电工学14和15章教案

电工学第七版第 14、 15 章教 案授课时间2014年2月 24日授课学时：2学时教学内容（章节）课型新授课教学目标了解电子技术的发展历史和现状，了解半导体基础知识教学重、难点半导体二极管工作原理、特性曲线教学方法及手段以讲授为主，并加以举例；课堂适当提问和习题练习教学准备网络信息搜集电子技术相关的实例教学过程前后：可以毫不夸张的说，人们现在生活在电子世界中。电子技术无处不在：近至计算机、手机、数码相机、音乐播放器、彩电、音响等生活常用品，远至工业、航天、 军事等领域都可看到电子技术的身影。电子技术是十九世纪末，二十世纪初开始发展起来的新兴技术，它在一十世纪的迅速发展大大推动了航空技术、遥测传感技术、通讯技术、计算机技术以及网络技术的迅速发展，因此它成为近代科学技术发展的一个重要标志。一、半导体基础知识导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体，例如铜、铁、铝。绝缘体：几乎不导电的物质，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料、石英。半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间，称为半导体，例如错、硅、神化钱和一 些硫化物、氧化物等。半导体的导电特性：1 .当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。（热敏性、光敏性）。2 .往纯净半导体中掺入某些杂质，会使其导电能力明显改变（掺杂性）。二、本征半导体1 .本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。（用的最多的是硅和错）2 .在本征半导体的晶体结构中，每个原子的一个价电子与另一个原子的价电子组成电子对，这对价电子是每个相邻原子所共有的，称为共价键。3 .本征半导体的导电机理当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流：4 1）自由电子作定向运动形成电子电流5 2）价电子递补空穴形成空穴电流6 3）载流子：自由电子和空穴三、N型半导体和 P型半导体1. N型半导体：在硅或错晶体中掺入少量的磷（或其它五价元素）。2. P型半导体：在硅或错晶体中掺入少量的硼（或其它三价元素）。3. N型半导体中自由电子是多数载流子空穴为少数载流子而在P型半导体中相反。4. 无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。教学过程四、PN结的形成及其单向导电性1. PN结的形成在一块N型(P型)半导体的局部再掺入浓度较大的三价(五价)杂质，使其变 为P型(N型)半导体。在 P型半导体和N型半导体的交界面就形成一个特殊的薄 层，称为PN结。2. PN结的单向导电性(1) PN结加正向电压(正向偏置)，即电源正极接P区，负极接N区，P区多数载流于空穴和N区多数载流于自由电子在电场作用下通过PN结从而进入对方，形成较大的正向电流，此时 PN结呈现低电阻，处于导通状态。(2) PN结加反向电压(反向偏置)时， P区和N区的多数载流子受阻，难于通过PN结，但是P区的少数载流于自由电子和 N区的少数载流于空穴在电场作用下却能通 过PN结从而进入对方，形成反向电流，由于少数载流子数量少， 所以反向电流较小， PN结呈现高电阻，处于截止状态。五、二极管1 .基本结构1 1) PN结加上相应的电极引线和管壳就成为二极管。(2)按结构分，二极管分点接触型、面接触型、和平面型三类。点接触型：PN结 面积很小，不能通过较大电流，但其高频性能好。面接触型：PN结面积大，可以通过较大的电流，但工作频率较低，一般用于整流。平面型二极管：可用作大功率整流管和数字电路中的开关管。2 .伏安特性(1)二极管加正向电压，二极管处于正向导通状态，正向电阻较小，正向电流较大。(2)二极管加反向电压，二极管处于反向截止状态，反向电阻较大，反向电流很小。(3)外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。(4)二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。3 .主要参数(1)最大整流电流IOM最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。(2)反向工作峰值电压 Urwm它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是反向击穿电压的一半或者 三分之二。(3)反向峰值电流IRM它是指在二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流。它越大说明二极管的单向导 电性能差，并且受温度影响大。(4)二极管的应用：主要利用它的单向导电性，用于整流、检波、限幅、元件保护及数字电路中的开关 元件等。练习设计教学反思教案授课时间2014年2月 28日授课学时：2学时教学内容(章节)14.4稳压二极管14.5双极型晶体管14.6光电器件课型新授课和习题教学目标掌握稳压管特点、熟悉半导体三极管工作原理、特性曲线和主要参数。教学重、难点双极型极管工作原理、特性曲线教学方法及手段以讲授为主，并加以举例；课堂适当提问和习题练习教学准备网络听 课 学习教学方 法教学过程一、 稳压管1 .稳压二极管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。由于它在电路中与适当数值的电阻配合后能起到稳定电压的作用，故称为稳压二极管。2 .稳压二极管的符号3 .稳压二极管的特性曲线与普通二极管的特性曲线类似，/、同的是稳压二极管的反向特性曲线比较陡。 反向击穿电压较低。 工作在反向击穿区， 反向击穿可逆，但 如果反向电流超过允许范围，会发生热击穿血损坏。4 .稳压二极管主要参数(1)稳定电压Uz :稳压二极管正常工作下管子两端的电压.(2)电压温度系数a u：说明稳压值受温度变化影响的系数。(3)动态电阻rz：稳压二极管端电压变化量与相应的电流变化量的比值。(4)取人允许耗放功个 Pzm： it子不致发生热击穿的取大功率损耗Pzm=UzIzm二、双极型晶体管1 .基本结构(由两个 PN结构成的)按材料分：硅管、铺管；按功率大小分：大、中、小功率管；2 .电流分配和放大原理(共发射极电路)(1)发射区向基区扩散电子(2)电子在基区小散和复合(3)集电区收集从发射区扩散过来的电子3 .特性曲线(1)输入特性曲线：当集-射极电压UCE为常数时，输入电路中基极电流IB与基-射极电压之间Ube之间的关系曲线IB=f(U be) o(2)输出特性曲线：当基极电流为常数时，输出电路中集电极电流Ic与集-射极电压Uce之间的关系曲线Ic=f(UcE)。4 .晶体管的三个工作区特点(图三)：放大区：发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置。即Ic= 0IB,且Ic= B IB饱和区：发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。Ic Sb,IcMcc/Rc, Uce截止区：发射结处于反向偏置，集电结也处于反向偏置。Ic = ICEO前,UceUcc教学过程5.三极管主要参数(1) 3可从输出特性曲线上求出，小功率管3 10200,采用3080的管子。(2) ICBO集电极一基极反截止电流：少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度影响大，温度升局则IcbO增大。(硅管Icbo UcE=ube/ib Uce称为晶体管的输入电阻。低频小功率晶体管的输入电阻常用卜式估算rbe 200( ) (1B)第%(mA)式中，IE是发射极电流的静态值，右边A项取100300 心一般几百欧到几千欧。它是对父流而言的一个动态电阻。(2)输出回路输出特性在线性工作区是一组近似等距的平行直线。晶体管的输出回路(C、E之间)可用T控电流源 ic= ib等效代替，即由 来确定ic和ib之间的关系。晶体管 的输出电阻rce愈大，恒流特，f 愈好，因 rce阻值很高，一般忽略不计。,二2e教学过程三、动态分析计算1 .电压放大倍数的计算Au昆rbe式中的负号表示输出电压的相位与输入相反。负载电阻愈小，放大倍数愈小。因rbe与IE有美，故放大倍数与静态IE有美。2 .放大电路输入电阻的计算放大电路又叫1号源(或对前级放大电路)来说，是一个负载，可用一个电阻来等效代 替。这个电阻是信号源的负载电阻，也就是放大电路的输入电阻。输入电阻是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数。电路的输入电阻愈大，从信号源取得的电流 愈小，因此一般总是希望得到较大的输入电阻。ri Rb / rbe3 .放大电路输出电阻的计算放大电路对负载(或对后级放大电路)来说，是一个信号源，可以将它进行戴维宁 等效，等效电源的内阻即为放大电路的输出电阻。输出电阻是动态电阻，与负载无 关。输出电阻是表明放大电路带负载能力的参数。电路的输出电阻愈小，负载变化 时输出电压的变化愈小，因此一般总是希望得到较小的输出电阻。ro Uo Rc1 o4 .共射极放大电路特点：(1)放大倍数高；(2)输入电阻低；(3)输出电阻高。三、图解法对放大电路的动态分析1 .交流负载线交流负载线反映动态时电流ic和电压UCE的变化关系。交流负载线斜率1tan a 因为R Rc所以交流负载线比直流负载线陡。 Rl2 .图解分析3 .非线性失真如果Q设置不合适，将造成非线性失真的三种情况：(1)如果Q设置不合适，晶体管进入截止区或饱和区工作，将造成非线性失真。(2)若Q设置过高，晶体管进入饱和区工作，造成饱和失真。(3)若Q设置过低，晶体管进入截止区工作，造成截止失真。练习设计教学反思教案授课时间2014年3月10日授课学时：2学时教学内容(章节)15. 4静态工作点的稳定；15. 6射极输出器课型新授课教学目标了解分压式偏置电路和射极输出器的特点教学重、难点用微变等效电路方法来分析动态电路的输入电阻，放大倍数和输出电阻。教学方法及手段以讲授为主，并加以举例；课堂适当提问和习题练习教学准备网络听 课 学习教学方 法教学过程一、静态工作点的稔定1 .温度变化对静态工作点的影响在固定偏置放大电路中，当温度升高时，UBE、ICBO 。 Ic 3b Iceo当温度升高时，IC将增加，使Q点沿负载线上移，容易使晶体管 T进入饱和区造成饱和失真，甚至引起过热烧坏三极管。2 .固定偏置电路的不足：它工作点Q点是不稳定的，为此需要改进偏置电路。3 .改进偏置电路的目的是：Ic增加时，能够自动减少Ib,从而抑制Q点的变化， 保持Q点基本稳定。二、分压式偏置电路I .满足条件 上 Ib ； VbUbe时得出以下结论：IIU CCI RRRB2 |IIVB U BE VBII I 2，VB I2RB2, VBU CC， I C I E Rb1 Rb2Rb1 Rb2ReReVB和IE或IC与晶体管的参数几乎无关，不受温度变化的影响，从而静态工作点 能得以基本稳定。2. 参数的选择：从 Q点稳定的角度来看似乎 12、VB越大越好。但12越大，RB1、 RB2必须取得较小，将增加损耗，降低输入电阻。而VB过高必使VE也增高，在UCC 一定时，势必使 UCE减小，从而减小放大电路输出电压的动态范围。3. Q点稳定的过程4. Re温度补偿电阻在电路中的作用对直流：Re越大,稳定Q点效果越好；对交流：RE越大,交流损失越大，为避免交流损失加分路电容CEo三、分压式偏置电路的分析1 .静态分析：VBUcc，IcIe，IB， UCE UCC ICR： IERERb1 Rb2RB2 .分压式偏置电路的动态分析(1)后旁路电容(2)没用旁路电容教学过程四、射极输出器1 .射极输出器的特点：(1)集电极是输入与输出回路的公共端，所以是共集电极放大电路。(2)因从发射极输出，所以称射极输出器。2 .静态分析(直流通路)IU CC U beIB _Rb (1)ReI E (1) I B U CE U CC I E RE3 .动态分析(1)电压放大倍数a(1)”L(1) RlAJIbbe (1 )IbQrbe (1)R电压放大倍数 Au=1且输入输出同相，输出电压跟随输入电压，故称电压跟随器。(2)输入电阻riRb / rbe (1)Rl式中RB的阻值很大，与其并联的电阻也比共发射极放大电路的输入电阻大的多。因此射极输出器的输入电阻很高，可达几十千欧到几百千欧。(3)输出电阻将信号源短路，保留其内阻FS, R与Rb并联后的等效电阻为 R。在输出端将 R取去，加一交流电压，求得输出电阻，其值比共射极放大电路中的输出电阻低很多。 rbe Rs rbe Rsro14 .射极输出器的应用：主要利用它具有输入电阻高和输出电阻低的特点。(1)因输入电阻高，它常被用在多级放大电路的A级，可以提高输入电阻，减轻 信号源负担。(2)因输出电阻低，它常被用在多级放大电路的末级，可以降低输出电阻，提高带 负载能力。利用ri大、ro小以及Au 1的特点，也可将射极输出器放在放大电路的两级之间，起到阻抗匹配作用，这一级射极输出器称为缓冲级或中间隔离级。五、多级放大电路1 .由于输入信号很微弱，常采用多级放大以便在输出端获得必要的电压和功率。2 .多级放大电路中常常会用射极输出器作为输入级和输出级。练习设计教学反思3.上教案授课时间2014年3月13日授课学时：2学时教学内容(章节)15.7差分放大电路5.8互补对称功率放大电路课型新授课教学目标了解差分放大电路和互补对称功率放大电路的原理和作用教学重、难点差分放大电路和互补对称功率放大电路的静态和动态分析教学方法及手段以讲授为主，并加以举例；课堂适当提问和习题练习教学准备网络听 课 学习教学方 法教学过程一、差分放大电路1 .直接耦合：将前级的输出端直接接到后级的输入端。2 .直接耦合存在的两个问题：(1)前后级静态工作点相互影响(2)零点漂移零点漂移：指输入信号电压为零时，输出电压发生缓慢地、无规则地变化的现象。产生的原因：晶体管参数随温度变化、电源电压波动、电路元件参数的变化。零点漂移的危害：直接影响对输入信号测量的准确程度和分辨能力。二、差分放大电路的工作原理1 .电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等。2 .零点漂移的抑制静态时，Ui1 = Ui2 = 0； Uo= VC1 VC2 = 0当温度升Wj时Ic Vc(两官变化量相等)Uo= (V C1 + V C1 ) 一(VC2 + VC2 ) = 0对称差分放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制作用。3 .信号输入(1)共模信号Ui1 = Ui2大小相等、极性相同两管集电极电位呈等量同向变化，所以输出电压为零，即对共模信号没有放大能力。差动电路抑制共模信号能力的大小，反映了它对零点漂移的抑制水平。(2)差模彳三号Ui1 = Ui2大小相等、极性相反两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化，Uo= (VC1- VC1 )(VC2 + Vci ) 2 VC1即对差模信号有放大能力。4 .典型差分放大电路中元件作用Re的作用：稳定静态工作点，限制每个管子的漂移。EE负电源：用于补偿 Re上的压降，以获得合适的工作点。Rp电位器：起调零作用。三、共模抑制比1 .作用：全面衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力。2 .表达式：Kcmr 2AL 或 Kcmr (dB) 20lg&(分贝)AcAc式Kcmr共模抑制比Ad为差模放大倍数 Ac为共模放大倍数教学过程3. Kcmr越大，说明差放分辨差模信号的能力越强，而抑制共模信号的能力越强。(1)若电路完全对称，理想情况下共模放大倍数Ac = 0理想输出电压 ：Uo = Ad (Ui1 Ui2 ) = Ad Uid(2)若电路不完全对称，则 Ac 0,实际输出电压 ：Uo = Ac Uic + Ad Uid(3)共模信号对输出有影响四、互补对称功率放大电路1 .功率放大电路的作用：是放大电路的输出级，去推动负载工作。例如使扬声器发 声、继电器动作、仪表指针偏转、电动机旋转等。2 .对功率放大电路的基本要求(1)在不失真的情况卜能输出尽可能大的功率。(2)由于功率较大，要求提局效率。负载得到的交流信号功率3 电源供给的直流功率五、互补对称放大电路4 . OTL (无输出变压器)电路(1)特点:、T2的特性一致；一个 NPN型、一个PNP型两管均接成射极输出器； 输出端有大电容；单电源供电。UCC(2)静态时(Ui= 0)Va Icc电容两端的电压UC UCC, IC1 0, IC2 02(3)动态时设输入端在Ucc/2直流基础上加入正弦信号。输入交流信号Ui的正半周T1导通、T2截止；同时给电容充电输入交流信号Ui的负半周T2导通、T1截止；电容放电，相当于电源(4)交越失真当输入信号Ui为正弦波时，输出信号在过零前后出现的失真称为交越失真。(5)克服交越失真的OTL互补对称放大电路两个晶体管Ti (NPN型)和T2(PNP型)的特性基本相同。静态时，词节R3，使A点的电位和输出电容 CL上的电压都等于1/2UccRi和Di、D2上的压降使两管获得合适的偏压，工作在甲乙类状态。5 . OCL (无输出电容)的互补对称放大电路(1)电路工作于甲乙类(2)输入交流信号Ui的正半周，T1导通，T2截止；有电流流过负载 RL。输入交流信号ui的负半周，T2导通，T1截止；RL上的电流反向。练习设计教学反思教案授课时间2014年3月17日授课学时：2学时教学内容(章节)15.9场效晶体管及其放大电路 15章习题课型新授课和习题教学目标了 解场效晶体管内部结构和放大机理教学重、难点场效晶体管的内部结构；与普通二极管的对比教学方法及手段以讲授为主，并加以举例；课堂适当提问和习题练习教学准备网络听 课 学习教学方 法教学过程一、场效晶体管及其放大电路1 .特点：场效应管则是电压控制兀件而普通晶体管是电流控制兀件。2 .场效应晶体管类型(1)结型场效应管(2)绝缘栅场效应管3 .绝缘栅场效应管的分类(1)增强型(2)耗尽型4 . N沟道增强型绝缘栅场效应管导电沟道的形成5 . N沟道增强型场效应管的特性曲线6 .耗尽型绝缘栅场效应管(1)耗尽型场效应管与增强型场效管区别：具有原始沟道存在。(2)若在场效应管加上栅源电压UGS ,则原始沟道的大小将受该电压的控制,之间的导电能力受栅源电压UGS控制。(3)耗尽型绝缘栅场效应管的特性曲线转移特性方程：即漏源I D I DSS(1I DU GS )2U GS(off)gm =U GS7.场效应管I (1)开启电压: (2)夹断电压: (3)饱和漏源目 (4)漏源击穿日 (5)栅源击穿日 (6)跨导：gn 使用绝缘栅场 特别要注意：U DS的主要参数：UGS(th)使场效应管由不导通变为导通的临界栅一源电压UGS(off)目流：IDSS口压：UDS(BR)口压：UGS(BR)/效应管时，要注意选择适当的参数，不要超极限使用。在保存及安装时，应使三个电极保持短路；焊接烙铁须接地良好。教学过程8.场效应管和双极型晶体管的比较载流子双极型晶体管：两种载流于同时参与导电 场效应管：只介-种载流于参与导电(2)控制方式双极型晶体管：电流控制场效应管：电压控制(3)四双极型晶体管：NPN型和PNP型场效应管：N沟道和P沟道(4)对应极双极型晶体管：基极；发射极；集电极场效应管：栅极；源极；漏极(5)制造工2双极型晶体管：较复杂场效应管：简单、成本低二、15章课后习题练习设计教学反思教案授课时间2014年3月20日授课学时：2学时教学内容(章节)第16章 集成运算放大器16.1集成运算放大器的简单介绍课型 新授课教学目标了解集成运算放大电器的特点、主要参数以及分析依据教学重、难点掌握集成运算放大器的分析依据教学方法及手段以讲授为主，并加以举例；课堂适当提问和习题练习教学准备网络听 课 学习教学方 法教学过程一、集成运算放大器1 . 了解集成运放的基本组成及主要参数的意义；2 .理解运算放大器的电压传输特性，理解理想运算放大器并掌握其基本分析方法；3 .理解用集成运放组成的比例、加减、微分和积分运算电路的工作原理，了解有源滤波器的工作原理；4 .理解电压比较器的工作原理和应用。二、集成运算放大器的简单介绍1 .集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最 早、应用最广泛的一种模拟集成电路。集成电路是把整个电路的各个元件以及相互 之间的联接同时制造在一块半导体芯片上 ,组成一个不可分的整体。2 .集成电路特点：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、价格低。3 .集成电路分类(1)按集成度：小、中、大和超大规模(2)按导电类型：双、单极性和两种兼容(3)按功能：数字和模拟三、集成运算放大器的特点1 .元器件参数的一致性和对称性好；2 .电阻的阻值受到限制，大电阻常用三极管恒流源代替，电位器需外接；3 .电容的容量受到限制，电感不能集成，故大电容、电感和变压器均需外接；4 .二极管多用三极管的发射结代替。四、集成电路的简单说明1 .输入级：输入电阻高，都采用带恒流源的差分放大器。2 .中间级：要求电压放大倍数高，常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。3 .输出级：要求输出电阻低，带负载能力强，常由互补对称电路或射极输出器构成。4 .偏置电路：由镜像恒流源等电路组成五、集成电路的主要参数1 .最大输出电压 Uopp能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。2 .开坏差模电压增益 Auo运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。教学过程3 .输入失调电压 Uio4 .输入失调电流 Iio5 .输入偏置电流 Iib6 .共模输入电压范围Uicm六、理想运算放大器及其分析依据1 .理想化的主要条件：(1)开环电压放大倍数：Auo r r .(2)开环输入电阻：id(3)开环输出电阻ro0(4)共模抑制比：KCMRR由于实际运算放大器的技术指标接近理想化条件，用理想运算放大器分析电路可使 问题大大简化，为此后面对运算放大器的分析都是按其理想化条件进行的。2.电压传输特性uo= f (u i)3 .理想运放工作在线性区的特点因为 Uo = Auo(u+ - u )(1)差模输入电压约等于。即u+= u 称 虚短”(2)输入电流约等于0即i+= i 0，称 虚断”(3)Auo越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。4 .理想运放工作在饱和区的特点(1)输出只用两种可能u+ u时，uo = + U o(sat)u+ u时，uo = Uo(sat)/、存在“虚短”现象(2) i+= i0,仍存在 虚断”现象练习设计教学反思