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第一章 晶体管及整流电路第一节半导体的主要特性一、 什么是半导体物质按导电能力的强弱分为1、 导体容易传导电流的物质为导体。 如铜、铝等金属2、 绝缘体能够可靠地隔绝电流的物质为绝缘体。如橡胶、塑料3、 半导体半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间，它的电阻率为m范围变化的物质,如硅、锗是常见的半导体材料。 二、 半导体的特性1、 掺杂性在纯净半导体中掺入极其微量的杂质元素，则它的导电能力将大大增强。如晶体二极管、晶体三极管、场效应管、晶闸管和集成电路。2、 热敏性温度升高将使半导体的导电能力大大增强。如热敏电阻3、 光敏性对半导体施加光线照射时，光照越强，导电能力越强。如光敏电阻、光电二极管、光电三极管等。三、 P型半导体和N型半导体1、 N型半导体在硅的本征半导体中，加入微量的五价元素。如磷2、 P型半导体在硅的本征半导体中，加入微量的三价元素。如铟第二节晶体二极管一、 二极管的结构与电路符号PN结晶体二极管基本构造如图所示。采用掺杂工艺，使硅或锗晶体的一边形成P型半导体区域，另一边形成N型半导体区域。在P型与N型半导体的交界面形成的薄层，称为PN结。从P区引出的电极为正极从N区引出的电极为负极二、 二极管的导电特性正向导通，反向截止三、 二极管的简易测量1、 判断二极管正、负极将万用表拨到电阻挡的R100或R1K，此时万用表的红表笔接的是表内电池的负极，黑表笔接的是表内电池的正极。因此当黑表笔接至二极管的正极、红表笔接至负极时负极时为正向连接。具体测量方法是：将万用表的红、黑表笔分别接二极管两端，如图a所示，若测得电阻比较小（几K以下），再将红、黑表笔对调后连接在二极管两端如图b所示而测得的电阻比较大（几百K），说明二极管具有单向导电性，质量良好。如果测得二极管的正、反向电阻都有很小，甚至为零，表示管子短路；如果测得二极管的正、反向电阻都很大，则表示管子内部已断路。 第三节 整流电路整流电路的功能是将交流电转换成脉动直流电。如图所示。利用二极管的单向导电特性可实现单相整流和三相整流。单相整流电路多用于小容量（200W以下）整流装置中，三相整流电路在大容量整流装置中较为常见。一、 单相半波整流电路 单相半波整流电路由整流二极管、电源变压器和用电负载构成，如图所示。通常将用电负载以电阻RL等效。1、 整流原理（1）当V2正半周时，设A端为正、B端为负，二极管V承受正向电压而导通，电流由于A端VRL B端自上而下流过RL，在RL上得到上正下负的电压VL。若忽略二极管的正向电压降，此期间负载上的电压VL= V2（2）当V2为负半周时，A端为负、B端为正，二极管承受反向电压而截止。若忽略二极管的反向漏电流，此期间无电流通过RL，此期间负载上的电压VL=0。由此可见，在输入电压V2变化的一个周期内，二极管就像一个自动开关，V2为正半周时，它自动把电源与负载接通；V2为负半周时，则自动将电源与负载切断。因此，负载RL上得到的是如图所示方向不变、大小变化的脉动直流电压VL。这种电路中，在输入电压为单相正弦波时，负载RL上得到的只有正弦波的半个波，故称为单相半波整流电路。2、负载上的直流电压和电流(1)负载上的直流电压VL负载上电压大小虽然是变化的，但可以用其平均值来表示其大小，如图所示。负载RL上的半波脉动直流电压平均值可用直流电压表直接测得，也可按下述方法计算得到：VL=0.45V2V2为变压器次级电压有效值.(2)负载上的直流电流IL 可根据欧姆定律求出,即 二、单相桥式整流电路1、电路结构单相桥式整流电路由电源变压器Tr，四只整流二极管D1D4和负载组成。如图所示2、整流原理U2为正半周时，变压器次级线圈的电压极性为A正B负，二极管D1和D3正偏导通，负载RL上获得单向脉动电流。此时D2 D4受反向电压而截止。如图所示单向脉动电流流向为：A端D1RLD3B端，负载上电流方向从上到下，其电压极性为上正下负。U2为负半周时，变压器次级线圈的电压极性为A负B正，二极管D2和D4正偏导通，负载RL上获得单向脉动电流。此时D1 D3受反向电压而截止。如图所示B端D2RLD4A端，负载上电流方向从上到下，其电压极性为上正下负。这种整流电路属于全波整流类型。3、负载电压和电流第四节 滤波电路整流电路输出的是脉动直流电，含有很大的交流成分，因而不能直接作为电子设备的直流电源来使用。为此将脉动直流电中的交流成分滤除掉，这一过程称为滤波。滤波电路又简称为滤波器。一、 电容滤波器电容滤波器是在负载的两端并联一个电容构成的。如图所示 1、工作原理（1）在输入电压上升超过电容端电压时，整流二极管D正向导通，向电容C迅速充电（同时向负载供电），电容C两端电压UC与V2同步上升，并达到V2的峰值。（2）在输入电压下降到低于电容两端电压时，整流二极管D反向截止。于是电容要通过RL放电，维持了负载RL的电流。由于RL的阻值远大于二极管的正向内阻，所以放电很慢，电容C两端电压UC下降缓慢。输入电压是周期性直流脉动电压，充电放电的过程周而复始，使得滤波电压波形如图所示，由于滤波电容的充放电作用，使得半波整流电路输出电压UL脉动程度大为减弱，波形相对平滑，达到了滤波的目的。3、电容滤波器的特点（1） 在电容滤波电路中，C的电容或RL的阻值越大，电容C放电越慢，输出的直流电压就越大，滤波效果也就越好。反之，C的容量或RL的阻值就越小，输出电压低且滤波效果差。（2） 在采用大容量的滤波电容时，接通电源的瞬间充电电流特别大。电容滤波只适用于负载电流较小的场合。例：在桥式整流电容滤波电路中，负载电阻为180，输出直流电压为18V，试确定电源变压器次级电压，并选择整流二极管和滤波电容。解：桥式整流电容滤波电路的输出直流电压约为1.2V2，所以电源变压器次级电压为：二极管承受的最大反向电压为：流过二极管的电流为：根据以上计算，查晶体管手册，可选用额定电流为100mA，最大反向电压为50V的二极管2CP11。二、电感滤波器1、电路构成电感滤波电路中电感L与负载RL串联，如图（a）所示，它是利用通过电感的电流不能突变的特性来实现滤波。2、 滤波原理从能量的观点来看，电感是一个储能元件，当电流增加时，电感线圈产生自感电动势阻止电流的增加，同时将一部分电能转化为磁场能量；当电流减小时，电感线圈便释放能量，阻止电流减小。因此通过负载RL的电流的脉动成分受到抑制而变得平滑，其波形如图（b）所示。一般情况下，电感值L愈大，滤波效果愈好。但电感的体积变大，成本上升，且输出电压会下降，所以滤波电感常取几亨到几十亨。3、 电感滤波器的特点电感滤波器主要用于电容滤波器难以胜任的大电流负载或负载经常变化的场合，但由于电感体积大，笨重、成本高，在小功率的电子设备中很少使用。三、复式滤波器复式滤波器是由电感和电容组合起来的多节滤波器，它们的滤波效果要比单电容或单电滤波好。常见的有L型和型两类复式滤波器。1、 L型滤波器为了减少输出电压的脉动程度，在滤波电容C之前串接一个铁心电感L，这样就组成了如图（a）的L型滤波器。脉动直流电压经过电感时，交流成分大部分都降落在电感线圈L上，再经电容C滤波，把交流成分进一步滤除，就可在负载上得到更加平滑的直流电压。L型滤波器的带负载能力较强，在负载变化时，输出电压比较稳定。同时由于滤波电容C接在电感L的后面，因此对整流二极管不产生浪涌电流冲击。2、 LC型滤波器为了进一步提高滤波效果，可以在L型滤波器的输入端再并一个电容，这就形成了LC型滤波器如图（b）所示。LC型滤波器能使输出直流电的纹波更小。因为脉动直流电先经电容C1滤波，然后再经L和C2的滤波，使交流成分大大降低，在负载RL上得到平滑的直流电压。LC型滤波器的滤波效果好，但带负载能力较差，对整流二极管存在着浪涌电流冲击。适用于要求输出电压脉动小，负载电流不大的场合。3、 RC型滤波器在电流小、滤波要求不高的情况下，常用电阻R代替型滤波器的电感L，构成RC型滤波器如图（c）所示。RC型滤波器成本低、体积小，滤波效果较好。但由于R的存在，会使输出电压降低。该滤波电路一般适用于输出小电流的场合。第二章晶体三极管及基本放大电路第一节 晶体三极管一、结构与分类1、 外形如图所示：2、 结构三极管的核心是两个互相联系的PN结，按两个PN结的组合方式不同可分为NPN和PNP，它们的结构及电路符号如图所示，文字符号“V”。三极管内部结构分为发射区、基区和集电区，引出电极分别为发射极e，基极b和集电极c。发射区与基区之间的PN结称为发射结，集电区与基区之间的PN结称为集电结。3、 分类三极管的种类很多，通常按以下方法进行分类：（1） 按管芯半导体材料不同，可分为硅管和锗管。（2） 按内部基本结构不同，可分为NPN和PNP型两类。（3） 按工作频率不同，可分为高频管（工作频率3MHz）和低频管（工作频率在3MHz以下）。（4） 按功率不同可分为，小功率管（耗散功率1W）和大功率管（耗散功率1W）。（5） 按用途不同，分为普通放大三极管和开关三极管二、三极管的电流放大作用1、三极管的工作电压要使三极管能够正常放大信号，必须给管子的发射结加正向电压，集电结加反向电压。NPN型三极管工作时电源接线如图所示电源VCC通过偏置电阻Rb 为发射结提供正向偏压，RC为负载电阻，为管子的集电极提供电压。要求RC阻值小于Rb阻值，因此集电极电压高于基极电压，即集电结处于反向偏置。对于PNP管，同样要求发射结加正向偏压，集电结加反向偏压，但因它的半导体电极性不同，所以PNP管接电源时极性与NPN管相反。如图所示：2、三极管的电流放大作用 （1）三极管各电流分配关系满足即发射极电流等于集电极电流与基电流之和。由于基极IB电流很小，因而（2）三极管直流电流放大系数三极管交流放大系数三、三极管的特性曲线三极管的特性曲线是描述各电极电流和极间电压关系的曲线，通常有输入特性曲线和输出特性曲线两组。一般共发射极特性曲线最常用。1、输入特性曲线它是反映三极管输入回路电压和电流关系的特性曲线，是表示输出电压UCE为定值时，IB与UBE对应关系的曲线，如图所示当输入电压UBE较小时，基极电流IB很小，通常近似为零。当UBE大于死区电压UT（硅管约为0.5V，锗管约为0.2V）后，IB开始上升。三极管正常导通时，硅管UBE约为0.7V，锗管约为0.3V,此时的UBE值称为三极管工作时的发射结正向压降。2、输出特性曲线它是反映三极管输出回路电压与电流关系曲线，是指基极电流IB为某一定值时，集电极电流IC与集电极电压UCE之间的关系。输出特性曲线可分为截止区、放大区和饱和区三个区域，如图所示。（1）截止区 习惯把IB=0曲线以下的区域称为截止区，三极管处于截止状态，相当于三极管内部各极开路。IB=0时，有很小的电流IC即为穿透电流ICEO， 一般可忽略不计，认为截止时IC0。在截止区，三极管发射结反偏或零偏，集电结反偏。（2）放大区 它是三极管发射结正偏、集电结反偏时的工作区域。最主要特点是IC受IB控制，具有电流放大作用。另一特点是具有恒流特性，即IB一定时，IC不随UCE而变化，即IC保持恒定。（3）饱和区 当UCE减小到UCEUBE，三极管的发射结和集电结都处于正偏，此时IC已不再受IB控制如图（输出特性曲线图）中UCE较小的区域即为饱和区，三极管饱和时的UCE值称为饱和压降，记作UCES，小功率硅管的UCES约为0.3V，锗管约为0.1V,此时管子的集电极-发射极间呈现低电阻,相当于开关闭合。从上述分析可以看出，三极管工作在饱和与截止区时，具有“开关”特性，可应用于数字电路中；三极管工作在放大区时可以应用在模拟电路中起放大作用，所以三极管具有“开关”和“放大”两大功能。第二节 三极管的基本放大电路一、基本放大电路的组成1、电路形式共射极基本放大电路原理电路图：各元件作用（1）V：晶体三极管，起电流放大作用。（2）VCC：直流供电电源，为电路提供工作电压和电流。（3）RB：基极偏置电阻，电源通过RB向基极提供合适的偏置电流IB。（4）C1：输入耦合电容，耦合输入交流信号Ui，并起隔离直流电作用。（5）C2：输出耦合电容，耦合输出交流信号UO，并起隔离直流的作用。（6）RC：集电极负载电阻，电源VCC通过RC为集电极供电，另一个作用是将放大的电流iC转换为放大的电压输出。2、放大电路的电压、电流符号规定（1）直流分量用大写字母和大写下标表示。如IB、IC、IE。（2）交流分量用小写字母和小写下标表示。如ib，ic、ie。（3）交直流叠加瞬时值用小写字母和大写下标表示，如iB、iC、iE二、放大器的静态工作点放大器的工作状态分静态和动态两种。静态是指无交流信号输，电路中的电压、电流都不变的状态。动态是指放大电路有交流信号输入，电路中的电压、电流随输入信号作相应变化的状态。静态工作点Q是指放大电路在静态时，三极管各极电压和电流值（主要指IB、 IC、VCE）。第三节放大电路的分析方法放大电路是模式拟电子技术中最基本、最核心的部分一、主要性能指标衡量放大器性能的几个主要参数和指标如下：1、放大倍数放大倍数是描述放大器放大能力的一项技术指标，它是在输出波形不失真情况下输出端电量与输入端电量的比值。（1）电压放大倍数Av 是指放大器输出电压有效值AO 与输入电压有效值Ai的比值，定义式为电压放大倍数在工程中常用对数形式来表示,称为电压增益,用字母Gv表示,单位为分贝(dB),定义式为(2)电流放大倍数Ai是指放大器的输出电流有效值Io与输入电流有效值Ii的比值,定义式为:电流放大倍数以对数形式表示称为电流增益,用字母Gi表示,定义式为:(3)功率放大倍数AP 是放大器输出功率Po与输入功率 Pi的比值,定义式为:功率增益定义为例:某放大器,输入正弦信号电压为15mV,输出信号电压为1.5V,试计算该放大器的电压放大倍数,并转换为电压增益。解：（1）电压放大倍数倍（2）电压增益2、输入电阻和输出电阻（1）输入电阻ri放大器的输入端可以用一个等效交流电阻ri来表示，它反映了放大器对信号源所产生的负载效应，ri定义式为(2)输出电阻ro 是从放大器输出端向放大器看进去的等效交流电阻,注意不应包括外接负载电阻RL, ro定义式为:输出电阻ro越小,放大器负载变化时,输出电压越稳定;如果要求负载变化对输出电流的影响小,则输出电阻需尽可能大。二、估算分析法所谓估算法就是利用电路已知参数，通过数学方程式近似计算来分析放大电路。分析小信号放大电路采用估算法较为简便，常用来估算放大器的静态工作点和放大倍数、输入电阻、输出电阻等。下面以图（a）电路为例介绍估算法的分析方法与步骤。1、估算静态工作点（1）画出直流通路 直流通路是指静态时，放大电路直流电流通过的路径，估算法是根据直流通路列出计算方程。由于电容对直流电相当于开路，因此画直流通路时把电容支路断开即可如图（b）所示（2）根据图（b）的直流通路得出以下计算公式硅管的VBEQ约为0.7V锗管约为0.3V，当VCCVBEQ时，则可将VBEQ略去来估算IBQ即根据三极管的电流放大特性可得由图（b）的直流通路可得出以下公式2、估算交流参数（1）画出交流通路 交流通路是指输入交流信号时，放大电路交流信号流通的路径。由于容抗小的电容以及内阻小的直流电源可看做交流短路，因此画交流通路只需把容量较的电容及直流电源简化为一条短路线，如图（C）。估算放大器的交流电量时需借助交流通路。（2）三极管输入电阻rbe的估算 三极管的b极与e极之间存在一个等效电阻，称为三极管的输入电阻rbe。对于小功率三极管在共发射极接法时，常用下式近似估算（3）放大器输入电阻ri的估算 从交流通路图（C）可以看出放大器的输入电阻应为rbe与Rb的并联，即一般Rbrbe，上式可近似为（4）估算放大器输出电阻ro将图（C）交流通路的外接负载RL断开，从放大器的输出端看进去的等效电阻为RC 与三极管输出电阻rce 并联，即因rceRc，所以 （5）电压放大倍数的估算 从图（C）的交流通路来看，输入信号电压Vi为 输出信号电压Vo为 式中， ，称为交流等效负载电阻，当放大器未接RL时，。由此可推出电压放大倍数的计算公式为 式中的负号是表示VO与Vi相位相反。例 求图（C）所示放大电路的静态工作点（IBQ、ICQ 、VCEQ）及交流参数（ri、ro 、Av）。解：（1）求静态工作点（2）求交流参数机电一体化电 子 技 术 基 础 （注：素材和资料部分来自网络，供参考。请预览后才下载，期待你的好评与关注！）