大电路9.2.1增强型MOS管共源放大电路图9-9所示是增强型NMOS管的分压偏置共源放大电路,它与双极型晶体管的共发射极放大电路相似,源极S相当于发射极E,漏极D相当于集电极C,栅极G相当于基极B。场效应晶体管放大电路也必须建立合适的静态工作点,与双极型晶体管放大电路不同的是:双极型晶体管是电流放大元件,合适的静态工作点主要依靠调节偏流IB来实现;而场效应晶体管是电压控制元件,合适的静态工作点主要依靠给栅极、源极间提供合适的UGS来实现。这个静态栅极、源极间的电压称为栅源偏置电压,简称栅偏压(gatebias

voltage)。9.2场效应晶体管放大电路9.2.1增强型MOS管共源放大电路

图9-9中RG1和RG2为偏置电阻。静态时,通过它们的分压给栅极G建立合适的对地电压UG,从而建立合适的栅偏压UGS,所以这种电路称为分压偏置共源放大电路。由于栅极与源极之间有一层二氧化硅绝缘层,所以场效应晶体管的输入电阻rGS→∞,IG=0,RG上没有电压降,它只是为提高放大电路的输入电阻而设置的。因而增强型NMOS管只有在UGS>UGS(th)(开启电压)时,才能建立起反型层导电沟道。这时在UDD的作用下,才会形成电流ID=IS,因而UGS=UG-RSISUD=UDD-RDID图9-10分压偏置共源放大电路电压和电流的波形9.2场效应晶体管放大电路9.2.1增强型MOS管共源放大电路

UG的值必须在保证有信号输入时,NMOS管处于UGS>UGS(th)的状态,而且工作在漏极特性的平直部分。静态时各级电压和电流都是直流,波形如图9-10中的虚线所示。图9-10分压偏置共源放大电路电压和电流的波形图9-10分压偏置共源放大电路电压和电流的波形9.2场效应晶体管放大电路9.2.2耗尽型MOS管共源放大电路

耗尽型NMOS管共源放大电路既可采用如图9-9所示的分压偏置共源放大电路,也可采用如图9-11所示的自给偏置共源放大电路。PART-039.3多级放大电路9.3多级放大电路

对耦合方式的基本要求:信号的损失要尽可能小,各级放大电路都有合适的静态工作点。

放大电路的级间耦合方式直接耦合03变压器耦合、01阻容耦合、02

阻容耦合也称为电容耦合,使用电容作为耦合元件,如图9-12所示就是一个两级阻容耦合放大电路,前级为共源放大电路,后级为共发射极放大电路。9.3多级放大电路

利用C2和RB将前、后两级连接起来,故名阻容耦合。直接耦合不需另加耦合元件,而是直接将前后两级连接起来,如图9-13所示就是一个两级直接耦合放大电路(RD和RB也可以合并)。9.3多级放大电路

不论是阻容耦合还是直接耦合,都有以下结论:多级放大电路的电压放大倍数Au等于各级电压放大倍数Au1,Au2,…的乘积,当为两级放大电路时Au=Au1·Au2(9-11)多级放大电路的输入电阻ri一般就是最前级的输入电阻ri1,即ri=ri1(9-12)多级放大电路的输出电阻ro一般就是最末级的输出电阻ro末,即ro=ro末(9-13)在直接耦合放大电路中,当输入端无输入信号时,输出端的电压会偏离初始值而做上下漂动,这种现象称为零点漂移。PART-049.4差分放大电路9.4差分放大电路9.4.1抑制零点漂移原理

差分放大电路(differential

amplifier

circuit)又称差动放大电路,它是模拟集成电路中应用最广泛的基本电路,几乎所有模拟集成电路中的多级放大电路都采用它作为输入级。

如图9-14所示电路就是用双极型晶体管组成的差分放大电路的基本电路。结构特点:电路对称,即要求左右两边的元件特性及参数尽量一致;01双端输入,可以分别在两个输入端与地之间接输入信号ui1、ui2;02双电源,即除了集电极电源UCC外,还有一个发射极电源-UEE,一般取|UCC|=|UEE|。039.4差分放大电路差分放大电路的两个输入信号ui1与ui2间存在三种可能:ui1与ui2大小相等,方向相同,称为共模输入;ui1与ui2大小相等,方向相反,称为差模输入;ui1与ui2既非共模输入,又非差模输入时,称为比较输入。比较输入时,可将输入信号分解为一对共模信号uic和一对差模信号±uid。对于共模信号而言,它们通过-UEE和REE加到左、右两个晶体管的发射结上。由于电路对称,因而两晶体管的集电极对地电压uc1=uc2,因此输出电压uo=uc1-uc2=0即差分放大电路对共模信号无放大作用,共模电压放大倍数Ac=0。9.4差分放大电路

发射极公共电阻RE正好能起到这一作用,它抑制零点漂移的基本原理如图9-15所示。

对于差模信号而言,ui1=-ui2,它们通过-UEE和REE加到左、右两个晶体管的发射结上。由于电路对称,因而两晶体管的集电极对地电压uc1=-uc2,因此输出电压uo=uc1-uc2=2uc1即差分放大电路对差模信号有放大作用,差模电压放大倍数Ad≠0。9.4差分放大电路9.4.2差分放大电路的主要特点PART-059.5集成运算放大器9.5集成运算放大器9.5.1集成运算放大器的组成

集成运算放大器(integrated

operational

amplifier)简称集成运放(integrated

OPA),是一种电压放大倍数很大的直接耦合的多级放大电路。如图9-16所示,集成运放由输入级、中间级和输出级三个基本部分组成。

国家标准规定的集成运放的图形符号如图9-17(a)所示,图9-17(b)是国际电工委员会(IEC)使用的图形符号。图9-17(a)中▷表示放大器,Ao表示电压放大倍数,右侧“+”端为输出端,信号由此端与地之间输出。9.5集成运算放大器集成运放产品除上述三个输入和输出接线端(管脚)以外,还有电源和其他用途的接线端。产品型号不同,管脚编号也不同,使用时可查阅有关手册。例如CF741型集成运放的外部接线图和管脚编号如图9-18(a)所示。它的外形有圆壳式[图9-18(b)]和双列直插式[图9-18(c)]两种。9.5集成运算放大器9.5.2电压传输特性及主要参数

1.电压传输特性

集成运放的输出电压uO与输入电压uD之间的关系uO=f(uD)称为集成运放的电压传输特性(voltage

transfer

characteristic)。如图9-19所示,它包括线性区和饱和区两部分。在线性区内,uO和uD呈正比关系,即uO=AouD=Ao(u+-u-)

(9-17)线性区的斜率取决于Ao的大小。由于受电源电压的限制,uO不可能随uD的增大而无限增大,因此,当uO增大到一定值后,便进入了正、负饱和区。正饱和区uO=+UOM≈+UCC,负饱和区uO=-UOM≈-UEE。9.5集成运算放大器

2.主要参数开环输入电阻ri与开环输出电阻ro3开环电压放大倍数Ao2最大输出电压UOPP1共模抑制比KCMRR4共模输入电压最大值UiCM5输入失调电压Uio6输入失调电流Iio79.5集成运算放大器9.5.3理想集成运放

1.理想集成运放的条件9.5集成运算放大器

2.理想集成运放的特性

理想集成运放的电压传输特性如图9-20所示,由于Ao→∞,线性区几乎与纵轴重合。由电压传输特性可以看到理想集成运放工作在饱和区和工作在线性区时的特点。(1)工作在饱和区时的特点。理想集成运放不加反馈时,uD稍微偏离0值即进入饱和区,故u+>u-时,uO=+UOM≈+UCCu+<u-时,uO=-UOM≈-UEE9.5集成运算放大器(2)工作在线性区时的特点。理想集成运放在引入深度负反馈后(图9-21,反馈的概念参见9.5.4节),由于uO是有限值,故可得到以下结论:9.5集成运算放大器9.5.4反馈的基本概念将放大电路输出回路中的输出信号(电压或电流)通过某一电路或元件,部分或全部地送回输入回路中的措施称为反馈(feedback),如图9-22所示。9.5集成运算放大器无反馈时,放大电路的电压放大倍数称为开环电压放大倍数(open-loop

amplification

factor),即

有反馈时,放大电路的电压放大倍数称为闭环电压放大倍数(closed-loop

amplification

factor),即

反馈信号和输出信号之比称为反馈系数(feedback

coefficient),即9.5集成运算放大器

反馈又分为以下几种:01正反馈和负反馈如果反馈信号与输入信号作用相同,使净输入信号(有效输入信号)增强,这种反馈称为正反馈(positive

feedback)。如果反馈信号与输入信号作用相反,使净输入信号(有效输入信号)减弱,这种反馈称为负反馈(negative

feedback)。02串联反馈和并联反馈

如果反馈信号与输入信号以串联的形式作用于净输入端,这种反馈称为串联反馈(series

feedback)。

如果反馈信号与输入信号以并联的形式作用于净输入端,这种反馈称为并联反馈(parallel

feedback)。03电压反馈和电流反馈

如果反馈信号取自输出电压,与输出电压成比例,这种反馈称为电压反馈(voltage

feedback)。

如果反馈信号取自输出电流,与输出电流成比例,这种反馈称为电流反馈(current

feedback)。9.5集成运算放大器9.5.5基本运算电路

加法运算电路减法运算电路微分运算电路积分运算电路比例运算电路反相比例运算电路同相比例运算电路9.5集成运算放大器9.5.6单限电压比较器

电压比较器(voltage

comparator)的基本功能是对两个输入电压的大小进行比较,在输出端显示比较的结果。

若取u+=uI,u-=UR(图9-32),则9.5集成运算放大器9.5.6单限电压比较器

若取u+=UR,u-=uI(图9-33),则9.5集成运算放大器9.5.7正弦波振荡电路

正弦波振荡器(sinusoidal

oscillator)能够产生频率低至几赫或高达几百兆赫的正弦交流信号,它是无线电通信、广播系统的重要组成部分,也经常应用在测量、遥控和自动控制等领域。图9-35是由集成运放组成的RC正弦波振荡电路,集成运放和R1、Rf组成一个同相放大电路(同相比例运算电路),R和C组成的RC串并联电路作为反馈电路,因而该电路可简化成如图9-36所示的原理电路。IntroductoryElectricalandelectronicTechnology电工电子技术概论主编：盛贤君大连理工大学出版社(第二版)10.2组合逻辑电路的分析02CONTENTS10.1门电路01目录CONTENTS第10章数字电子技术10.3组合逻辑电路的设计0310.4编码器0410.5译码器0510.6双稳态触发器0610.7计数器0710.8寄存器08PART-0110.1门电路10.1门电路10.1.1基本门电路

1.与门

与门(ANDgate)的逻辑符号如图10-3所示,A和B是输入端,F是输出端,输入端的数量还可更多。输入或输出变量只有0、1两种状态,当有2个输入变量时,共有22=4种输入状态,而用0、1表示输入和输出之间逻辑关系的表格称为真值表或逻辑状态表。与门的真值表见表10-1,与门反映与逻辑运算(逻辑乘),其逻辑规律是一个事件的几个条件都满足,该事件才发生。它的逻辑关系是:有0出0,全1为1。逻辑表达式为F=A·B=AB

(10-1)逻辑乘的运算规律为(10-2)10.1门电路

2.或门

或门(ORgate)的逻辑符号如图10-5所示,真值表见表10-2,其逻辑规律是一个事件中只要有一个条件满足,该事件就会发生。它的逻辑关系是:有1出1,全0为0。逻辑表达式为F=A+B

(10-3)这表示逻辑加法运算,故或逻辑又称逻辑加(注意式中的加号不是代数加)。逻辑加的运算规律为10.1门电路10.1门电路10.1.2复合门电路

1.与非门

实现与非逻辑关系的电路称为与非门(NANDgate)电路。与非门的逻辑符号如图10-8所示,真值表见表10-4,逻辑符号中矩形框右侧的小圆圈表示“非”的意思。它的逻辑关系是:任0则1,全1则0。其逻辑表达式为10.1门电路

图10-9所示为两种