1、汽车电工汽车电工电子技术电子技术汽车模拟电路汽车模拟电路项目五项目五任务一任务一 二极管二极管认知认知一、半导体的基本知识一、半导体的基本知识（一）本征半导体（一）本征半导体 纯净不掺杂质的半导体称为本征半导体。本征半导体通常具有规则的几何形状，在空间上是单晶体结构，其原子按点阵（晶格）排列。现代电子产品中用得最多的半导体材料是硅（Si）和锗（Ge）。如图5-1所示为硅和锗的原子结构。（a）硅（+14）的原子结构 （b）锗（+32）的原子结构图5-1 硅和锗的原子结构如图5-2所示为硅和锗的共价键结构（平面）示意图。图5-2 共价键结构示意图图5-3 电子和空穴的形成图5-4 空穴和自由电子的
2、运动（二）（二）N型半导体和型半导体和P型半导体型半导体1N型半导体图5-5 N型半导体结构示意图 2P型半导体图5-6 P型半导体结构示意图（三）（三）PN结的形成及特性结的形成及特性1PN结的形成 由于PN结的特殊性质，使它成为制作各种半导体器件的基础，如图5-7所示。图5-7 PN结的形成2PN结的单向导电性 给PN结外加反向电压（简称反偏），即P端接电源的负极、N端接电源的正极，如图5-9所示。图5-8 PN结正偏 图5-9 PN结反偏二、二极管的结构、类型及符号二、二极管的结构、类型及符号 二极管又称半导体二极管，它是由一个PN结加上两条引线和管壳（金属、玻璃、塑料）构成的。从P端引
3、出的电极称为阳极，从N端引出的电极称为阴极。二极管的结构示意图及图形符号如图5-10所示。（a）（b）图5-10 二极管的结构、符号 二极管按材料可分为硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管等；按内部结构可分为点接触型、面接触型和平面型等，如图5-11所示；按用途的不同可分为普通二极管和特殊二极管。（a）点接触型 （b）面接触型 （c）平面型图5-11 半导体二极管的结构类型 常见的二极管有金属、塑料和玻璃三种封装形式。根据用途的不同，二极管的外形各异，如图5-12所示为几种常见的二极管外形。图5-12 常见的二极管外形三、二极管的伏安特性三、二极管的伏安特性经过理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下
4、式表示，即T/S(e1)V VII（5-1）二极管的伏安特性包括正向特性、反向特性以及反向击穿特性，其特性曲线如图5-13所示。图5-13 二极管的伏安特性曲线图5-13 二极管的伏安特性曲线（一）正向特性（一）正向特性 二极管外加正向电压时，电流和电压的关系称为二极管的正向特性。（二）反向特性（二）反向特性 当二极管外加反向电压时，电流和电压的关系称为二极管的反向特性。四、二极管的主要参数四、二极管的主要参数（一）最大整流电流（一）最大整流电流FMI（二）最高反向工作电压（二）最高反向工作电压RMU（三）最大反向电流（三）最大反向电流RI（四）最高工作频率（四）最高工作频率Mf五、二极管的应
5、用五、二极管的应用 整流电路就是利用二极管的单向导电性将交替变化的正弦波变换成单一方向脉动的直流电。如图5-14所示为二极管单相半波整流电路及其输入输出波形。（a）电路 （b）波形图5-14 二极管单相半波整流电路及其输入输出波形工业生产中常采用改进后的单相桥式整流电路，如图5-15所示。（a）电路 （b）简化符号图5-15 单相桥式整流电路（二）限幅电路（二）限幅电路 限幅是指限制电路的输出值。在电子电路中，常用限幅电路来减小或限制某些电路的幅值，以适应电路的不同要求或作为保护措施；在数字电路中，常用限幅电路来处理信号波形，如图5-17所示。图5-17 限幅电路及输出波形（三）钳位电路（三）
6、钳位电路 将电路中某点的电位值钳制在选定的数值上而不受负荷变动影响的电路叫钳位电路。图5-18 钳位电路六、特殊用途的二极管简介六、特殊用途的二极管简介（一）稳压二极管（一）稳压二极管（a）符号 （b）伏安特性图5-19 稳压二极管的符号与伏安特性曲线 如图5-20所示为汽车仪表电路的稳压电路，它由稳压管和限流电阻串联而成。其中，稳压管与汽车仪表电路并联，以便发挥稳压作用。图5-20 汽车仪表电路的稳压电路（二）光电二极管（二）光电二极管如图5-21所示为光电二极管的外形、符号及其应用电路。（a）外形 （b）符号 （c）应用电路图5-21 光电二极管1汽车空调用日照强度传感器 如图5-22所示
7、为汽车空调用日照强度传感器的等效电路。图5-22 汽车空调用日照强度传感器2光电式曲轴位置传感器 汽车上一般装有由光电二极管制成的光电式曲轴位置传感器，其结构如图5-23（a）所示。光电式曲轴位置传感器的工作原理如图5-23（b）所示，它常安装在汽车分电器内，主要由信号发生器和带光孔的信号盘组成。（a）结构 （b）工作原理图5-23 光电式曲轴位置传感器（三）发光二极管（三）发光二极管如图5-24所示为发光二极管的外形、符号及电路等。（a）外形 （b）电路符号 （c）应用电路图5-24 发光二极管任务二任务二 三极管三极管认知认知一、三极管的分类及结构一、三极管的分类及结构 三极管是在同一块半
8、导体（硅或锗）片上掺杂形成三个区的两个PN结，并引出三个电极。两个N区夹一个P区结构的三极管称为NPN型三极管；两个P区夹一个N区结构的三极管称为PNP型三极管。三极管的常见外形如图5-25所示。图5-25 常用三极管的外形及管脚排列 三极管有三个区，即发射区、基区和集电区；两个PN结，即发射结（BE结）和集电结（BC结）；三个电极，即发射极e（E）、基极b（B）和集电极c（C）。NPN型和PNP型管的结构及图形符号如图5-26所示。（a）NPN型 （b）PNP型图5-26 三极管的结构及符号二、三极管的电流放大作用二、三极管的电流放大作用 要使三极管具有电流放大作用，除了在制造工艺上满足上述
9、三个特点外，在应用时，还要使发射结处于正向偏置，使集电结处于反向偏置，如图5-27所示。图5-27 三极管的电流分配关系三极管各电极的电流关系为EBCIII（5-2）一般来讲，当三极管的基极电流发生变化时，集电极电流会相应地发生较大的变化，我们将两者变化幅度的大小称为交流电流放大系数，用字母 表示，即CBII（5-3）三、三极管的特性曲线三、三极管的特性曲线 所谓共发射极电路是以基极和发射极作为输入端，集电极和发射极作为输出端，即把发射极作为输入、输出回路公共端的电路接法，如图5-28（a）所示。（a）共发射极电路图 （b）输入特性图5-28 三极管共发射极电路（一）输入特性曲线（一）输入特性
10、曲线 输入特性曲线是指当集电极与发射极之间的电压 不变时，输入回路中的基极电流 与基极和发射极之间的电压 之间的关系曲线。经实验测得三极管的输入特性曲线如图5-28（b）所示，即CEUBEUBICEBBE()UIf U常数（二）输出特性曲线（二）输出特性曲线 三极管的输出特性曲线是指在一定的基极电流 下，三极管的集电极电流 与管压降 之间的关系曲线。实验测得三极管的输出特性曲线如图5-29所示，即BICICEUBCCE()IIf U常数 由图5-29可知，三极管的输出特性曲线分为三个区域：放大区、截止区和饱和区。图5-29 三极管的输出特性曲线四、三极管的主要参数四、三极管的主要参数（一）电流
11、放大系数（一）电流放大系数 1直流电流放大系数1）共发射极直流电流放大系数CECCEOCBBUIIIII常数（5-5）（a）在输出特性曲线上求取 （b）与 的关系图5-30 共发射极直流电流放大系数CI2）共基极直流电流放大系数CBCCBOCEEUIIIII常数（5-6）利用式（5-2），对三极管的基本电流关系式进行适当变换后，可得CEBCBBB(1)(1)IIIIIII 因此，可以得到共基极与共发射极直流电流放大系数 与 之间的关系为CBEB(1)1IIII（5-7）2交流电流放大系数 交流电流放大系数也分为共发射极交流电流放大系数 与共基极交流电流放大系数 两种情况。它们分别表示为CECB
12、UII常数CBCEUII常数1+（5-8）（二）极间反向饱和电流（二）极间反向饱和电流CBOI1集电极基极反向饱和电流图5-31 极间反向饱和电流2集电极发射极反向饱和电流CEOI和 都随温度的升高而增大，两者的关系为CBOICEOICEOCBO(1)II（5-9）（三）极限参数（三）极限参数1集电极最大允许电流CMI图5-32 集电极最大允许电流，(BR)CBOU(BR)CEOU(BR)EBOU2反向击穿电压这三个反向击穿电压在数值之间的大小排列为(BR)CBO(BR)CEO(BR)EBOUUU3集电极最大允许耗散功率CMP如图5-33所示，表示了三极管的安全工作区域。图5-33 三极管的安
13、全工作区五、三极管的放大电路五、三极管的放大电路（一）放大电路的构成（一）放大电路的构成 如图5-34所示为共发射极放大电路的组成原理图。图5-34 共发射极放大电路（二）放大电路的工作原理（二）放大电路的工作原理 放大电路工作时，若无输入信号，则电路中只有直流电流通过，此时称为放大电路的直流通路；若加上输入信号，则电路中既有直流电流又有交流电流通过，此时称为放大电路的交流通路，如图5-35所示。（a）直流通路 （b）交流通路图5-35 共发射极放大电路的直流通路和交流通路1静态工作情况分析1）估算法 按直流信号在电路中流通的路径可画出电路的直流通路。例如，图5-34所示电路可变为图5-35（
14、a）所示电路。其方法是将电容视为开路，电感视为短路。按照直流通路的结构，可以计算出电路的静态工作点为CCBECCBBBUUUIRRCBIICECCCCUUI R（5-10）（5-11）（5-12）例5-1 如图5-35（a）所示的放大电路中，已知：，三极管的 。试求该放大电路静态工作点Q的数据。CC20 VUC6.8 kR B500 kR 45 解 根据式（5-10）、（5-11）和（5-12），可求得此放大电路的静态工作点Q的数据为CCBECCB3BBCB33CECCCC20A0.04 mA40A500 10450.04 mA1.8mA201.8 106.8 10 V7.8VUUUIRRII
15、UUI R图解法求静态工作点如图5-36所示。图5-36 图解法求静态工作点Q 2）图解法 图解法就是利用作图的方法来确定放大电路的静态工作点，此方法能直观地分析和了解静态值的变化对放大电路性能的影响。例5-2 已知：，三极管的输出特性曲线组已给出，如图5-37所示。求：（1）作出直流负载线；（2）求出静态值Q。CC12 VUC4 kR B300 kR 图5-37 例5-2图解 （1）作出直流负载线由式（5-12）知，当 时，当 时，描出并连接上面两点，即可作出直流负载线，如图5-37所示。C0ICECC12 VUUCE0UCCCC12mA3mA4UIR（2）由式（5-10）得CCBECCBB
16、B12mA40 A300UUUIRR 找到 的那条输出曲线，它与刚才作出的直流负载线的交点即为静态工作点Q。B40 AI 2动态工作情况分析1）微变等效电路法（a）共发射极电路 （b）等效电路图5-38 三极管的微变等效电路它表示了三极管的输入特性，用公式表示为CE=BEbeBUUrI常数（5-13）对于低频小信号，当三极管的放大倍数为 ，静态发射极电流为 时，其输入电阻可用下式估算，即EIbeE26 mV300(1)(mA)rI（5-14）图5-39 三极管的输入特性 三极管的输出特性是一组曲线，在线性区是一组近似等距离的平行直线，如图5-40所示。图5-40 三极管的输出特性当 为常数时，
17、集电极电流与基极电流的变化量之比即前文所讲的三极管的交流电流放大系数，用公式表示为CEUCE=CBUII常数（5-15）从图5-40中可以看出，三极管的输出特性曲线并不与横轴完全平行，当 常数时，与 之比称为三极管的输出电阻 。BI CEUCIcerB=CEceCIUrI常数（5-16）电路中的电压和电流都是交流分量，箭头标出的是参考方向，如图5-41所示。（a）交流通路 （b）微变等效电路图5-41 放大电路的微变等效电路 下面用微变等效电路来计算放大电路的电压放大倍数。交流输出信号与输入信号的电压值之比称为交流电压放大倍数，用 表示，即uAoiuuAu（5-17）如图5-41（b）所示，有
18、ib beui rocLui Rcbii 如图5-41（b）所示，输出端等效电阻 是集电极电阻 和负载电阻 的并联，故LRCRLRCLLCLR RRRR 因此，电压放大倍数为 ocLCLib bebeCLuui RR RAui rrRR（5-18）当放大电路的输出端开路，即电路空载 时，电压放大倍数 为LR uACbeuRAr（5-19）例5-3 某共发射极放大电路中，已知：，三极管的输入静态电流约为2 mA，求该电路的电压放大倍数。CC12 VUC4 kR 99L5 kR 解 由题意知，再由式（5-14）得出E2 mAI beE26 mV26 mV300(1)300(199)16001.6
19、k(mA)2 mArI 代入式（5-18），得该电路的电压放大倍数为CLbeCL994 5137.51.645uR RArRR 交流负载线的直线斜率为CCEL1iuR（5-20）2）图解法 对放大电路的动态分析也可以应用图解法，它是在静态分析的基础上利用三极管的特性曲线，通过作图的方法分析放大电路中电压和电流分量之间的传输情况和相互关系。这样根据直流负载线的静态工作点Q和交流等效负载 确定的直线斜率就可以画出交流负载线，如图5-42所示。LR图5-42 交流负载线 图中右半部分是它的输入特性，左半部分是它的输出特性。由输入信号产生了一个叠加在直流信号之上的交流信号。图5-43 图解法确定电压放
20、大倍数 由于三极管的饱和引起的输出电压底部被削掉的失真称为饱和失真，如5-44（a）所示。由于三极管的截止引起的输出电压顶部被削掉的失真称为截止失真，如5-44（b）所示。（a）饱和失真 （b）截止失真图5-44 Q设置不当造成的信号失真六、三极管在汽车上的应用六、三极管在汽车上的应用（一）汽车继电器控制电路（一）汽车继电器控制电路图5-45 汽车继电器控制电路（二）汽车电气线路搭铁探测器电路（二）汽车电气线路搭铁探测器电路 在汽车电子电路中，三极管放大电路主要用于对传感器的微弱信号进行放大，如图5-46所示为一种利用三极管的放大特性制作的汽车电气线路搭铁（短路）探测器电路。图5-46 汽车电气线路搭铁探测器电路（三）汽车转向灯三极管闪光器（三）汽车转向灯三极管闪光器 汽车在转向时，由驾驶员拨动转向开关，使转向灯不停闪烁以指示汽车转动的方向，控制转向灯闪烁的三极管闪光器电路如图5-47所示。图5-47 汽车转向灯三极管闪光器
