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第5章 半導體器件及應(yīng)用,5.1 半導體基礎(chǔ)知識,5.2 二極管,5.3 三極管,5.4 三極管基本放大電路,5.5 其他半導體器件,5.6 集成運算放大器,第5章 半導體器件及應(yīng)用,理解半導體的導電特性，PN結(jié)的概念及特性； 掌握二極管的單向?qū)щ娦浴z測方法及在汽車電子電路中的典型應(yīng)用； 掌握三極管的伏安特性及管腳的識別，了解其構(gòu)成的各類放大電路的特點及在汽車中的應(yīng)用； 了解其他特種半導體器件的特點及在汽車中的應(yīng)用。 掌握集成運放電路的分析方法，了解其在汽車中應(yīng)用。,本章要求:,5.1 半導體基礎(chǔ)知識,5.1.1 半導體,半導體：介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)。如硅、鍺、硒等,摻雜性：往純凈的半導體中摻入某些雜質(zhì)，導電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導體器件，如二極管、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、光敏二極管、光敏三極管等)。,熱敏性：當環(huán)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,完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導體，稱為本征半導體。,本征硅的晶體結(jié)構(gòu)圖,共價健,本征硅的結(jié)構(gòu)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,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后，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(xiàn)象稱為本征激發(fā)。,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(xiàn)一個空穴。如此繼續(xù)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(xiàn)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(qū)別于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，通常將其制成雜質(zhì)半導體。,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,2. 雜質(zhì)半導體,在本征半導體中摻入微量的有用雜質(zhì)形成的半導體。,（1）P型半導體,摻入三價元素,空穴,硼原子,接受一個電子變?yōu)樨撾x子,空穴是多數(shù)載流子， 自由電子是少數(shù)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,多余電子,磷原子,在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮?失去一個電子變?yōu)檎x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(shù)載流子， 空穴是少數(shù)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(shù)載流子都是摻入雜質(zhì)造成的，盡管雜質(zhì)含量微乎其微，卻能使其導電性能大大改善。而它們的少數(shù)載流子，都是由于熱激發(fā)產(chǎn)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。,由于雜質(zhì)半導體具有良好的導電性，在實際中常用來生成PN結(jié)。 PN結(jié)具有單一型半導體（P型或N型）所不具備的新特性，利用此特性制造出了各種半導體器件，推動了電子技術(shù)的發(fā)展。,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,5.1.2 PN結(jié),P 型半導體,N 型半導體,空穴,自由電子,負離子,正離子,自由電子,空穴,在雜質(zhì)半導體P和N的結(jié)合面附近存在著的特殊薄層稱為PN結(jié)。,在PN結(jié)中空穴和自由電子都基本上耗盡了，故PN結(jié)又稱為耗盡層，耗盡層中有一個內(nèi)電場，方向如上圖所示。,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,1.PN結(jié)加正向電壓（正向偏置）,PN 結(jié)變窄,P接正、N接負,IF,PN 結(jié)處于導通狀態(tài),內(nèi)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(jié)加反向電壓（反向偏置）,P接負、N接正,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,PN 結(jié)變寬,2. PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）,內(nèi)電場被加強，少子的漂移加強，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。,IR,P接負、N接正,PN 結(jié)處于截止狀態(tài)。,PN結(jié)正向?qū)ā⒎聪蚪刂沟奶匦苑Q為其單向?qū)щ娦?總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,3. PN結(jié)的結(jié)電容,PN結(jié)的結(jié)構(gòu)類似平板電容器,相當于 導體,相當于 導體,相當于 介質(zhì),相當于 介質(zhì),結(jié)電容數(shù)值很小，在低頻電路中，相當于開路，不用考慮 其影響，但在高頻電路中，容抗很小，對PN結(jié)的電流有影響，必須加以考慮。,5.2 二極管,5.2.1 結(jié)構(gòu)和分類,分類,結(jié)構(gòu),（1）點接觸型、面接觸型、平面型,（2）硅管和鍺管,（3）普通管和特殊管,下頁,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,二極管的結(jié)構(gòu)示意圖,用于集成電路制作工藝中。PN結(jié)結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,硅Uth =0.5V,鍺Uth =0.1V。,反向擊穿 電壓U(BR),管壓降,外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導通。,外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦浴?正向特性,反向特性,特點：非線性,死區(qū)電壓,硅0.60.8V鍺0.20.3V,5.2.2 二極管的伏安特性,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,1. 最大整流電流 IFM,二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。,2. 最高反向工作電壓URM,3. 最大反向電流IRM,保證二極管不被擊穿而制定的最高反向電壓，一般是二極管反向擊穿電壓UBR的一半或三分之二。二極管擊穿后單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。,指二極管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?qū)щ娦阅茉胶?。其值隨著溫度的上升而顯著增加，因此溫度會影響二極管的性能。,4. 最高工作頻率fM,5.2.3 主要參數(shù),總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,是指保證二極管具有單向?qū)щ娮饔玫淖罡吖ぷ黝l率。當工作頻率過高時，二極管的單向?qū)щ娦阅芫蜁儾?，甚至失去單向?qū)щ娦?。點接觸型鍺管其最高工作頻率可達幾百兆赫，而面接觸型硅整流管，其最高工作頻率只有三千赫。,1. 二極管極性的識別,（1）一般情況下，可通過管殼上的標記確定。有色環(huán)的二極管，色環(huán)所在的一端為負極；帶色點的二極管，色點所在的一端為正極。,（2）無標記的二極管，可通過萬用表來判斷正負極。,正負極的確定是利用了二極管正向電阻小、反向電阻大的特點。將萬用表撥到R1k檔，用表筆分別接觸二極管的兩極，測出兩個電阻值。在所測得阻值較小的一次，與,5.2.4 二極管的檢測,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(shù)字萬用表。如果用數(shù)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管負極。同理，在所測得電阻值較大的一次，與黑表筆相接的是二極管正極。,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,利用萬用表還可以判斷二極管的好壞。如果測得的正、反向電阻值均很小，說明二極管內(nèi)部短路；若正、反向電阻值均很大，說明二極管內(nèi)部開路，這兩種情況下，二極管就不能使用了。,2. 二極管好壞的識別,以上是普通二極管的檢測方法，汽車交流發(fā)電機上的整流二極管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(fā)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 二極管在汽車電子電路中的應(yīng)用,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,設(shè)三相繞組輸出的電壓為三相對稱電壓，波形如圖所示。,為便于分析，現(xiàn)將一個周期等分成6個小區(qū)間加以說明。,在t1t2內(nèi)，VD1、VD5導通，U1V1間電壓加到負載上。,在t2t3內(nèi)，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t4t5內(nèi)，VD2、VD4導通，V1U1間電壓加到負載上。,在t3t4內(nèi)，VD2、VD6導通，V1W1間電壓加到負載上。,按照正極管VD1VD2VD3、負極管VD5VD6VD4的順序輪流導通，在負載端便得到一個較平穩(wěn)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(chǎn)生的感應(yīng)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的電壓沖擊，保證了它們的安全。,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,1. 穩(wěn)壓管,符號,伏安特性,穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓,使用時要加限流電阻,穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用該特性，穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。,UZ,IZ,IZM, UZ, IZ,（1）穩(wěn)壓管的特性,5.2.6 特殊二極管及在汽車電子電路中的應(yīng)用,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,穩(wěn)定電壓UZ 穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時管子兩端的電壓。,穩(wěn)定電流IZ 、最大穩(wěn)定電流 IZM 穩(wěn)定電流是指穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓所對應(yīng)的電流值 最大穩(wěn)定電流是指穩(wěn)壓管反向擊穿后允許流過的最大電流值。使用時要加限流電阻。,動態(tài)電阻,rZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。,（2）主要參數(shù),總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,穩(wěn)壓電路,汽車儀表電路的穩(wěn)壓電路,由穩(wěn)壓管和限流電阻串聯(lián)組成。其中穩(wěn)壓管與負載電路并聯(lián)，以便發(fā)揮穩(wěn)壓作用。,穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓原理是：當蓄電池電壓上升時，穩(wěn)壓管的反向電壓略有增大，根據(jù)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，使儀表上的電壓基本不變。相反，當蓄電池電壓減小時，限流電阻上的電壓減小，保證了儀表上的電壓基本不變。,（3）穩(wěn)壓管在汽車電子電路中的應(yīng)用,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,限幅電路,在圖中，穩(wěn)壓管VZ2為限幅二極管，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(guān)S接通時，在電壓調(diào)節(jié)器兩端會產(chǎn)生瞬間高壓，穩(wěn)壓管反向擊穿導通，將電壓限制在一定范圍內(nèi)，避免了瞬間高壓損壞電壓調(diào)節(jié)器。,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,2. 發(fā)光二極管,發(fā)光二極管的外形和符號,有正向電流流過時，發(fā)出一定波長范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似，但正向電壓較一般二極管高為1.53V，電流較小為幾 十幾mA,發(fā)光二極管具有體積小、反應(yīng)快、光度強、壽命長等優(yōu)點，在汽車電路中得到廣泛應(yīng)用。如安裝在汽車組合儀表盤上各種指示燈、報警燈都是發(fā)光二極管組成的。,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,液位傳感器,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(fā)光。當液位低于規(guī)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(fā)光報警。,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,3. 光電二極管,利用這一特性可以將許多光電二極管組成光電板，作為電源使用，稱為太陽能電池。另外，光電二極管在汽車上作為光信號檢測元件得到了廣泛的應(yīng)用。,反向電流的數(shù)值隨著光照的增強而上升。無光照時，反向電流很??；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(diào)用日照強度傳感器等效電路,日照強度傳感器在空調(diào)自動控制系統(tǒng)中是一個日照強度檢測元件，它通過光電二極管檢測日光照射量的變化，并把這種變化轉(zhuǎn)換成電流值輸出。車內(nèi)空調(diào)計算機對這種變化進行檢測，并根據(jù)電流的變化情況控制執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)排風口的風量和溫度，達到調(diào)節(jié)車內(nèi)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(fā)生器原理圖,主要由發(fā)光二極管、光電二極管和遮光轉(zhuǎn)子組成。發(fā)光二極管通入電流后產(chǎn)生光源，光電二極管受光后產(chǎn)生電壓，遮光轉(zhuǎn)子有與氣缸數(shù)相對應(yīng)的缺口，光源照射到光電二極管的光線受轉(zhuǎn)動的遮光轉(zhuǎn)子控制。,當遮光轉(zhuǎn)子隨分電器軸轉(zhuǎn)動時，遮光轉(zhuǎn)子缺口周期性地通過光線，使光電二極管周期性受光，光電二極管便產(chǎn)生了與曲軸位置相對應(yīng)的電壓脈沖，即點火觸發(fā)信號。,5.3 三極管,5.3.1 結(jié)構(gòu)與符號,基極,發(fā)射極,集電極,NPN型,符號：,NPN型,PNP型,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,基區(qū)：最薄， 摻雜濃度最低,發(fā)射區(qū)：摻 雜濃度最高,發(fā)射結(jié),集電結(jié),結(jié)構(gòu)特點：,集電區(qū)： 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,發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)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,結(jié)論:,1）電流關(guān)系 IE = IB + IC 2） 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(zhì):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(guān)系及電流放大作用,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(guān)系曲線，反映了晶體管的性能，是分析放大電路的依據(jù)。,重點討論應(yīng)用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線,測量三極管特性的實驗線路,輸入回路,輸出回路,共發(fā)射極電路,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,死區(qū)電壓,正常工作時發(fā)射結(jié)電壓： 硅管 UBE 0.60.7V 鍺管 UBE 0.2 0.3V,硅Uth =0.5V,鍺Uth =0.1V。,1.輸入特性,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,放大區(qū),(1) 放大區(qū),在放大區(qū)有 IC= IB ，也稱為線性區(qū)。,在放大區(qū)，發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，三極管工作于放大狀態(tài)。,輸出特性曲線通常分三個工作區(qū)：,在放大區(qū)有恒流特性。,2.輸出特性,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,（2）截止區(qū),在截止區(qū)有 IB =0， IC = IE 0 。,在截止區(qū)發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均反偏，三級管工作于截止狀態(tài)。,飽和區(qū),截止區(qū),（3）飽和區(qū),在飽和區(qū)，發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均正偏，三級管工作于飽和狀態(tài)。 深度飽和時， 硅管UCES 0.3V， 鍺管UCES 0.1V。,UCE= UBE,在飽和區(qū)，IC IB,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,例: 試根據(jù)圖示中管子的對地電位，判斷各管是硅管還是鍺管？處于何種狀態(tài)？,方法 (1) 硅管、鍺管的判斷,硅管：,鍺管：,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,(2) 判斷狀態(tài),根據(jù)不同狀態(tài)下的偏置條件進行,(a) 硅管，放大。,解：,(b) 硅管，飽和。,(c) 鍺管，截止。,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,直流電流放大系數(shù),交流電流放大系數(shù),當晶體管接成發(fā)射極電路時，,表示晶體管特性的數(shù)據(jù)稱為晶體管的參數(shù)，晶體管的參數(shù)也是設(shè)計電路、選用晶體管的依據(jù)。,注意：,和 的含義不同，但在特性曲線近于平行等距并且ICEO 較小的情況下，兩者數(shù)值接近。,常用晶體管的 值在20 200之間。,5.3.4 三極管的特性曲線,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,例：在UCE= 6 V時， 在 Q1 點IB=40A, IC=1.5mA； 在 Q2 點IB=60 A, IC=2.3mA。,在 Q1 點，有,由 Q1 和Q2點，得,Q1,Q2,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(shù)載流子的漂移運動所形成的電流，受溫度的影響大。 溫度ICBO,3.集-射極反向截止電流(穿透電流)ICEO,ICEO受溫度的影響大。 溫度ICEO，所以IC也相應(yīng)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 ICM,5. 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(shù)值時，三極管就會被擊穿。手冊上給出的數(shù)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取決于三極管允許的溫升，消耗功率過大，溫升過高會燒壞三極管。 PC PCM =IC UCE,硅管允許結(jié)溫約為150C，鍺管約為7090C。,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,ICUCE=PCM,安全工作區(qū),由三個極限參數(shù)可畫出三極管的安全工作區(qū),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(yōu)先采用目測法，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(jù)三極管型號的命名方法確定。,見下頁表,注意：國內(nèi)常見的三級管還有一些以數(shù)字命名的，如90119018。,9011、9013、9014、9016、9018 為NPN硅管,9012、9015 為PNP硅管,1.目測法,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,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(PCM1W)管： 金屬圓殼封裝：管腳向上，它們組成半圓位于上部，按順時針方向依次為ebc。,塑料半圓柱封裝：頭在上，平面向自己，左起ebc。,大功率(PCM1W)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R100或R1k，將兩表筆短接調(diào)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?。s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(fā)射極,對NPN管，基極確定后，假定其余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(fā)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(shù)；再將表筆對調(diào)，記下電阻讀數(shù)。比較兩次讀數(shù)，阻值較小時黑表筆所接的電極是集電極，余下的電極為發(fā)射極。,對PNP管，方法同NPN管，只需將表筆對調(diào)即可即紅表筆接的是集電極，而黑表筆接的是發(fā)射極。,注意：數(shù)字式萬用表的正極與表內(nèi)電源正極相連，負極與表內(nèi)電源負極相連；而指針式萬用表的正極是與表內(nèi)電源負極相連的，負極是與表內(nèi)電源正極相連的。因此，當用數(shù)字式萬用表檢測晶體管時，判定結(jié)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(shù)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(zhuǎn)換開關(guān)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(shù)，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(xiàn)將微弱電信號放大的功能，以驅(qū)動大功率的負載工作，如使揚聲器發(fā)聲、電動機旋轉(zhuǎn)、使繼電器動作、使儀表偏轉(zhuǎn)等。,放大電路在生產(chǎn)實踐與科學研究中的應(yīng)用十分廣泛，已經(jīng)成為電子電路中常見的基本單元。隨著電子技術(shù)的發(fā)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(yīng)用中已不多見。雖然如此，但分立元件放大電路是所有模擬集成電路的基本單元。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(jié)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(yīng)用，為后續(xù)章節(jié)打好基礎(chǔ)。,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(fā)射極、共集電極和共基極三種接法，即三種組態(tài)。,相應(yīng)地放大電路有三種：共發(fā)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(fā)射極基本放大電路,基極電源UBB與基極電阻RB使發(fā)射結(jié)處于正向偏置，并提供大小適當?shù)幕鶚O電流IB。,集電極電源UCC -為電路提供能量，并保證集電結(jié)反偏。,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,1.組成,共發(fā)射極基本放大電路,集電極電阻RC-將變化的電流轉(zhuǎn)變?yōu)樽兓碾妷骸?耦合電容C1 、C2 -隔離輸入、輸出與放大電路直流的聯(lián)系，同時使信號順利輸入、輸出，即隔直通交。,組成原則：電源的接法必須使三極管工作在放大狀態(tài)。 輸入信號ui應(yīng)能加到三極管的輸入極上，經(jīng)過放大后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,共發(fā)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(guī)定,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,uo = 0,2.工作原理,無輸入信號(ui = 0)時:,輸入端相當于短路，由于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,直流(IB、UBE) 和(IC、UCE)分別對應(yīng)于輸入、輸出特性曲線上的一個點Q，稱為靜態(tài)工作點。靜態(tài)工作點對應(yīng)的各直流電流和電壓也稱為靜態(tài)值。,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,2.工作原理,UBE,uCE = UCC iC RC,有輸入信號(ui 0)時:,三極管各極電流和電壓的大小均發(fā)生變化，都在直流量的基礎(chǔ)上疊加了一個交流量。,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,UBE,若參數(shù)選取得當，輸出電壓將比輸入電壓幅度大，電路實現(xiàn)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(fā)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(shù)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(shù),電壓放大倍數(shù)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(shù)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(shù)Au可寫成交流瞬時值或有效值之比。,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(shù)Ai也可寫成交流瞬時值或有效值之比。,功率放大倍數(shù)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里看，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，也可寫成交流瞬時值或有效值之比。,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里看，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(jù)圖可得：,輸出電阻是描述放大電路帶負載能力的一項技術(shù)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、失真系數(shù)、通頻帶、溫度漂移、抗干擾能力等等， 后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(chǎn)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(jié)構(gòu)。,1共射放大電路,（1）結(jié)構(gòu)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,信號的輸入和輸出回路都以發(fā)射極為公共端 ，故稱為共發(fā)射極電路。,電路的信號由基極輸入，由集電極取出。,短路,短路,對地短路,交流通路,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,有較高的電壓放大倍數(shù),（2）性能特點,輸入電阻較低而輸出電阻較高,一般用于電壓放大級,2共集電極放大電路,（1）結(jié)構(gòu)特點,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。,因輸出信號由發(fā)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,由交流通路可知， ，電壓跟隨性好。,輸入電阻高、輸出電阻低，對信號源的影響小且?guī)ж撦d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(jié)構(gòu)特點,電路對稱,雙端輸入方式,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。,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(shù),；,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,對差模信號有很好的放大作用，差模放大倍數(shù),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(shù)；而共模信號則是由于溫度變化或干擾產(chǎn)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(qū)動負載工作，如使揚聲器發(fā)聲，電動機旋轉(zhuǎn)，繼電器動作，儀表指針偏轉(zhuǎn)等，所以在多級放大電路中常作為末級或末前極使用。,（1）結(jié)構(gòu)特點,電路對稱,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, 無信號輸入時IB=0，IC0，管子本身的損耗很小，所以電路的效率高。,有信號輸入時，管子往往在接近極限狀態(tài)下工作，輸出功率大 。,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，由于顛簸、振動等原因，電氣線路與車體發(fā)生摩擦而造成絕緣層損壞，出現(xiàn)接地（短路）故障，這就需要及時地發(fā)現(xiàn)并發(fā)出聲光報警信號，以提醒駕駛?cè)藛T注意，避免發(fā)生更大的事故。下圖就是一種為適應(yīng)接地故障的快速檢測而制作的故障探測電路，它由傳感器、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(yīng)用,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,探測器工作原理：當導線接地后，在接地點就會產(chǎn)生短路電流，短路點就會向周圍發(fā)出高頻電磁信號。這個信號就被由線圈和鐵心構(gòu)成的傳感器接收到，并轉(zhuǎn)換成交流電信號輸出。這個交流信號很微弱，經(jīng)過三極管VT1放大后，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(fā)光二極管閃爍發(fā)光，接在發(fā)射極的蜂鳴器發(fā)出聲響。傳感器越接近故障點，接收到的信號越強，發(fā)光二極管越亮，蜂鳴器發(fā)出的聲響越強。根據(jù)發(fā)光二極管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(jié)構(gòu)特點：也有兩個PN結(jié)，但集電結(jié)采用光電二極管結(jié)構(gòu)，由光電二極管提供基極電流，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(yīng)用于傳感器中，實現(xiàn)空氣流量檢測、轉(zhuǎn)向角度檢測、車速測量、位置測量等功能。,光電效應(yīng)：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,E: 光照強度,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,2. 光電式傳感器,（1）空氣流量傳感器,空氣流量傳感器又稱空氣流量計，是用來檢測發(fā)動機進氣量大小的傳感器，其作用是將進氣量信息轉(zhuǎn)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(fā)動機的噴油時間和點火時間。,空氣流量計的種類很多，有歧管壓力傳感器，翼片式、量芯式、渦旋式、熱線式與熱模式空氣流量計等，這里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(jù)卡門渦旋理論測量空氣流量的一種傳感器。在進氣道的中央設(shè)置一錐形渦旋發(fā)生器，當空氣通過時，在渦旋發(fā)生器的后面就會產(chǎn)生一系列十分規(guī)則的空氣旋渦，稱為卡門渦旋。 理論與實踐證明，渦旋發(fā)生器后方某一點的卡門渦旋頻率f與空氣流速v成正比：,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(fā)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(fā)生器、導壓孔和反光鏡檢測裝置三者的配合實現(xiàn)的，,原理是：當管道中進氣量變化時，渦旋發(fā)生器后面的渦旋壓力就會發(fā)生變化，渦旋壓力的變化經(jīng)導壓孔作用到簧片上便使簧片產(chǎn)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,由于反光鏡隨簧片一同振動，因此反光鏡將發(fā)光二極管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(jù)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(shù)字信號，所以輸入到汽車電腦時無需進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。此外，由于無可動部件，信號反應(yīng)靈敏，測量精度也較高。但其制造成本高，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(zhuǎn)角傳感器,轉(zhuǎn)角傳感器是用來檢測轉(zhuǎn)向器主軸的轉(zhuǎn)動角度和轉(zhuǎn)動方向的傳感器。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傳感器，其結(jié)構(gòu)和電路如圖所示。,由遮光盤和夾在其兩側(cè)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(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動時，發(fā)光二極管發(fā)出的光線時而通過透光槽作用于光電三極管上，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，就輸出一個電壓脈沖。汽車電腦根據(jù)一定時間內(nèi)三極管輸出的電壓脈沖數(shù)即可判斷出轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)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后壓制成型，在高溫（1000oC左右）下燒結(jié)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。,熱敏電阻有負溫度系數(shù)型（NTC）、正溫度系數(shù)型(PTC)和臨界溫度系數(shù)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(yīng)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(shù)低、可靠性不高、體積大等缺點，應(yīng)用范圍逐漸萎縮。取而代之的是集成運算放大器，它具有高放大倍數(shù)和高可靠性、低成本、小尺寸的優(yōu)點，因此應(yīng)用范圍十分廣泛，從信號的運算、放大到信號的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)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(jié)集成運算放大器的基本組成、特性及應(yīng)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(gòu)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，都采用差動式放大電路 。,中間級：要求電壓放大倍數(shù)高。常采用帶恒流源的共射極放大電路構(gòu)成。,偏置電路：為上述各級電路提供穩(wěn)定和合適的偏置電流，決定各級的靜態(tài)工作點，一般由各種電流源構(gòu)成。,集成運放的內(nèi)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(diào)零電位器（10 k）的兩個端子，調(diào)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(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aud(Auo),2. 主要參數(shù),運放沒有接反饋電路時的差模電壓放大倍數(shù)。,Aud愈高，所構(gòu)成的運算電路越穩(wěn)定，運算精度也越高。一般幾萬至幾十萬倍，理想的開環(huán)電壓放大倍數(shù)為。,（2）開環(huán)差模輸入電阻rid,是指在開環(huán)狀態(tài)下，運放的兩輸入端之間對差模信號的動態(tài)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(huán)輸出電阻ro,指在開環(huán)狀態(tài)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(shù)與共模電壓放大倍數(shù)之比的對數(shù)值,即,KCMR數(shù)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(jù),Auo ， rid ， ro 0 ， KCMR ,理想運算放大器的符號,電壓傳輸特性 uo= f (ui),線性區(qū)： uo = Auo(u+ u),非線性區(qū)： u+ u 時， uo = +Uo(sat) u+ u 時， uo = Uo(sat),線性區(qū),理想特性,實際特性,非線性區(qū),（2）分析依據(jù),（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 線性范圍越小，必 須加負反饋才能使 其工作于線性區(qū)。,理想運放工作在線性區(qū)的特點,因為 rid=,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回, 理想運放工作在非線性區(qū)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(xiàn)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(xiàn)象,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(gòu)成閉環(huán)電路后，能對各種模擬信號進行比例、加法和減法、積分和微分、指數(shù)和對數(shù)、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(jié)果，因此運算放大器工作在線性區(qū)。在分析電路時線性區(qū)的兩個特點是電路的分析依據(jù)。,本節(jié)主要分析比例、加減運算電路。,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,電路組成,以后如不加說明，輸入、輸出的另一端均為地()。,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 = 0,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(tài)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 = 20 k，R1 =2 k。求：uo=?,解：,總目錄,上頁,章目錄,下頁,返回,因虛斷，所以u+ = ui, 電路組成, 工作原理,因虛短，所以 u = ui ， 反相輸入端不“虛地”,因要求靜態(tài)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 = 20 k，R1 =2 k，最大輸出電壓UOPP=12V。求：uo并判斷運放的工作區(qū)間。,例：電路如下圖所示，求：uo=？。,解：,解：,因 故運放工作在線性區(qū),因運放組成電壓跟隨器 所以,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,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(shè) uo=-（4ui1 +2ui2 +0.5ui3) ，Rf = 100 k。求： R1 、 R2、 R3和R。,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。,(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(shè) Rf = R1= R2 = R3 ， ui1= 1V，ui2 =3V， 求： uo=？,因為 R1 = R2 = R3 = Rf,在實際中，能實現(xiàn)上述各種運算的集成放大器