汽车电工电子技术 第2版 课件 项目四汽车执行器与控制电路的分析

项目四汽车执行器与控制电路的分析与测试

项目四汽车执行器与控制电路的分析与测试

任务1

晶体管的识别与检测

任务2

晶体管汽车电路的分析与测试

任务3

汽车充电系统电压监视器电路的分析与调试任务1晶体管的识别与检测一、晶体管的结构、符号及分类二、晶体管的电流放大作用三、晶体管的特性曲线四、晶体管的主要参数五、晶体管管型与引脚的判别

任务一晶体管的识别与检测

三极管是电路中常见的元器件，使用时如何用目测法或者借助万用表判断其管型和管脚？发射极基极集电极发射区基区发射结集电结集电区NPN型NNP三区三极两结集电区基区发射区基极Base发射极Emitter集电结发射结集电极Collectorbce1.晶体管的结构一、晶体管的结构、符号及分类

图4.1晶体管结构及符号图发射极基极集电极发射区基区发射结集电结集电区PNP型PPNbcebceNPN型1.晶体管的结构一、晶体管的结构、符号及分类三区三极两结集电区基区发射区基极Base发射极Emitter集电结发射结集电极Collector

图4.1晶体管结构及符号图

图4.2晶体管芯结构剖面图e发射极集电区N基区P发射区Nb基极c集电极晶体管实现电流放大作用的内部结构条件发射区掺杂浓度很高，以便有足够的载流子供“发射”。为减少载流子在基区的复合机会，基区应做得很薄，一般为几个微米，且掺杂浓度极低。为了顺利收集边缘载流子，集电区体积较大，且掺杂浓度介于发射区和基区之间。注意

双极型三极管并非是两个PN结的简单组合，使用时也决不允许把发射极和集电极互换。二、晶体管的电流放大作用becNNPUBBRBIEIBIB＋－发射结加正向电压，以利于发射区电子的扩散，扩散运动形成发射极电流ie。晶体管实现电流放大作用的外部条件扩散电子的少数与基区空穴复合，形成基极电流ib，多数继续向集电结边缘扩散。二、晶体管的电流放大作用becNNPUBBRBUCCIEIBICIB＋－＋－集电结加反向电压，以利于收集扩散到集电结边缘的多数扩散电子，收集到集电区的电子形成集电极电流ic。二、晶体管的电流放大作用晶体管实现电流放大作用的外部条件从电位的角度看：

NPN

发射结正偏

Vb>Ve集电结反偏

VC>Vb

VC>Vb

>Ve

外部条件：发射结正偏、集电结反偏becNNPUBBRBUCCRC晶体管放大的基本条件二、晶体管的电流放大作用从电位的角度看：PNP

发射结正偏

Vb<Ve集电结反偏

VC<Vb

VC<Vb<Ve

becPPNUBBRBUCCRC讨论PNP管如何加电源？外部条件：发射结正偏、集电结反偏二、晶体管的电流放大作用–

C

3DG6µA

BE

–++UCCUBBRBIBIEIC

图4.3晶体管电流放大实验电路

mAmAVT调RB改变发射极电压UBE和基极电流IB不同IB对应不同的IC和IE二、晶体管的电流放大作用二、晶体管的电流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.010.020.030.040.050.010.561.141.742.332.910.010.571.161.772.372.96

可见，基极电流的微小变化，将使集电极电流发生较大的变化。即基极电流IB的微小变化控制了集电极电流IC较大的变化，这就是晶体管的电流放大作用。

结论二、晶体管的电流放大作用

发射极是输入回路、输出回路的公共端图4.4共射特性曲线测试电路输入回路输出回路

晶体管特性曲线是指各电极电压与电流的之间的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现。三

、晶体管的特性曲线

它是指集电极和发射极电压UCE为常数时，晶体管的基极电流IB与发射结电压UBE之间的关系曲线。1.晶体管的输入特性曲线图4.4共射特性曲线测试电路1.晶体管的输入特性曲线图4.5晶体管的输入特性曲线

不同的输出电压，曲线右移，但当输出电压大于等于1V时，输入特性曲线重合。硅管UBE=0.7V锗管UBE=0.2V1.晶体管的输入特性曲线

晶体管的输入特性曲线

它是指基极电流IB为常数时，晶体管的集电极电流IC与集电结电压UCE之间的关系曲线。uCE/ViC

/mA0iBiB1iB2iB3iB=0输出曲线开始部分很陡，说明iC随uCE的增加而急剧增大。当uCE增至一定数值时(一般小于1V)，输出特性曲线变得平坦，表明iC基本上不再随uCE而变化。2.晶体管的输出特性曲线图4.5晶体管输出特性曲线uCE/VIC

/mA020AIB=040A60AiB=100A80A43211.52.3放大区饱和区。发射结和集电结均为正向偏置。集电极和发射极近似短接，晶体管类似于一个开关导通。截止区。发射结和集电结均为反向偏置。uCE≈UCC。集电极和发射极之间电阻很大，晶体管相当于一个开关断开。

放大区。发射结正偏，集电结反偏。集电极电流与基极电流之间成β倍的数量关系，即晶体管在放大区时具有电流放大作用。输出特性曲线分为三个区2.晶体管的输出特性曲线【例1】放大电路中某晶体管三个管脚电位分别为3.5V、2.8V、5V，试判别此管的三个电极，并说明它是NPN管还是PNP管，是硅管还是锗管？解:晶体管工作在放大区时，UB值必介于UC和UE之间，故3.5V对应的管脚为基极，UB=3.5V，放大电路中的发射结必定正偏导通，其压降对硅管为0.7V,对锗管为0.3V。由于3.5V-2.8V=0.7V，此管为硅管。③管脚为集电极，且电位最高，由此可判断此管为NPN管。①管脚为基极，②管脚为发射极ebc对中小功率塑料三极管：平面朝向自己，三个引脚朝下放置，一般从左到右依次为发射极e、基极b、集电极c。金属帽底端有一个小突起，距离这个突起，最近的是发射极e，然后顺时针依次是基极b、集电极c。1.晶体管引脚识别-目测法四、晶体管管型与引脚的判别图4.6共射特性曲线测试电路ebc没有突起的，底视图位置放置，三个引脚构成等腰三角形、从右侧管脚开始，顺时针排列，管脚仍然依次为发射极e、基极b、集电极c。1.晶体管引脚识别-目测法四、晶体管管型与引脚的判别cNNPebbec2.用万用表电阻档判别四、晶体管管型与引脚的判别指针不动，说明管子反偏截止，因此为PNP型。指针偏转，说明管子正向导通，因此为NPN型。PN结的单向导电性如果把红黑两表棒对调后，指针仍不动(或仍偏转)，则说明管子已经老化(或已被击穿)损坏。指针式万用表检测晶体管的基极和管型先将万用表置于R×lk

欧姆档，将黑表棒接假定的基极B，红表棒分别与另两个极相接触，观测到两次指针偏转很大(或不动)时，则假定的基极是正确的;且晶体管类型为NPN型（或PNP型）。2.用万用表电阻档判别四、晶体管管型与引脚的判别万用表R×1k欧姆档判别发射极e和集电极c若被测管为NPN晶体管，让黑表棒接假定的集电极c，红表棒接假定的发射极E。两手分别捏住b、c两极充当基极电阻RB(两手不能相接触)。注意观察电表指针偏转的大小。之后，两表笔反接，继续观察电表指针偏转情况cb

e人体电阻cbe人体电阻假定极正确假定极错误偏转较大的假定极是正确的！偏转小的反映其放大能力下降，即集电极和发射极接反了。2.用万用表电阻档判别四、晶体管管型与引脚的判别任务二晶体管汽车电路的分析与测试一、共发射极基本放大电路二、静态工作点对输出波形的影响三、静态工作点的稳定四、多级放大电路五、汽车电子电路中的晶体管的应用能把微弱小信号增强的电路称为放大电路一、共发射极基本放大电路信号由晶体管的基极输入，集电极输出，发射极是输入、输出回路的公共端，该电路称为共发射极放大电路。

一、共发射极基本放大电路1.放大电路组成图4.6共发射极基本放大电路晶体管是放大电路的核心元件，利用其基极小电流控制集电极较大电流的作用，使输入的微弱电信号通过直流电源VCC提供的能量，获得一个能量较强的输出电信号。一、共发射极基本放大电路1.放大电路组成直流电源VCC为放大电路提供能量，并保证晶体管的发射结正偏，集电结反偏。以保证晶体管工作在放大状态。一、共发射极基本放大电路1.放大电路组成基极偏置电阻RB的作用是为放大电路提供一个适当的静态基极电流，以保证输入小信号能够不失真地通过晶体管进行放大和传输。一、共发射极基本放大电路1.放大电路组成直流分量用大写字母带大写下标表示，如IB交流分量用小写字母带小写下标表示，如ib

交直流总量用小写字母带大写下标表示，如iB=IB+ib交流量有效值用大写字母带小写下标表示，如Ib（a）（b）（c）直流电流交流电流瞬时值基极中的实际总电流是由直流量和交流量叠加而成的2.放大电路中电压流正方向及符号的规定UCEICIBUBE静态工作点QUBEQIBQICQUCEQ（1）放大电路的静态静态：在放大电路中，未加输入信号（ui=0）时，电路为直流工作状态，简称“静态”。3.基本放大电路的分析ICUCEOIBUBEO

无输入信号电压时，晶体管各电极都是恒定的.

电压和电流:IB、UBE和

IC、UCE

。

(IB、UBE)和(IC、UCE)分别对应于输入、输出特性曲线上的一个点，称为静态工作点Q。QIBUBEQUCEIC（1）放大电路的静态放大电路的直流通路此时，耦合电容C1、C2相当于开路。C1+C2+UBE3DG6RBRC＋UCCcebui=0直流通路：电路在输入信号为零时所形成的电流通路（1）放大电路的静态ICUBEUCEIB估算法确定静态工作点在直流通路中，可求工作点上的IB：由图可得由晶体管放大原理可求得IC：在集电极回路中，可求得工作点上UCE：UBEIBICUCE3DG6RBRC＋UCCceb（1）放大电路的静态例解所以静态工作点Q：已知共发射极放大电路中UCC=12V，RB=300kΩ，RC=3kΩ，β=50，试求（1）该放大电路的静态工作点Q。（2）如果偏置电阻电阻由300KΩ改为100KΩ，晶体管工作状态有何变化?IB=40μAIC=2mAUCE=6V注意：计算中一定要弄明白各量的单位，不允许写错！+UCCC2+RCRB+C1例解+UCCC2+RCRB+C1（2）当，假设晶体管工作在放大状态此时算得硅管的

，说明晶体管已处于临界饱和状态，失去放大作用。集电极与发射极间电压称为饱和电压，为固定值。一般情况下，硅管取0.3V，锗管取0.1V。已知共发射极放大电路中UCC=12V，RB=300kΩ，RC=3kΩ，β=50，试求（1）该放大电路的静态工作点Q。（2）如果偏置电阻电阻由300KΩ改为100KΩ，晶体管工作状态有何变化?CE＋RC+UCCRB1cbeRLRB2T＋RSuS－C2＋C1＋RE图4.7分压式偏置共发射极放大电路输入信号源直流电压UCC

放大电路加入交流输入信号的工作状态称为动态。动态时，在直流电压UCC

和输入交流电压信号ui的共同作用下，电路中既有直流分量，也有交流分量，是交、直流共存的电路。（2）放大电路的动态CE＋RC+UCCRB1cbeRLRB2T＋RSuS－C2＋C1＋RE交流通路及画法直流电源视为交流“接地”

所谓交流通路，是指在信号源的作用下，只考虑交流信号作用时所形成的电流通路。（2）放大电路的动态CE＋RCRB1cbeRLRB2T＋RSuS－C2＋C1＋RE电容相当于“交流短路”交流通路及画法（2）放大电路的动态cbeRLRB2T＋RSuS－RERB1RC分压式偏置共发射极放大电路的交流通路（2）放大电路的动态交流通路及画法

满足低频小信号条件时，可近似把非线性元件三极管用其线性模型等效代替。bce三极管的微变等效模型rbeβib

其中rbe是三极管输入端的等效电阻，受控电流源

相当于三极管的集电极电流。显然微变等效电路反映了三极管电流的以小控大作用。（2）放大电路的动态微变等效电路分析法ibRB1RCRB2rbeibβibβibbceZhuyi注意

在交流通路中，用微变等效模型代替晶体管，将其他的元件按照相应位置画出,就得到共射基本放大电路的微变等效电路。交流通道转变为微变等效电路的过程中，晶体管各电极的位置不能搞错！（2）放大电路的动态微变等效电路分析法RB1RCRB2rbeβibibiC放大电路的输入电阻RiRi=rbe//RB1//RB2电路输入电阻所以

Ri≈rbe

由于小信号电路有RB1和RB2>>rbe，

注意

放大电路的输入电阻ri在数值上近似等于晶体管的输入电阻rbe，但它们具有不同的物理意义，概念上不能混同！动态性能指标的计算（2）放大电路的动态RB1RCRB2rbeβibibiCRo=RC电路输出电阻放大电路的输出电阻Ro放大电路输出电阻:从放大电路输出端看进去的交流等效电阻。输出电阻越小，电压放大电路带负载能力越强，且负载变化时，对放大电路影响越小，所以希望输出电阻越小越好。动态性能指标的计算（2）放大电路的动态RB1RB2rbeRCβibuiu0放大电路的输入电压ui=ibrbe电路的输入电压ibiC放大电路的输出电压uo=-icRc=-βibRC电路的输出电压电路中电压放大倍数式中负号反映了输出电压与输入电压的反相关系动态性能指标的计算（2）放大电路的动态RB1RB2rbeRCβibuiu0电路的电压放大倍数ibiCRL显然，放大电路带上负载后，其电压放大倍数将降低。负载越大，RL'等效电阻越小，放大倍数下降越多。电路的输出电压当电路接入负载：动态性能指标的计算（2）放大电路的动态分析UBE(V)IB0.5V0.7V死区uit0ibt0t1t1t2t3t4t3t2t4

此时ui小于死区的部分将无法得到传输，只有大于死区的部分才能转换成电流ib通过晶体管。由于输入信号大部分无法通过晶体管，ib电流波形与ui波形完全不一样了，造成输入信号输入时严重的“截止失真”。输入信号电压波形假如不设置静态工作点不设置静态工作点行吗？结论：为保证传输信号不失真地输入到放大器中得到放大，必须在放大电路中设置静态工作点。二、静态工作点对输出波形的影响RCC2＋CE＋C1＋cbeRBRE+UCCRB2RB1分压电阻射极反馈电阻射极旁路滤波电容分压电阻（1）电路组成RB：上、下偏置电阻。RE：发射极电阻。CE：发射极旁路电容。二、静态工作点对输出波形的影响1.分压式射极偏置电路RCC2＋CE＋C1＋3DG6cbeRB1RE+UCCRB2分压电阻分压电阻射极电阻IBI2VB固定不变VVBI11.利用RB1、RB2分压来固定基极电位故：基极电位VB与晶体管参数无关，基本不受与温度影响，其大小由分压比确定。（2）电路特点1.分压式射极偏置电路C2＋C1＋CE＋RCcbeRE+UCCRB2RB1I2

2.利用RE求出发射极电流IC当VB≫UBE当RE固定时，IC、IE基本不变VBIEVEUBE基极电位VB稳定，RE固定，所以IC的值也稳定，与晶体管参数无关。（2）电路特点1.分压式射极偏置电路TUBEIBICVE=IEREICVB

固定输入特性曲线IE调节过程：UBE+-+-UE-+VBIBIEICI2I1+UCCRB2RB1RERC

因为I1>>IB，忽略IB,则

基极电位基本恒定，不随温度变化。（3）稳定原理1.分压式射极偏置电路C2＋C1＋CE＋RCcbeRE+UCCRB2RB1I2分压式射极偏置电路的直流通路静态工作点的估算

上述分析步骤，就是分压式偏置的共发射极电压放大电路求解静态工作点的估算法。显然，基极电位VB的高低对静态工作点影响非常大。UBERCβcbeRE+UCCRB2RB1I1I2IBVBIEICUCE当I1≈I2>>IB（4）静态工作点的估算

多级放大电路中的每一个基本放大电路称为一级。级与级之间的联接称为级间耦合。……输出第

n

级放大电路第

n-1

级放大电路第一级放大电路输入

第二级放大电路

选择多个基本放大电路进行合理连接，可构成能满足实际要求的多级放大电路。四、多级放大电路1.多级放大电路组成阻容耦合电路特点：级与级间通过电容器连接。各级电路的静态工作点各自独立，互不影响。优点低频特性差，不能用于直流或缓慢变化信号的放大。缺点2.多级放大电路级间耦合方式及特点电路特点：级与级间通过导线连接。交直流信号均能放大且传输效率高，易于集成。优点各级静态工作点相互牵制，且存在零点漂移现象。缺点直接耦合2.多级放大电路级间耦合方式及特点电路特点：级与级间通过变压器连接。静态工作点互不牵制，易于阻抗变换，输出功率大。优点耦合器件体积大而重，不易于集成，频率特性较差。缺点变压器耦合2.多级放大电路级间耦合方式及特点电路特点：级与级之间通过光耦合器相连接。电气隔离效果好，抗干扰能力强，放大基本不衰减。优点耦合器件输入需要光强，使用场合受限，传输功率小。缺点光电耦合2.多级放大电路级间耦合方式及特点电压放大倍数

总电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积，即：

Au=Au1×Au2×Au3×…×Aun输入电阻

多级放大电路的输入电阻就是输入级的输入电阻：

ri=ri1输出电阻

多级放大电路的输出电阻就是输出级的输出电阻：

ro=ron2.多级放大电路的性能参数的估算六、汽车电子电路中的晶体管的应用汽车电气线路搭铁探测器任务三

汽车充电系统电压监视器电路的分析一、集成运算放大器简介二、集成运放的基本运算电路三、电压比较器四、集成运放在汽车中的应用举例

集成运算放大器是用集成电路工艺制成的具有高增益、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大器。一、集成运算放大器简介运放输入级采用差分放大电路，利用其对称特性提高整个电路的共模抑制比和电路性能。运放的中间级一般由多级放大电路组成。用来提高电路电压增益。运放的输出级通常由互补电压跟随器构成，用来降低输出电阻，提高运放的负载能力。

差分输入级中间放大级输出级偏置电路1.集成运放的结构组成一、集成运算放大器简介－u－u+

uo

＋＋习惯通用符号国家标准符号－＋

它有两个输入端，一个反相输入端和一个同相输入端，分别用“—”和“+”表示。有一个输出端。输出电压uo与反相输入端电压u-的相位相反，而与同相输入端电压u+的相位相同。u－u+

uo＋－集成运放的图形符号

反相输入端

同相输入端

输出端

2.汽车电子电路中常用集成运放一、集成运算放大器简介（1）开环差模电压放大倍数（2）开环输入电阻（3）开环输出电阻1.集成运放的理想化条件实际集成运放在低频工作时，可近似看成理想集成运算放大器二、集成运放的理想化条件及传输特性

+UOM

u+–u–uo–UOM线性区理想特性实际特性非线性区

Ouo=f(ui)线性区uo=Aod(u+–u–)非线性区u+>u–时，uo=+UOMu+<u–时，uo=–UOM

2.集成运放的电压传输特性因为uo=Aod(u+–u–)

(1)理想运放工作在线性区的特点在深度负反馈下，集成运放工作于线性区。Aod越大，运放的线性范围越小。uo–UOM+UOM

O

线性区

u+–u–(2)由于rid=∞，两个输入端均没有电流，即

i+=i–0,称“虚断”。(1)，输出uo为有限值，故差模输入电压约等于0，即

u+=u–,称“虚短”。2.集成运放的电压传输特性(1)理想运放工作在线性区的特点2.集成运放的电压传输特性1)输出只有两种可能,+UOM或–UOMuo–UOM+UOM

O

非线性区

u+–u–当

u+>u–

时，

uo=+UOM

u+<u–

时，uo=–UOM

不存在“虚短”现象

2)，可认为i+=i–0,“虚断”仍然存在(2)理想运放工作在非线性区的特点2.集成运放的电压传输特性三、集成运放的典型应用（1）反相比例运算电路

1.信号运算u+u-根据虚短可得：u－=u+=0；i-=0输入输出反相输出对输入的比例因为运放的“虚断”，i+=i-=0，所以；u+=0i+=0称为：“虚地”；由“虚断”，知：i1=iF两电流代入，整理后可得由欧姆定律三、集成运放的典型应用（1）反相比例运算电路

1.信号运算

上式表明，电路的电压放大倍数只与外围电阻有关，而与运放电路本身的参数无关，这就保证了放大电路放大倍数的精确和稳定。式中的“－”号表示输出电压的相位与输入电压的相位相反。若取输入输出反相则

此时的电路称为反相器。为保证电路的平衡性，要求同相输入端电阻RP在数值上应设置为F1P//RRR=解：该电路为反相比例运算放大器，电路中的闭环电压放大倍数为：放大器的输出电压：电路中平衡电阻RP为：W»==k7.620//10//F1PRRR例：R1=10kΩ,RF=20kΩ,ui=-1V。求:uo、RP应为多大？i1所以输出与输入之间的比例iFFoiFRuui-=111RuRuii-=-=-图示电路中，由虚断可得：u+=ui根据虚短可得到：u-=u+=ui，电路中电流反馈支路电流由“虚断”可知所以整理后可得三、集成运放的典型应用（2）同相比例运算电路

1.信号运算i1iF

电路的电压放大倍数是个定值，恒大于1，并且仅由外接电阻RF和R1的数值决定，与集成运放本身参数无关。同相比例运算电路的输出必然大于输入。为保证电路的平衡性，与反相比例运算电路类同，平衡电阻R2=R1//RF。图示同相比例运算电路中，R1=∞，RF=0，此时输出与输入的关系？根据“虚短”又可推出：u－=u+=ui＝uoi2

即：Au=1uo=u