1、维修电工中级工培训教材模块三 模拟电子技术及其应用1、常用电子元器件常用电子元器件 2、放大电路放大电路 3、集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用 4、信号产生电路信号产生电路 5、直流稳压电源直流稳压电源 6、典型应用电路分析典型应用电路分析常用电子元器件常用电子元器件半导体的基本知识半导体的基本知识导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。纯净的半导体。如硅、锗单晶体。纯净的半导体。如硅、锗单晶体。自由运动的带电粒子。自由运动的带电粒子。相邻原子共有价电子所形成的束缚。相邻原子共有价电子所形成的束缚。+4+4+4+4硅硅(锗锗)的原子结构的原子结构Si
2、2 8 4Ge2 8 18 4简化简化模型模型+4惯性核惯性核硅硅(锗锗)的共价键结构的共价键结构价电子价电子自自由由电电子子(束缚电子束缚电子)空空穴穴空穴空穴空穴可在共空穴可在共价键内移动价键内移动 自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。对消失的过程。自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位个空位(空穴空穴)的过程。的过程。两种载流子两种载流子
3、电子电子(自由电子自由电子)空穴空穴两种载流子的运动两种载流子的运动自由电子自由电子(在共价键以外在共价键以外)的运动的运动空穴空穴(在共价键以内在共价键以内)的运动的运动IIPINI=IP+IN+电子和空穴两种载电子和空穴两种载流子参与导电流子参与导电 在外电场的在外电场的作用下，自由电作用下，自由电子逆着电场方向子逆着电场方向定向运动形成电定向运动形成电子电流子电流IN。空穴。空穴顺着电场方向移顺着电场方向移动，形成空穴电动，形成空穴电流流IP。结论结论:1.本征半导体中电子空穴成对出现本征半导体中电子空穴成对出现,且数量少；且数量少；2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；半导体中有
4、电子和空穴两种载流子参与导电；3.本征半导体导电能力弱，并与温度、光照等外本征半导体导电能力弱，并与温度、光照等外 界条界条件有关件有关。本征半导体中由于载流子数量极少，导电能力很弱本征半导体中由于载流子数量极少，导电能力很弱。如果有控制、有选择地掺入。如果有控制、有选择地掺入的有用的有用（某种元（某种元素），将使其导电能力大大增强，成为具有特定导电性素），将使其导电能力大大增强，成为具有特定导电性能的能的。N 型半导体型半导体在硅或锗的晶体中掺入五价元在硅或锗的晶体中掺入五价元 素素。N 型型磷原子磷原子自由电子自由电子电子为多数载流子电子为多数载流子空穴为少数载流子空穴为少数载流子载流子数
5、载流子数 电子数电子数+5+4+4+4+4+4正离子正离子多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子N 型半导体的简化图示型半导体的简化图示P 型型硼原子硼原子空穴空穴空穴空穴 多子多子电子电子 少子少子载流子数载流子数 空穴数空穴数P 型半导体型半导体在硅或锗的晶体中掺入三价元在硅或锗的晶体中掺入三价元 素素。+4+4+4+4+4+3P型半导体的简化图示型半导体的简化图示多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子负离子负离子a、载流子的浓度差引起多子的扩散、载流子的浓度差引起多子的扩散b、复合使交界面形成空间电荷区复合使交界面形成空间电荷区(耗尽层耗尽层)无载流子、无载流子、阻止扩散进行、阻止扩
6、散进行、利于少子的漂移。利于少子的漂移。c、扩散和漂移达到动态平衡扩散和漂移达到动态平衡扩散电流扩散电流 等于漂移电流，等于漂移电流，总电流总电流 I=0。内电场内电场由浓度差引起的载流子运动。由浓度差引起的载流子运动。载流子在电场力作用下引起的运动。载流子在电场力作用下引起的运动。a、加正向电压、加正向电压(正向偏置正向偏置)导通导通P 区区N 区区内电场内电场+UR外电场外电场外电场使多子向外电场使多子向 PN 结移动结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄。中和部分离子使空间电荷区变窄。I限流电阻限流电阻扩散运动加强形成正向电流扩散运动加强形成正向电流 I。I=I多子多子 I少子少子 I多子
7、多子b、加反向电压、加反向电压(反向偏置反向偏置)截止截止P 区区N 区区 +UR内电场内电场外电场外电场外电场使少子背离外电场使少子背离 PN 结移动，结移动，空间电荷区变宽。空间电荷区变宽。IPN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流漂移运动加强形成反向电流 II=I少子少子 0构成：构成：PN结结+引线引线+管壳管壳=二极管二极管 符号：符号：分类：分类：按材料分按材料分硅二极管硅二极管锗二极管锗二极管按结构分按结构分点接触型点接触型面接触型面
8、接触型点接触型点接触型正极正极引线引线触丝触丝N型锗片型锗片外壳外壳负极负极引线引线负极引线负极引线 面接触型面接触型N型锗型锗PN结结 正极引线正极引线铝合金铝合金小球小球底座底座金锑金锑合金合金平面型平面型正极正极引线引线负极负极引线引线集成电路中平面型集成电路中平面型pNP型支持衬底型支持衬底OuD/ViD/mA正向特性正向特性Uth死区死区电压电压iD=0Uth=0.5 V 0.1 V(硅管硅管)(锗管锗管)U UthiD 急剧上升急剧上升0 U Uth 反向特性反向特性U(BR)反向击穿反向击穿U（BR)U 0 iD 0.1 A(硅硅)几十几十 A(锗锗)U U（BR）反向电流急剧增
9、大反向电流急剧增大(反向击穿反向击穿)击穿击穿电压电压反向击穿类型：反向击穿类型：电击穿电击穿热击穿热击穿反向击穿原因反向击穿原因：齐纳击穿齐纳击穿：反向电场太强，将电子强行拉出共价键。反向电场太强，将电子强行拉出共价键。雪崩击穿：雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，撞击反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。使自由电子数突增。PN结未损坏，断电即恢复。结未损坏，断电即恢复。PN结烧毁。结烧毁。稳压管是一种特殊的面接触型稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。半导体硅二极管。I/mAUZ/VOUZIZIZM+正向正向 +反向反向 UZ IZ符号符号工作条件：工作条件：反向击穿
10、反向击穿1.稳定电压稳定电压 UZ 流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。2.稳定电流稳定电流 IZ 越大稳压效果越好，小于越大稳压效果越好，小于 Imin 时不稳压。时不稳压。3.最大工作电流最大工作电流 IZMP ZM=UZ IZM5.动态电阻动态电阻 rZrZ=UZ/IZ 越小稳压效果越好。越小稳压效果越好。4.最大耗散功率最大耗散功率 PZMN型硅型硅BECN型硅型硅P型硅型硅（a）平面型平面型二氧化硅保护二氧化硅保护膜膜N型锗型锗ECBPP（b）合金型）合金型铟球铟球铟球铟球三层半导体材料构成三层半导体材料构成NPN型、型、PNP型型NNP发射极
11、发射极 E基极基极 B集电极集电极 C发射结发射结集电结集电结 基区基区 发射区发射区 集电区集电区emitterbasecollectorNPN 型型ECB各区主要作用及结构特点各区主要作用及结构特点发射区：作用：发射载流子发射区：作用：发射载流子 特点：掺杂浓度高特点：掺杂浓度高基区：作用：传输载流子基区：作用：传输载流子 特点：薄、掺杂浓度低特点：薄、掺杂浓度低集电区：作用：接收载流子集电区：作用：接收载流子 特点：面积大特点：面积大a、三极管放大的条件、三极管放大的条件1.内部条件内部条件发射区掺杂浓度高发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低基区薄且掺杂浓度低集电结面积大集电结面积大2.外
12、部条件外部条件发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏实验电路实验电路b、三极管的电流分配和放大作用、三极管的电流分配和放大作用BNCNII BCEIII BC II BE)1(II BCII 1.三极管在发射结正向偏置、集电结反向偏三极管在发射结正向偏置、集电结反向偏置的条件下具有电流放大作用。置的条件下具有电流放大作用。2.三极管的电流放大作用，实质上是基极电三极管的电流放大作用，实质上是基极电流对集电极电流的控制作用。流对集电极电流的控制作用。a、输入特性、输入特性输入输入回路回路输出输出回路回路常数常数 CE)(BEBuufi0CE u与二极管特性相似与二极管特性相似RCECiBIER
13、B+uBE+uCE EBCEBiC+BEuBiO0CE uV 1CE u0CE uV 1CE u特性基本特性基本重合重合(电流分配关系确定电流分配关系确定)特性右移特性右移(因集电结开始吸引电子因集电结开始吸引电子)导通电压导通电压 UBESi 管管:(0.6 0.8)VGe管管:(0.2 0.3)V取取 0.7 V取取 0.2 Vb、输出特性、输出特性常数常数 B)(CECiufi输出特性曲线输出特性曲线50 A40 A30 A10 AIB=020 AuCE/VO 2 4 6 8 4321iC/mAmAICECIBRBEBCEB3DG6 ARCV+uCE 放大电路放大电路uiuoCEBECB
14、uiuoECBuiuo共发射极共发射极共集电极共集电极共基极共基极三极管电路的三种连接方式：三极管电路的三种连接方式：+ui iC+uBE +uCE+VCCRBRC+uo C2+C1+iB 放大元件。放大元件。保证发射结处于正向保证发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，偏置、集电结处于反向偏置，为输出信号提供能量。为输出信号提供能量。将电流的变化将电流的变化变换为电压的变化，以实现电压变换为电压的变化，以实现电压放大。放大。使发射结处于正向偏置、提供大小适当的基使发射结处于正向偏置、提供大小适当的基极电流。极电流。用来隔断直流、耦合交流。电容值应足用来隔断直流、耦合交流。电容值应足够大，以保
15、证在一定够大，以保证在一定 的频率范围内，电容上的交流压降可的频率范围内，电容上的交流压降可以忽略不计，即对交流信号可视为短路。以忽略不计，即对交流信号可视为短路。直流通路直流通路(ui=0)分析分析。交流通路交流通路(ui 0)分析分析，只考虑变化的电压，只考虑变化的电压和电流和电流2 2、放大电路的静态分析、放大电路的静态分析 静态分析的目的：确定放大静态分析的目的：确定放大电路的电路的(直流值直流值)IB，IC，UCE 分析方法：利用分析方法：利用计算放大电路的静态工作点。计算放大电路的静态工作点。+ui iC+uBE +uCE+VCCRBRC+uo C2+C1+iBIC+UBE +UC
16、E+VCCRBRCIBBCCBBECCBRVRUVI BCII CCCCCEIRVU 例例 在在共发射极基本交流放大共发射极基本交流放大电路中电路中,已知已知VCC=12V，RC=4k，RB=300k 试求试求放大电路的静态工作点。放大电路的静态工作点。5.37 解：解：mA5.1mA04.05.37BC II A40A10300123BCCB RVI+ui iC+uBE +uCE+VCCRBRC+uo C2+C1+iB6VV)105.110412(33CCCCCE IRVU确定放大电路的电压放大倍数确定放大电路的电压放大倍数，输入，输入电阻和输入电阻。电阻和输入电阻。微变等效电路法。微变等效
17、电路法。1 1、三极管微变等效电路、三极管微变等效电路+uce+ube ibicCBEBBEbeIUr bbeiu)mA()mV(26)1()(300EI rbe Eibic ib+ube+uce BC2 2、放大电路微变等效电路、放大电路微变等效电路画交流通路原则：画交流通路原则：1.直流电压源视为短路；直流电压源视为短路；2.视电容对交流信号短路。视电容对交流信号短路。微变等效电路是对微变等效电路是对而言，先画放大电路的而言，先画放大电路的，将交流通路中的三极管用其，将交流通路中的三极管用其微变等效电路来代微变等效电路来代替，即得到放大电路替，即得到放大电路的的ECRBRC+ui+RSus
18、+uo C2RL+C1+ui+RSusRBRC+uo RL交流通路交流通路ECRBRC+ui+RSus+uo C2RL+C1+ui+RSusRBRC+uo RL+uo+ibicRBRCRLuSRS+ui+uo+RBRLRSrbe Eibic ibBCusRC+ui 3 3、放大电路的动态参数计算、放大电路的动态参数计算1.电压放大倍数的计算电压放大倍数的计算+uo+RBRLRSrbe Eibic ibBCusRC+ui 当输入的是正弦信号当输入的是正弦信号时，各电压和电流都可用时，各电压和电流都可用相量表示。相量表示。bbeiIrUbLcLoIRIRU 电压放大倍数电压放大倍数beLiorRU
19、UAu LCL/RRR LR+RBRLRSrbe EBCusRC+cIbIOUiU bI开路时电压放大倍数开路时电压放大倍数2.放大器输入电阻的计算放大器输入电阻的计算iiIUri Ri+RBRLrbe EBCRC+cIbIOUiU bIiIbeB/rR ber 3.输出电阻的计算输出电阻的计算 ro RCRo000bcbi IIIU，时，时，当当 RC一般为几千欧，因此，这种基本放大电路的一般为几千欧，因此，这种基本放大电路的输出电阻较高。输出电阻较高。受控源相当于开路。受控源相当于开路。三极管的输入电阻三极管的输入电阻rbe比比较小，所以基本放大电较小，所以基本放大电路的输入电阻不高。路的
20、输入电阻不高。例例 在在共发射极基本交流放大共发射极基本交流放大电路中电路中,已知已知VCC=12V，RC=RL=4k，RB=300k 试试求求电压放大倍数、输入电阻电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。、输出电阻。5.37 解：解：mA5.1mA04.05.37BCE III A40A10300123BCCB RVI)mA()mV(26)1()(300EbeIr k967.0)mA(5.1)mV(26)15.37(3006.77967.025.37beL rRAu k967.0/bebeBirrRrro RC=4k+ui iC+uBE +uCE+VCCRBRC+uo C2+C1+iBRL+C1R
21、S+ui RERB+VCCC2RL+uo+usRsRB+uo RLibieiiREus 电路由基极输入信号，从发射极输出信号，从交流通电路由基极输入信号，从发射极输出信号，从交流通路可知，集电极是输入回路和输出回路的公共端，故称共路可知，集电极是输入回路和输出回路的公共端，故称共集电极电路。又由于是从发射极输出信号，也称为集电极电路。又由于是从发射极输出信号，也称为+C1RS+ui RERB+VCCC2RL+uo+us+UCE+VCCRBREIBIEUBE+EBBECCB)(1RRUVI EECCCEIRVU BBBCBE)(1IIIIII EBBEBBEEBEBBCC)(1RIURIRIUR
22、IV 交流通路交流通路微变等效电路微变等效电路RsRB+uo RLibiciiREusRBRLrbeRERs+oUcIbIiI+SUeIbIbLbbeeLbbei)1(IRIrIRIrU bLeLo)(IR1IRU LEL/RRR LbeLbLbbebLio)1()1()1()1(RrRIRIrIRUUAu 1但恒小于但恒小于接近接近,1uAiU )1(LbeiBiii iiRrURUUIUr RBRLrbeRERs+oUcIbIiI+SUeIbI)1(/LbeBRrR 0LSo RUIUrRBrbeRERs+UbIIbIeIebbIIII ESBbeSBbe/RURRrURRrU 1/SBb
23、eEoRRrRIUr SBbe/RRr iU射极输出器特点射极输出器特点 输入输出同相输入输出同相ri 高高ro 低低用途：输入级、输出级、中间隔离级。用途：输入级、输出级、中间隔离级。1 uA+C1RS+ui RERB+VCCC2RL+uo+us集成运算放大器及其应用集成运算放大器及其应用输入级：输入级：减少零点漂移、提高输入阻抗。减少零点漂移、提高输入阻抗。输出级：输出级：射极输出器或互补对称功率放大器，提高射极输出器或互补对称功率放大器，提高 带载能力。带载能力。偏置电路：偏置电路：为各级提供稳定、合适的静态工作点。为各级提供稳定、合适的静态工作点。偏置电路偏置电路输入级输入级中间级中间
24、级输出级输出级中间级：中间级：电压放大。电压放大。反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端输出端输出端+u+uuo反相输入反相输入端端同相输入同相输入端端输出端输出端+623 7415+15V-15V10k 1k 当输入信当输入信号为零时，输出号为零时，输出为零。为零。8为空脚为空脚 udA idr0o r CMRK 在分析运算放大器的电路在分析运算放大器的电路时，一般把时，一般把运算放大器看成理运算放大器看成理想元件。想元件。+u+uuo icr0)(uu 相当于两输入端之间相当于两输入端之间,但又未真正短路，故称但又未真正短路，故称“”。相当于两输入端之间相当于两输入端之间，但又未真正断路
25、，故称，但又未真正断路，故称 “”。b.i+=i =0 a.u+=u,而而uo是有限值是有限值,运放开环输入电阻运放开环输入电阻 idr 由于由于故从式故从式,可知可知 duA)(dO uuAuu+u+uuoii+A.反相比例运算电路反相比例运算电路0 ii虚断虚断F 1 ii -0 uu虚地虚地1I1I1RuRuui fOfOFRuRuui I1fouRRu 平衡电阻平衡电阻f1/RRR 输入电阻输入电阻:ri11IiRiur IOuu f1RR 若若则则iFR1Rfi1uIR+uou+u-B.反相加法运算电路反相加法运算电路iF=i1+i22I21I1fORuRuRu )(2I21I1fO
26、RuRuRu 若若 Rf=R1=R2 则则 uO=(uI1+uI2)R=R1/R2/Rf平衡电阻平衡电阻iFR1Rfi1uI1R uI2+uou+u-i2A.同相比例运算同相比例运算 I-uuu F 1 ii ,fIO1IRuuRu I1fO)1(uRRu R2=R1 /Rf平衡电阻平衡电阻当当 R1=时，时，跟随器跟随器IOuu 或当或当R1=，Rf =0 时，时，R1iFRfi1uIR2+uou+u-RfuIR2+uouI+uo（1）输入与输出信号同相。）输入与输出信号同相。（2）输入电阻大，输出电阻小。输入电阻大，输出电阻小。直流稳压电源直流稳压电源整整 流流 电电 路路滤滤 波波 电电
27、 路路稳稳 压压 电电 路路u1u2u3u4uo二、直流稳压电源的分析和设计二、直流稳压电源的分析和设计u1t1.半导体直流电源的原理方框图半导体直流电源的原理方框图电源变压器整流电路滤波电路稳压电路u2tuRtuFtuotuouFuRu2u1稳压过程稳压过程u1在正半周时：在正半周时：D1、D3导通，导通，D2、D4截止截止2.2.单相桥式整流电路单相桥式整流电路u2=2U2sintu2u0（i0）ttu1在负半周时：在负半周时：D2、D4导通，导通，D1、D3截止截止u1在正半周时：在正半周时：D1、D3导通，导通，D2、D4截止。截止。u1u2u0D1D2D3D4RLio +uo=uc
28、RLD1D4D3D2+u2+u1 a.电路和工作原理电路和工作原理C u2正半周正半周D1和和D3导通，给导通，给 C 充电充电,u2达到最大值时达到最大值时，C 两端电压充到最大值。两端电压充到最大值。当当u2从最大值开始下降时，从最大值开始下降时，D1和和D3截止，截止，C 向向 RL 放电。放电。3.滤波电路滤波电路b.波形及输出电压波形及输出电压2O2U U 当当 RL=时时（C没有放电回路）没有放电回路）:0 tuO 2 22U当当 RL 为有限值时为有限值时:2O229.0UUU RLC（放电时间常数）（放电时间常数）越大（越大（C放电越慢）放电越慢）UO 越大。越大。2)53(L
29、TCR RL=为获得良好滤波效果为获得良好滤波效果,一般取一般取:(T 为输入交流电压的周期为输入交流电压的周期)a L滤波b.RC滤波c.LC滤波 d.型滤波RLLCRRLCRLLRLRLRCCCLC其他形式的滤波电路其他形式的滤波电路RLCRIRIZDZ+UL+UC+u IL+UR稳压稳压电路电路引起电压不稳定的原因引起电压不稳定的原因交流电源电压的波动交流电源电压的波动负载电流的变化负载电流的变化 交流电源电压增加交流电源电压增加 整流输出电压整流输出电压UC增加增加负负载电压载电压UL(UZ)增加增加 稳压管的电流稳压管的电流IZ显著增加显著增加 限流限流电阻电阻R上的压降增加上的压降
30、增加负载电压保持基本不变。负载电压保持基本不变。RLCRIRIZDZ+UL+UC+u IL+URu UC ULIZIRURUL (IR=IZ+IL)RLCRIRIZDZ+UL+UC+u IL+URRLILULIZIRURUL 电源电压保持不变，电源电压保持不变，负载负载RL增加增加 负载电流负载电流减小减小电流电流IR减小减小电阻电阻R上的压降上的压降减小减小输出电压增大（输出电压增大（Ui=UR+UL）稳压管稳压管电压电压增大增大 稳压管电流显著稳压管电流显著增加增加通过电阻通过电阻R的电流和电阻上的压降保的电流和电阻上的压降保持近似不变持近似不变输出输出电压近似不变。电压近似不变。IRCU
31、iR4UBE1.UCE2UBE2UzUfR3R1RpR1 R2 R2I0T1T2U0RL2 2、其他稳压电源、其他稳压电源 调整环节放大环节基准电压取样环节a a、串联型稳压电路的工作原理、串联型稳压电路的工作原理CUiR4UBE1.UCE2UBE2UzUfR3R1RpR1 R2 R2I0T1T2U0稳压原理：U0UBE2IB2Ic2UCE2U0UCE1Ic1IB1UBE1UCE1U0max=R1+R2+RpR2UzU0=R1+R2+RpR2 +R2UzU0min=R1+R2+RpR2+RpUzb b、集成稳压电路、集成稳压电路输出电压固定式两种稳压器：W7800系列（输出正电压）W7900系列（输出负电压）W7800系列稳压器的外形管脚（如右图）。-W78UiCiCi132+-+UiCi=0.11FC0=1F输出电压有：5v、8V、12V、15V、18V、24V。1231 3 2
