半导体器件及应用课件

半導體器件及應用5.1半導體基礎知識5.1.1半導體半導體：介於導體和絕緣體之間的物質。如矽、鍺、硒等摻雜性：往純淨的半導體中摻入某些雜質，導電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導體器件，如二極體、三極管和晶閘管等）。光敏性：當受到光照時，導電能力明顯變化(可做成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極體、光敏三極管等)。熱敏性：當環境溫度升高時，導電能力顯著增強(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。總目錄上頁章目錄下頁返回1.本征半導體

完全純淨的、具有晶體結構的半導體，稱為本征半導體。本征矽的晶體結構圖共價健

+4

+4

+4

+4價電子本征矽的結構平面圖共有價電子所形成的束縛作用稱為共價鍵總目錄上頁章目錄下頁返回

+4

+4

+4

+4價電子空穴自由電子

共價鍵中的少量價電子在溫度升高或受光照後，會獲得足夠的動能，將掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負電），同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。這一現象稱為本征激發。

在外電場的作用下，空穴吸引相鄰原子的價電子移動過來填補，而在該原子中出現一個空穴。如此繼續下去，形成了空穴運動。總目錄上頁章目錄下頁返回

當半導體兩端加上外電壓時，在半導體中將出現兩部分電流：電子電流和空穴電流

自由電子和空穴都稱為載流子。

本征半導體中有兩種載流子（自由電子和空穴）同時參與導電，這是本征半導體區別於金屬導體的一個重要特性，此特性稱為它的導電機理。注意：

在常溫下，本征半導體中載流子很少，其導電性能很差。為了提高其導電性能，通常將其製成雜質半導體。

總目錄上頁章目錄下頁返回2.雜質半導體

在本征半導體中摻入微量的有用雜質形成的半導體。

（1）P型半導體

摻入三價元素

+4

+4+4

+4空穴+3硼原子接受一個電子變為負離子空穴是多數載流子，自由電子是少數載流子。空穴導電成為這種半導體的主要導電方式，也稱為空穴型半導體。自由電子空穴對總目錄上頁章目錄下頁返回

+4

+4

+4

+4+5多餘電子磷原子在常溫下即可變為自由電子失去一個電子變為正離子自由電子導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為電子型半導體。摻入五價元素自由電子是多數載流子，空穴是少數載流子。（2）N型半導體

自由電子空穴對總目錄上頁章目錄下頁返回

綜上所述，無論是P型還是N型半導體，其中多數載流子都是摻入雜質造成的，儘管雜質含量微乎其微，卻能使其導電性能大大改善。而它們的少數載流子，都是由於熱激發產生的。雖然少子濃度很低，但對溫度非常敏感，其濃度隨溫度的升高而增大，因此溫度是影響半導體性能的一個重要因素。

由於雜質半導體具有良好的導電性，在實際中常用來生成PN結。PN結具有單一型半導體（P型或N型）所不具備的新特性，利用此特性製造出了各種半導體器件，推動了電子技術的發展。總目錄上頁章目錄下頁返回5.1.2PN結P型半導體N型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－空穴自由電子負離子正離子PN結自由電子空穴在雜質半導體P和N的結合面附近存在著的特殊薄層稱為PN結。在PN結中空穴和自由電子都基本上耗盡了，故PN結又稱為耗盡層，耗盡層中有一個內電場，方向如上圖所示。

內電場總目錄上頁章目錄下頁返回1.PN結加正向電壓（正向偏置）PN結變窄

P接正、N接負

外電場IF

PN結處於導通狀態內電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–

內電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流。總目錄上頁章目錄下頁返回2.PN結加反向電壓（反向偏置）外電場內電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+

P接負、N接正

總目錄上頁章目錄下頁返回PN結變寬2.PN結加反向電壓（反向偏置）外電場

內電場被加強，少子的漂移加強，由於少子數量很少，形成很小的反向電流。IR

P接負、N接正

–+

PN結處於截止狀態。內電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－PN結正嚮導通、反向截止的特性稱為其單向導電性總目錄上頁章目錄下頁返回3.PN結的結電容PN結的結構類似平板電容器相當於導體相當於導體相當於介質相當於介質相當於存儲電荷結電容數值很小，在低頻電路中，相當於開路，不用考慮其影響，但在高頻電路中，容抗很小，對PN結的電流有影響，必須加以考慮。

P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－PN結N型半導體5.2二極體5.2.1結構和分類負極正極符號VDPN正極負極外殼PN結二極體的結構示意圖分類結構（1）點接觸型、面接觸型、平面型（2）矽管和鍺管（3）普通管和特殊管下頁總目錄上頁章目錄下頁返回負極引線正極引線二氧化矽保護層P型矽N型矽(

c

)平面型金屬觸絲正極引線N型鍺片負極引線外殼(

a

)

點接觸型鋁合金小球N型矽正極引線PN結金銻合金底座負極引線(

b

)面接觸型二極體的結構示意圖

用於積體電路製作工藝中。PN結結面積可大可小，用於高頻整流和開關電路中。總目錄上頁章目錄下頁返回矽Uth=0.5V,鍺Uth=0.1V。反向擊穿電壓U(BR)管壓降

外加電壓大於死區電壓二極體才能導通。

外加電壓大於反向擊穿電壓二極體被擊穿，失去單向導電性。正向特性反向特性特點：非線性UI死區電壓PN+–PN–+矽0.6~0.8V鍺0.2~0.3V5.2.2二極體的伏安特性總目錄上頁章目錄下頁返回1.

最大整流電流

IFM二極體長期使用時，允許流過二極體的最大正向平均電流。2.

最高反向工作電壓URM3.

最大反向電流IRM保證二極體不被擊穿而制定的最高反向電壓，一般是二極體反向擊穿電壓UBR的一半或三分之二。二極體擊穿後單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。

指二極體加最高反向工作電壓時的反向電流值。反向電流值越小，管子的單向導電性能越好。其值隨著溫度的上升而顯著增加，因此溫度會影響二極體的性能。

4.

最高工作頻率fM5.2.3主要參數總目錄上頁章目錄下頁返回

是指保證二極體具有單向導電作用的最高工作頻率。當工作頻率過高時，二極體的單向導電性能就會變差，甚至失去單向導電性。點接觸型鍺管其最高工作頻率可達幾百兆赫，而面接觸型矽整流管，其最高工作頻率只有三千赫。1.二極體極性的識別（1）一般情況下，可通過管殼上的標記確定。有色環的二極體，色環所在的一端為負極；帶色點的二極體，色點所在的一端為正極。（2）無標記的二極體，可通過萬用表來判斷正負極。正負極的確定是利用了二極體正向電阻小、反向電阻大的特點。將萬用表撥到R×1k檔，用表筆分別接觸二極體的兩極，測出兩個電阻值。在所測得阻值較小的一次，與5.2.4二極體的檢測總目錄上頁章目錄下頁返回黑表筆相接的一端為正極。同理，在所測得阻值較大的一次，與黑表筆相接的一端為負極，如圖所示。上述檢測使用的是指針式萬用表，實際上也可使用數字萬用表。如果用數字萬用表，表筆情況正好相反，即在所測得阻值較小的一次，與黑表筆相接的一端為二極體負極。同理，在所測得電阻值較大的一次，與黑表筆相接的是二極體正極。總目錄上頁章目錄下頁返回

利用萬用表還可以判斷二極體的好壞。如果測得的正、反向電阻值均很小，說明二極體內部短路；若正、反向電阻值均很大，說明二極體內部開路，這兩種情況下，二極體就不能使用了。

2.二極體好壞的識別

以上是普通二極體的檢測方法，汽車交流發電機上的整流二極體就可以按照上述方法進行檢測。操作：用萬用表檢測汽車交流發電機整流板上的正極管、負極管。總目錄上頁章目錄下頁返回1.整流電路由三只正極管和三只負極管組成。正極管的導通條件是：在某一瞬間，與三相繞組中電位最高相連接的正極管導通。

負極管的導通條件是：在某一瞬間，與三相繞組中電位最低相連接的負極管導通。

三相橋式整流電路5.2.5二極體在汽車電子電路中的應用總目錄上頁章目錄下頁返回設三相繞組輸出的電壓為三相對稱電壓，波形如圖所示。

為便於分析，現將一個週期等分成6個社區間加以說明。

在t1~t2內，VD1、VD5導通，U1V1間電壓加到負載上。在t2~t3內，VD1、VD6導通，U1W1間電壓加到負載上。總目錄上頁章目錄下頁返回在t4~t5內，VD2、VD4導通，V1U1間電壓加到負載上。在t3~t4內，VD2、VD6導通，V1W1間電壓加到負載上。

按照正極管VD1—VD2—VD3、負極管VD5—VD6—VD4的順序輪流導通，在負載端便得到一個較平穩的直流電壓。電壓波形如圖所示。

總目錄上頁章目錄下頁返回2.保護電路在電路中，VD4起保護作用。當勵磁線圈斷電時，所產生的感應電動勢通過VD4釋放，避免了反電動勢疊加在電源電壓上對VT2、VT3的電壓衝擊，保證了它們的安全。總目錄上頁章目錄下頁返回1.穩壓管符號

伏安特性

穩壓管正常工作時加反向電壓使用時要加限流電阻

穩壓管反向擊穿後，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用該特性，穩壓管在電路中可起穩壓作用。UIOUZIZIZM

UZ

IZ（1）穩壓管的特性5.2.6

特殊二極體及在汽車電子電路中的應用總目錄上頁章目錄下頁返回①穩定電壓UZ

穩壓管正常工作(反向擊穿)時管子兩端的電壓。②穩定電流IZ

、最大穩定電流IZM

穩定電流是指穩壓管的穩定電壓所對應的電流值最大穩定電流是指穩壓管反向擊穿後允許流過的最大電流值。使用時要加限流電阻。③動態電阻rZ愈小，曲線愈陡，穩壓性能愈好。（2）主要參數總目錄上頁章目錄下頁返回①穩壓電路汽車儀錶電路的穩壓電路

由穩壓管和限流電阻串聯組成。其中穩壓管與負載電路並聯，以便發揮穩壓作用。穩壓電路的穩壓原理是：當蓄電池電壓上升時，穩壓管的反向電壓略有增大，根據反向擊穿特性可知，其反向電流大大增加。這將引起限流電阻的電流和電壓增加，若電阻選擇合適，則其電壓的增量將抵消掉蓄電池電壓的增量，使儀錶上的電壓基本不變。相反，當蓄電池電壓減小時，限流電阻上的電壓減小，保證了儀錶上的電壓基本不變。（3）穩壓管在汽車電子電路中的應用總目錄上頁章目錄下頁返回②限幅電路在圖中，穩壓管VZ2為限幅二極體，在電路中起限制電壓幅度的作用。其工作原理是：當電路開關S接通時，在電壓調節器兩端會產生瞬間高壓，穩壓管反向擊穿導通，將電壓限制在一定範圍內，避免了瞬間高壓損壞電壓調節器。

總目錄上頁章目錄下頁返回2.發光二極體發光二極體的外形和符號有正向電流流過時，發出一定波長範圍的光，目前的發光管可以發出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極體類似，但正向電壓較一般二極體高為1.5~3V，電流較小為幾~十幾mA發光二極體具有體積小、反應快、光度強、壽命長等優點，在汽車電路中得到廣泛應用。如安裝在汽車組合儀錶盤上各種指示燈、報警燈都是發光二極體組成的。

總目錄上頁章目錄下頁返回汽車上的液面檢測報警電路報警燈液位感測器永久磁鐵是浮子舌簧管是靜止的

在液位正常時，舌簧管觸點斷開，報警燈不發光。當液位低於規定值時，磁鐵浮子下移到舌簧管中部，在磁場作用下觸點閉合，報警燈電路接通而發光報警。總目錄上頁章目錄下頁返回3.光電二極體

利用這一特性可以將許多光電二極體組成光電板，作為電源使用，稱為太陽能電池。另外，光電二極體在汽車上作為光信號檢測元件得到了廣泛的應用。

反向電流的數值隨著光照的增強而上升。無光照時，反向電流很小；有光照時，反向電流急劇增加，且光照的越強，反向電流越大。

總目錄上頁章目錄下頁返回汽車空調用日照強度感測器等效電路

日照強度感測器在空調自動控制系統中是一個日照強度檢測元件，它通過光電二極體檢測日光照射量的變化，並把這種變化轉換成電流值輸出。車內空調電腦對這種變化進行檢測，並根據電流的變化情況控制執行機構調節排風口的風量和溫度，達到調節車內溫度的目的。總目錄上頁章目錄下頁返回汽車光電式點火信號發生器原理圖

主要由發光二極體、光電二極體和遮光轉子組成。發光二極體通入電流後產生光源，光電二極體受光後產生電壓，遮光轉子有與氣缸數相對應的缺口，光源照射到光電二極體的光線受轉動的遮光轉子控制。

當遮光轉子隨分電器軸轉動時，遮光轉子缺口週期性地通過光線，使光電二極體週期性受光，光電二極體便產生了與曲軸位置相對應的電壓脈衝，即點火觸發信號。

5.3三極管5.3.1結構與符號NNP基極發射極集電極NPN型BECBECPNP型PPN基極發射極集電極符號：BECIBIEICBECIBIEICNPN型PNP型總目錄上頁章目錄下頁返回基區：最薄，摻雜濃度最低發射區：摻雜濃度最高發射結集電結BECNNP基極發射極集電極結構特點：集電區：面積最大總目錄上頁章目錄下頁返回5.3.2電流分配與放大原理ICUBBmA

ARBIBUCC––++mAIERPVT發射結正偏、集電結反偏實驗線路1.三極管放大的外部條件總目錄上頁章目錄下頁返回IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05結論:1）電流關係IE

=IB+IC2）

IC

IB

，

IC

IE

3）

IC

IB

把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性稱為三極管的電流放大作用。

實質:用一個微小電流的變化去控制一個較大電流的變化，是CCCS器件。2.各電極電流關係及電流放大作用總目錄上頁章目錄下頁返回5.3.3三極管的特性曲線

即管子各電極電壓與電流的關係曲線，反映了電晶體的性能，是分析放大電路的依據。

重點討論應用最廣泛的共發射極接法的特性曲線ICUBBmA

AVUCEUBERBIBUCCV++––––++

測量三極管特性的實驗線路輸入回路輸出回路共發射極電路總目錄上頁章目錄下頁返回死區電壓正常工作時發射結電壓：矽管

UBE0.6~0.7V鍺管

UBE0.2~0.3V矽Uth=0.5V,鍺Uth=0.1V。IB(

A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO1.輸入特性總目錄上頁章目錄下頁返回36IC(mA)1234UCE(V)912O放大區(1)放大區在放大區有IC=

IB

，也稱為線性區。

在放大區，發射結正偏、集電結反偏，三極管工作於放大狀態。輸出特性曲線通常分三個工作區：40A60A80A100AIB=020A在放大區有恆流特性。2.輸出特性總目錄上頁章目錄下頁返回IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止區在截止區有

IB=0，

IC=IE

0

。在截止區發射結、集電結均反偏，三級管工作於截止狀態。飽和區截止區（3）飽和區

在飽和區，發射結、集電結均正偏，三級管工作於飽和狀態。深度飽和時，矽管UCES0.3V，

鍺管UCES0.1V。UCE=UBE

在飽和區，IC

≠

IB總目錄上頁章目錄下頁返回例:

試根據圖示中管子的對地電位，判斷各管是矽管還是鍺管？處於何種狀態？

方法

(1)矽管、鍺管的判斷

矽管：鍺管：總目錄上頁章目錄下頁返回

(2)判斷狀態

根據不同狀態下的偏置條件進行

(a)矽管，放大。解：(b)

矽管，飽和。(c)

鍺管，截止。總目錄上頁章目錄下頁返回直流電流放大係數交流電流放大係數當電晶體接成發射極電路時，

表示電晶體特性的數據稱為電晶體的參數，電晶體的參數也是設計電路、選用電晶體的依據。注意：

和

的含義不同，但在特性曲線近於平行等距並且ICEO較小的情況下，兩者數值接近。常用電晶體的

值在20~200之間。5.3.4三極管的特性曲線1.電流放大係數

，

總目錄上頁章目錄下頁返回例：在UCE=6V時，在Q1點IB=40A,IC=1.5mA；

在Q2點IB=60A,IC=2.3mA。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120在Q1點，有由Q1和Q2點，得Q1Q2在以後的計算中，一般作近似處理：

=

。總目錄上頁章目錄下頁返回2.集-基極反向截止電流ICBO

ICBO是由少數載流子的漂移運動所形成的電流，受溫度的影響大。溫度

ICBO

ICBO

A+–EC3.集-射極反向截止電流(穿透電流)ICEO

AICEOIB=0+–

ICEO受溫度的影響大。溫度

ICEO

，所以IC也相應增加。三極管的溫度特性較差。總目錄上頁章目錄下頁返回4.

集電極最大允許電流ICM5.

集-射極反向擊穿電壓U(BR)CEO

集電極電流IC上升會導致三極管的

值的下降，當

值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為ICM。

當集—射極之間的電壓UCE超過一定的數值時，三極管就會被擊穿。手冊上給出的數值是25C、基極開路時的擊穿電壓U(BR)

CEO。6.

集電極最大允許耗散功耗PCM

PCM取決於三極管允許的溫升，消耗功率過大，溫升過高會燒壞三極管。

PC

PCM=ICUCE

矽管允許結溫約為150C，鍺管約為70

90C。總目錄上頁章目錄下頁返回ICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作區由三個極限參數可畫出三極管的安全工作區ICUCEO總目錄上頁章目錄下頁返回5.3.5三極管管型和管腳的判別判定的方法：主要有目測法和萬用表檢測法，實際工作中優先採用目測法，在目測不能做出準確判斷時，再用萬用表進行檢測。

（1）管型的判別

根據三極管型號的命名方法確定。見下頁表注意：國內常見的三級管還有一些以數字命名的，如9011~9018。9011、9013、9014、9016、9018為NPN矽管9012、9015為PNP矽管1.目測法總目錄上頁章目錄下頁返回第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分用阿拉伯數字表示器件的電極數目用中文拼音字母表示器件的材料和極性用中文拼音字母表示器件的類別用阿拉伯數字表示序號用中文拼音字母表示規格號符號意義符號意義符號意義3三極管ABCDEPNP型鍺材料NPN型鍺材料PNP型矽材料NPN型矽材料化合物XGDATUKGS低頻小功率管高頻小功率管低頻大功率管高頻大功率管晶閘管光電管開關管場效應管如：130如：B三極管型號命名方法（GB249-89）總目錄上頁章目錄下頁返回（2）管腳的判別小功率(PCM≤1W)管：金屬圓殼封裝：管腳向上，它們組成半圓位於上部，按順時針方向依次為ebc。

塑膠半圓柱封裝：頭在上，平面向自己，左起ebc。大功率(PCM＞1W)管：電極靠近孔，左起ecb

。其中c是金屬外殼。總目錄上頁章目錄下頁返回（2）判別基極

（1）將指針式萬用表置歐姆檔R×100或R×1k，將兩表筆短接調零。

用黑表筆接三級管的某一電極，用紅表筆分別接另外兩個電極，若測得電阻都較小（約為幾百歐至幾千歐），則與黑表筆相接的電極為基極，同時可知為NPN管。如果電阻不是都小，則換電極重新檢測，直到兩次電阻值都很小為止。

如果用黑表筆接觸三級管的某一電極，而紅表筆分別接另外兩個電極時，測得電阻都較大（約為幾百千歐以上），則與黑表筆相接的電極為基極，同時可知為PNP管。2.用萬用表電阻擋判別總目錄上頁章目錄下頁返回（3）判別集電極和發射極

對NPN管，基極確定後，假定其餘兩電極中的一個為集電極，將黑表筆接到該電極上，紅表筆接到假定的發射極上。用手指把假定的集電極和已測出的基極捏起來（但不要相碰），記下電阻讀數；再將表筆對調，記下電阻讀數。比較兩次讀數，阻值較小時黑表筆所接的電極是集電極，餘下的電極為發射極。

對PNP管，方法同NPN管，只需將表筆對調即可即紅表筆接的是集電極，而黑表筆接的是發射極。注意：數字式萬用表的正極與表內電源正極相連，負極與表內電源負極相連；而指針式萬用表的正極是與表內電源負極相連的，負極是與表內電源正極相連的。因此，當用數字式萬用表檢測電晶體時，判定結果與指針式正好相反。

另外，在有些萬用表（部分指針式和所有數字式）上，具有hFE擋，利用之一功能也可確定三極管的電極。方法是：將萬用表的轉換開關撥到hFE擋，再把三級管的三個電極插入e、b、c插孔中，若能讀出放大倍數，則插孔中的三個電極分別是e、b、c

。5.4三極管基本放大電路

三極管的主要用途之一就是利用其放大作用組成放大電路，實現將微弱電信號放大的功能，以驅動大功率的負載工作，如使揚聲器發聲、電動機旋轉、使繼電器動作、使儀錶偏轉等。

放大電路在生產實踐與科學研究中的應用十分廣泛，已經成為電子電路中常見的基本單元。隨著電子技術的發展，集成放大電路占了主導地位，分立元件放大電路在實際應用中已不多見。雖然如此，但分立元件放大電路是所有模擬積體電路的基本單元。對初學者來說，從分立元件放大電路入手，掌握一些放大電路的基本概念是十分必要的。

本節將定性分析幾種基本放大電路的組成、工作原理、性能指標及常用的基本放大電路的特點和應用，為後續章節打好基礎。

總目錄上頁章目錄下頁返回5.4.1基本放大電路的組成與工作原理

在放大電路中，三極管有共發射極、共集電極和共基極三種接法，即三種組態。

相應地放大電路有三種：共發射極電路、共集電極電路和共基極電路。

以共射電路為例，介紹放大電路的組成和工作原理。總目錄上頁章目錄下頁返回1.組成三極管VT--放大元件，起電流放大作用共發射極基本放大電路UCCRBUBBRCC1C2VT++RL++––ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE基極電源UBB與基極電阻RB—使發射結處於正向偏置，並提供大小適當的基極電流IB。集電極電源UCC--為電路提供能量，並保證集電結反偏。總目錄上頁章目錄下頁返回1.組成共發射極基本放大電路UCCRBUBBRCC1C2VT++RL++––ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE集電極電阻RC--將變化的電流轉變為變化的電壓。耦合電容C1、C2--隔離輸入、輸出與放大電路直流的聯繫，同時使信號順利輸入、輸出，即隔直通交。組成原則：①電源的接法必須使三極管工作在放大狀態。

②輸入信號ui應能加到三極管的輸入極上，經過放大後能從輸出端有效輸出。總目錄上頁章目錄下頁返回單電源供電時常用的畫法+UCCRBRCC1C2VT++RLui+–uo+–+–uBE+uCE–iCiBiEUCCRBUBBRCC1C2VT++RL++––ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE共發射極基本放大電路總目錄上頁章目錄下頁返回2.工作原理放大電路中電流、電壓的符號規定名稱總電流或總電壓直流量（靜態值）交流量基本關係式暫態值有效值基極電流iBIBibIbiB=IB+ib集電極電流iCICicIciC=IC+ic基-射電壓uBEUBEubeUbeuBE=UBE+ube集-射電壓uCEUCEuceUceuCE=UCE+uce總目錄上頁章目錄下頁返回+UCCRBRCC1C2VT++RLui+–uo+–+–uBE+uCE–iCiBiE

uo

=0uBEtOiBtOiCtOuCEtOUBEIBICUCE2.工作原理無輸入信號(ui

=0)時:輸入端相當於短路，由於電容器的隔直流作用，直流電流只在電容器C1和C2之間的電路中從上而下流動，從而使三級管各極上的電流和電壓均為恒定的直流量。總目錄上頁章目錄下頁返回ICUCEOIBUBEO

直流(IB、UBE)

和(IC、UCE)分別對應於輸入、輸出特性曲線上的一個點Q，稱為靜態工作點。靜態工作點對應的各直流電流和電壓也稱為靜態值。QIBUBEQUCEIC總目錄上頁章目錄下頁返回+UCCRBRCC1C2VT++RLui+–uo+–+–uBE+uCE–iCiBiE2.工作原理UBEIB

uCE

=UCC－iC

RCICuBEtOiCtOuCEtOuitOUCEuotOiBtO有輸入信號(ui≠0)時:三極管各極電流和電壓的大小均發生變化，都在直流量的基礎上疊加了一個交流量。總目錄上頁章目錄下頁返回UBEIBICuBEtOiCtOuCEtOuitOUCEuotOiBtO若參數選取得當，輸出電壓將比輸入電壓幅度大，電路實現了對交流電壓的放大。輸出電壓與輸入電壓在相位上相差180°，故共發射極電路具有反相作用。總目錄上頁章目錄下頁返回5.4.2放大電路的性能指標放大倍數是衡量電路放大能力的一項指標，有電壓、電流和功率三種。

1.放大倍數電壓放大倍數Au：輸出電壓與輸入電壓的相量之比總目錄上頁章目錄下頁返回電流放大倍數Ai：輸出電流與輸入電流的相量之比在不考慮放大電路中電抗元件（即電容元件和電感元件）的影響時，放大倍數Au可寫成交流暫態值或有效值之比。總目錄上頁章目錄下頁返回同樣，在不考慮放大電路中電抗元件的影響時，放大倍數Ai也可寫成交流暫態值或有效值之比。

功率放大倍數Ap：輸出功率與輸入功率之比總目錄上頁章目錄下頁返回2.輸入電阻ri

輸入電阻是從放大電路的輸入端往裏看，電路的等效電阻。定義為輸入電壓與輸入電流的相量之比。在不考慮放大電路中電抗元件的影響時，也可寫成交流暫態值或有效值之比。

它是衡量放大電路對信號源影響程度的一個指標。其值越大，放大電路從信號源索取的電流就越小，對信號源影響就越小。總目錄上頁章目錄下頁返回3.輸出電阻ro

輸出電阻是從放大電路的輸出端往裏看，電路的等效電阻。它可以通過實驗的方法測得。當負載開路時，測得輸出電壓為接上負載，測得的輸出電壓為。根據圖可得：

輸出電阻是描述放大電路帶負載能力的一項技術指標。通常放大電路的輸出電阻越小越好。

總目錄上頁章目錄下頁返回

4.最大輸出功率Pom和效率Pom：在輸出信號基本不失真的情況下電路所能輸出的最大功率。

：最大輸出功率Pom與電源提供的直流功率Pu之比。

放大電路的性能指標還有很多，如最大輸出幅度、失真係數、通頻帶、溫度漂移、抗干擾能力等等，後面用到時再進行介紹。總目錄上頁章目錄下頁返回5.4.3基本放大電路的類型和特點

在生產實踐中基本放大電路放大的信號往往不只是正弦信號，還有緩慢變化的直流信號；同時，不只是放大電壓信號，有時還需要放大電流和功率信號。為了完成不同信號的放大，需要有不同的結構。

1．共射放大電路（1）結構特點交流通路：交流電流的通路

交流通路的畫法見下頁圖

總目錄上頁章目錄下頁返回①信號的輸入和輸出回路都以發射極為公共端，故稱為共發射極電路。②電路的信號由基極輸入，由集電極取出。

+UCCRBRCC1C2VT++RLui+–uo+–+–uBE+uCE–iCiBiE短路短路對地短路交流通路uiuORBRCRL+–+–總目錄上頁章目錄下頁返回①有較高的電壓放大倍數（2）性能特點②輸入電阻較低而輸出電阻較高一般用於電壓放大級2．共集電極放大電路（1）結構特點

①信號的輸入和輸出回路都以集電極為公共端，故稱為共集電極放大電路。

②因輸出信號由發射極對地輸出，又稱為射極輸出器。

總目錄上頁章目錄下頁返回（2）性能特點①由交流通路可知，，電壓跟隨性好。②輸入電阻高、輸出電阻低，對信號源的影響小且帶負載能力強，可作為多級放大電路的輸入級、輸出級和中間隔離級使用。3．差動放大電路（1）結構特點①電路對稱

②雙端輸入方式③正負雙電源供電

總目錄上頁章目錄下頁返回差動放大電路的基本輸入信號有兩種：差模輸入信號和共模輸入信號。（2）性能特點差模輸入信號：大小相等、極性相反的一對信號即ui1=

-ui2。共模輸入信號：大小相等、極性相同的一對信號即ui1=

ui2。

①差動放大電路對共模信號有很強的抑制作用，理想情況下的共模放大倍數；

總目錄上頁章目錄下頁返回

②對差模信號有很好的放大作用，差模放大倍數

③對差動放大電路而言，差模信號是有用的信號，通常要求對它有較大的放大倍數；而共模信號則是由於溫度變化或干擾產生的無用的信號，需要對它進行抑制。為了全面反映了差動放大電路放大差模信號和抑制共模信號的能力，引出了共模抑制比的概念。共模抑制比在理想情況下，差動放大電路

總目錄上頁章目錄下頁返回功率放大電路：以功率放大為主要目的的放大電路4．互補對稱功率放大電路

因為它能直接驅動負載工作，如使揚聲器發聲，電動機旋轉，繼電器動作，儀錶指針偏轉等，所以在多級放大電路中常作為末級或末前極使用。

（1）結構特點①電路對稱

②工作時，輪流工作，互相補充，故稱為互補對稱電路。總目錄上頁章目錄下頁返回（2）性能特點①無信號輸入時IB=0，IC≈0，管子本身的損耗很小，所以電路的效率高。

②有信號輸入時，管子往往在接近極限狀態下工作，輸出功率大。③兩管都是射級輸出，所以輸出電阻低也是它的主要特點。

總目錄上頁章目錄下頁返回

汽車在行駛過程中，由於顛簸、振動等原因，電氣線路與車體發生摩擦而造成絕緣層損壞，出現接地（短路）故障，這就需要及時地發現併發出聲光報警信號，以提醒駕駛人員注意，避免發生更大的事故。下圖就是一種為適應接地故障的快速檢測而製作的故障探測電路，它由感測器、兩級放大電路、聲光報警裝置及直流電源等組成。

5.4.4基本放大電路在汽車檢測中的應用總目錄上頁章目錄下頁返回探測器工作原理：當導線接地後，在接地點就會產生短路電流，短路點就會向周圍發出高頻電磁信號。這個信號就被由線圈和鐵心構成的感測器接收到，並轉換成交流電信號輸出。這個交流信號很微弱，經過三極管VT1放大後，在它的集電極就會得到放大了的交流信號，再送入VT2的基極進行放大，使接在VT2集電極的發光二極體閃爍發光，接在發射極的蜂鳴器發出聲響。感測器越接近故障點，接收到的信號越強，發光二極體越亮，蜂鳴器發出的聲響越強。根據發光二極體亮度變化和蜂鳴器聲音變化，就能快速找到故障點。

5.5其他半導體器件5.5.1光電三極管1.光電三極管結構特點：也有兩個PN結，但集電結採用光電二極體結構，由光電二極體提供基極電流，所以基極不引出，從外觀上看只有兩個電極即C和E極。總目錄上頁章目錄下頁返回

光電三極管在汽車上主要應用於感測器中，實現空氣流量檢測、轉向角度檢測、車速測量、位置測量等功能。光電效應：光電三極管是光控元件，其集電極電流隨光照強度的上升而增大。無光照光照增強E:

光照強度總目錄上頁章目錄下頁返回2.光電式感測器（1）空氣流量感測器空氣流量感測器又稱空氣流量計，是用來檢測發動機進氣量大小的感測器，其作用是將進氣量資訊轉換成電信號輸入電腦ECU，由電腦計算出進氣量的大小，以確定發動機的噴油時間和點火時間。空氣流量計的種類很多，有歧管壓力感測器，翼片式、量芯式、渦旋式、熱線式與熱模式空氣流量計等，這裏介紹渦旋式空氣流量計。與空氣流速成正比：總目錄上頁章目錄下頁返回

渦旋式空氣流量計是根據卡門渦旋理論測量空氣流量的一種感測器。在進氣道的中央設置一錐形渦旋發生器，當空氣通過時，在渦旋發生器的後面就會產生一系列十分規則的空氣旋渦，稱為卡門渦旋。理論與實踐證明，渦旋發生器後方某一點的卡門渦旋頻率f與空氣流速v成正比：St—斯特羅巴爾係數；

d—渦旋發生器外徑。

這樣，只要測出卡門渦旋頻率f，就可知道空氣的流速v，再乘以空氣通道的截面積便可獲得空氣的流量。總目錄上頁章目錄下頁返回反光鏡式卡門渦旋空氣流量計反光鏡檢測式空氣流量計主要由渦旋發生器、導壓孔和反光鏡檢測裝置組成。

渦旋頻率的測量是通過渦旋發生器、導壓孔和反光鏡檢測裝置三者的配合實現的，原理是：當管道中進氣量變化時，渦旋發生器後面的渦旋壓力就會發生變化，渦旋壓力的變化經導壓孔作用到簧片上便使簧片產生振動，其振動頻率與渦旋頻率相同。總目錄上頁章目錄下頁返回由於反光鏡隨簧片一同振動，因此反光鏡將發光二極體投射的光束反射到光電三極管上的反射頻率與渦旋頻率相同。因為光電三極管受到光束照射時導通，不受光束照射時截止，所以光電三極管的導通和截止頻率與渦旋頻率相同。電腦根據光電三極管的導通和截止的頻率即可計算出渦旋頻率及空氣流量。反光鏡檢測式渦旋空氣流量計輸出的信號是數字信號，所以輸入到汽車電腦時無需進行模數轉換。此外，由於無可動部件，信號反應靈敏，測量精度也較高。但其製造成本高，一般只在高檔轎車上使用。如豐田系列高檔轎車。

反光鏡式卡門渦旋空氣流量計總目錄上頁章目錄下頁返回（2）轉角感測器

轉角感測器是用來檢測轉向器主軸的轉動角度和轉動方向的感測器。它主要有光電式和磁電式兩種，目前汽車上使用較多的為光電式感測器，其結構和電路如圖所示。

由遮光盤和夾在其兩側的兩組光電耦合器組成。

總目錄上頁章目錄下頁返回遮光盤隨轉向軸轉動時，發光二極體發出的光線時而通過透光槽作用於光電三極管上，使三極管導通；時而被遮光盤遮擋，從而使三極管截止。每截止一次，就輸出一個電壓脈衝。汽車電腦根據一定時間內三極管輸出的電壓脈衝數即可判斷出轉向軸轉過的角度。總目錄上頁章目錄下頁返回5.5.2熱敏電阻熱敏電阻是半導體元件，它是將錳、鎳、鈷、銅和鈦等金屬氧化物按一定比例混合後壓制成型，在高溫（1000oC左右）下燒結而成的。其外形有片狀、圓柱狀等多種。

熱敏電阻的主要特性是熱敏性即阻值隨溫度的變化而變化。

熱敏電阻有負溫度係數型（NTC）、正溫度係數型(PTC)和臨界溫度係數型（CTR）三種類型。

熱敏電阻具有體積小、靈敏度高等特點，因此被廣泛應用在溫度測量和溫度控制上。

熱敏電阻的外形熱敏電阻的溫度特性5.6集成運算放大器

分立元件放大電路因為放大倍數低、可靠性不高、體積大等缺點，應用範圍逐漸萎縮。取而代之的是集成運算放大器，它具有高放大倍數和高可靠性、低成本、小尺寸的優點，因此應用範圍十分廣泛，從信號的運算、放大到信號的產生和轉換以及信號的測量和自動控制等方面都用到了集成運放。本節集成運算放大器的基本組成、特性及應用等方面作一介紹。總目錄上頁章目錄下頁返回5.6.1集成運算放大器概述1.組成與封裝輸出級：與負載相接，要求輸出電阻低，帶負載能力強，一般由互補功放電路或射極輸出器構成。輸入級：要求輸入電阻高，能減小零點漂移和抑制干擾信號，都採用差動式放大電路

。中間級：要求電壓放大倍數高。常採用帶恒流源的共射極放大電路構成。偏置電路：為上述各級電路提供穩定和合適的偏置電流，決定各級的靜態工作點，一般由各種電流源構成。集成運放的內部組成總目錄上頁章目錄下頁返回封裝形式：圓殼式和雙列直插式，各引腳按逆時針排列。集成運放的符號：2、3—為反相和同相輸入端。

4、7—為負電源和正電源端

6—為輸出端

1和5—為外接調零電位器（10kΩ）的兩個端子，調整運放輸出的零點

8—為空腳

總目錄上頁章目錄下頁返回（1）開環差模電壓放大倍數Aud(Auo)2.主要參數運放沒有接回饋電路時的差模電壓放大倍數。Aud愈高，所構成的運算電路越穩定，運算精度也越高。一般幾萬至幾十萬倍，理想的開環電壓放大倍數為∞。

（2）開環差模輸入電阻rid是指在開環狀態下，運放的兩輸入端之間對差模信號的動態電阻。其值越大，從信號源取用的電流越小，對信號源影響越小。一般在幾百千歐到幾兆歐，理想輸入電阻為

∞。總目錄上頁章目錄下頁返回（3）開環輸出電阻ro指在開環狀態下，負載開路時輸出端對地的電阻值。輸出電阻越小，集成運放帶負載能力越強，一般在幾十到幾百歐，理想情況下為無窮大。

（4）共模抑制比KCMR是集成運放差模電壓放大倍數與共模電壓放大倍數之比的對數值,即

KCMR數值越大，抑制干擾信號能力越強。一般在80dB以上，理想值為無窮大。

（5）最大輸出電壓幅度

UOPP基本不失真時，運放能輸出的最大峰-峰值電壓，為電源70%

總目錄上頁章目錄下頁返回3.理想運放及分析依據Auo

，rid

，ro0，KCMR

理想運算放大器的符號電壓傳輸特性uo=f(ui)線性區：uo

=

Auo(u+–u–)非線性區：u+>u–

時，uo

=+Uo(sat)

u+<u–

時，uo

=–Uo(sat)

u+–u–

uo–Uo(sat)線性區理想特性實際特性非線性區（2）分析依據

+Uo(sat)（1）理想運算放大器總目錄上頁章目錄下頁返回因為uo

=

Auo(u+–

u–

)所以a)

u+=u–

,稱“虛短”

所以

b)

i+=i–0,稱“虛斷”

Auo越大，運放的線性範圍越小，必須加負回饋才能使其工作於線性區。++∞uou–u+i+i––

u+–u–

uo線性區–Uo(sat)+Uo(sat)①理想運放工作線上性區的特點因為rid=∞總目錄上頁章目錄下頁返回②理想運放工作在非線性區的特點a)輸出只有兩種可能,+Uo(sat)或–Uo(sat)

b)i+=i–0,仍存在“虛斷”現象電壓傳輸特性當u+>u–

時，uo

=+Uo(sat)

u+<u–

時，uo

=–Uo(sat)

不存在“虛短”現象

uo

u+–u–

–Uo(sat)+Uo(sat)O非線性區總目錄上頁章目錄下頁返回5.6.2基本運算電路

集成運算放大器與外部電阻、電容、半導體器件等構成閉環電路後，能對各種模擬信號進行比例、加法和減法、積分和微分、指數和對數、乘法和除法等運算。在進行運算時，輸出量都能反映輸入量的某種運算結果，因此運算放大器工作線上性區。在分析電路時線性區的兩個特點是電路的分析依據。本節主要分析比例、加減運算電路。總目錄上頁章目錄下頁返回①電路組成

以後如不加說明，輸入、輸出的另一端均為地()。②工作原理因為u–=u+=0，稱反相輸入端“虛地”—反相輸入的重要特點因為i–=0ifiii–i+uoRfuiR2R1++––++

–

所以ii=ii+i-=if

1.比例運算電路平衡電阻R2=R1//Rf

因要求靜態時u+、u–

對地電阻相同，所以(1)反相比例運算電路總目錄上頁章目錄下頁返回例：電路如下圖所示，已知ui=-1V，Rf

=20k

，R1=2k

。求：uo=?

uoRfuiR2R1++––++

–

解：總目錄上頁章目錄下頁返回因虛斷，所以u+=ui

①電路組成②工作原理uoRfuiR2R1++––++

–

因虛短，所以

u–=ui

，反相輸入端不“虛地”

因要求靜態時u+、u

對地電阻相同，

所以平衡電阻R2=R1//Rf(2)同相比例運算電路若R1=∞或R1=∞、Rf=0，則uo=ui，成為電壓跟隨器。總目錄上頁章目錄下頁返回例：電路如上一頁所示，已知ui=1V，Rf

=20k

，R1=2k

，最大輸出電壓UOPP=±12V。求：uo並判斷運放的工作區間。例：電路如下圖所示，求：uo=？。解：解：因故運放工作線上性區因運放組成電壓跟隨器所以uo+–++

–

15k

RL15k

+15V

7.5k

總目錄上頁章目錄下頁返回2.加減運算電路(1)加法運算電路uoRfR2++

–

R+–ui2ui3R3ui1R1i3i1ifi2因虛短,u–=u+=0因虛斷，i–=0

所以i1+i2+i3=if

平衡電阻：

R=R1

//R2

//R3//Rf總目錄上頁章目錄下頁返回例：電路如下圖所示，設uo=-（4ui1+2ui2+0.5ui3)，Rf

=100k

。求：R1

、R2、R3和R。uoRfR2++

–

R+–ui2ui3R3ui1R1i3i1ifi2解：總目錄上頁章目錄下頁返回

減法運算電路可看作是反相比例運算電路與同相比例運算電路的疊加。ui1ui2uoRfR3R2++

–

R1(2)減法運算電路

若取R1

=R2

，R3

=Rf

如R1

=R2

=R3

=Rf

總目錄上頁章目錄下頁返回例：電路如下圖，設Rf

=

R1=

R2=R3

，ui1=

1V，ui2=3V，求：uo=？ui1ui2uoRfR3R2++

–

R1

因為R1

=R2

=R3

=Rf

在實際中，能實現上述各種運算的集成放大器有三種：解：總目錄上頁章目錄下頁返回3.運算放大器在汽車感測器中的應用

集成運放除了有運算能力外，還有放大能力，因此在汽車溫度、壓力感測器中獲得廣泛應用。

壓敏電阻式進氣壓力感測器結構原理圖

壓力轉換元件壓力轉換元件：由粘在矽膜片的四個應變電阻組成，其中應變電阻接成電橋電路。其作用是：將壓力信號轉變為電壓信號輸出。積體電路：是一個差動放大器，用來放大電橋輸出的信號。

積體電路總目錄上頁章目錄下頁返回進氣量的測量原理是：進氣壓力通過進氣口作用到壓力轉換元件上，使應變電阻的阻值發生改變，電橋輸出電壓信號。該信號經過差動放大器放大後送給電子控制器（又稱電腦）ECU計算出進氣量的大小。壓力轉換元件積體電路總目錄上頁章目錄下頁返回電壓比較器是一種用途十分廣泛的器件。數模轉換、數字儀錶、自動控制和自動檢測等技術領域，以及波形產生及變換等場合。在汽車上用於充電電壓的監視器電路中。5.6.3電壓比較器電壓比較器的功能：電壓比較器用來比較輸入信號與參考電壓的大小。

運放工作在開環狀態或引入正回饋，使運放處於非線性區，因此電壓比較器的分析依據是理想運放的非線性區特點。

電壓比較器的分析依據：①當u+>u－

時，uo

=+Uo

(sat)

u+<u－