电子技术基础

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1 电子技术基础 第 版 周筱龙潘海燕主编 电子工业出版社 1

2 内容简介 本教材共分五章和附录, 其中第一 二章为模拟电子技术, 主要内容可归纳为三个方面 : 其一是三种半导体器件 ( 二极管 双极型三极管和运放 ) 的结构 特性和有关参数内涵的介绍 ; 其二是以分立元件实用功放案例为中心, 介绍组成案例的各种晶体管单元电路的结构 工作过程和技术参数 ; 其三是以带双电源的函数信号发生器案例为中心, 介绍组成案例的各种单元电路, 这些单元电路主要包括运放的线性应用电路 非线性应用电路和电源电路 第三 四章为数字电子技术, 主要内容也可分成三个方面 : 其一是介绍必须的基础知识, 包括逻辑代数 门电路及其特性和参数, 触发器和波形产生 整形等单元电路 ; 其二是以数字钟案例为中心, 介绍组合逻辑电路和时序逻辑电路及其应用 ; 其三是以 A/D SAM E POM D/A 连用案例为主线, 介绍最近被普遍采用的这些大规模集成电路芯片的功能和应用电路 第五章为既包括模拟电子技术, 也包括数字电子技术的两个综合案例 : 其一是以真实数控机床电机驱动器案例为中心, 介绍组成案例的核心器件场效应晶体管 ( 含普通型 MOS 管 ) 及其相关的单元电路 ; 其二是以有线通话系统案例为中心, 介绍系统组成框图 相关的集成电路和单元电路 全书给出了包括案例附录在内的十多种综合性可供学生课外制作的实用电路, 同时以案例的形式, 介绍了 PLD 器件的应用 本书以案例为主线, 在内容和体系上突显了高职教材的特色, 强调了应用性 突出了针对性 是在高职教育经过了几年发展与实践后, 对高职高专的办学定位 培养目标 生源的具体水平有了比较深刻认识的情况下, 专门为高职高专电气自动化技术 应用电子技术 计算机应用技术 通信技术等专业编写的电子技术基础教材 本书也可作为成人高校的参选教材或作为本科院校电子技术实训的参考书

3 前言 本书是在 电子技术基础 第一版的基础上, 根据电子工业出版社 5 年 7 月在杭州召开的教材会议上提出的 淡化理论, 加强技能, 拓展广度, 重在应用 的要求, 修改 补充 拓展而成的 第二版教材除补充了一些设计举例, 拓展了接口电路 MOS 管等基础知识外, 根据 高职教学应以就业为导向, 培养生产和管理一线技术性 技能性应用人才 的定位和目标, 本教材在修订中, 增加了三个综合性案例, 其中数控机床驱动器案例是编者根据有针对性的教学需要, 通过亲自解剖 分析了一台数控机床的控制电路, 然后再仿照设计 安装 调试成功后编写的实训指导书的内容, 具有实际应用性和当前数控机床控制技术的针对性 对于 PLD 器件, 本教材采用了一个经调试成功的, 用 PLD 器件设计制作的数字频率计案例作为该内容的介绍, 以突出应用性 第二版由台州职业技术学院周筱龙担任主编, 潘海燕担任副主编, 范忠 张丽萍参加了编写, 同时, 苏天顺 王仁春 蒋友明 陈学军等老师帮助审阅并提出了很多宝贵的意见, 在此深表感谢 限于编者水平, 缺点和错误难免, 敬请读者批评指正 编者 6 年 1 月 3

4 前言 ( 第 1 版 ) 本书是在高等职业教育经过几年发展和实践后, 对高职高专的办学定位 培养目标 生源的具体水平有了比较深刻认识的情况下, 专门为高职高专电子信息类专业编写的电子技术基础教材 根据教育部的要求 : 关于高职高专教材, 应以基础理论知识适度, 技术应用能力强, 以 应用 为主旨和特征来构建课程内容体系的精神以及淡化理论 够用为度 培养技能 重在应用的原则, 结合多年从事高职教学的实践和体会, 通过多个学校从事电子技术教学的老师共同讨论, 确定了编写本教材的大纲和思路 同时在编写时, 也采纳了由电子工业出版社专门聘请的专家组审核编写大纲时提出的意见 本教材分上下两篇, 上篇为模拟电子技术, 下篇为数字电子技术, 每篇以两个课程案例为中心案例, 所涉及的内容包含了电子技术的基本要求 在内容安排上, 从应用的角度出发, 先安排必须够用的基础知识, 再介绍案例所涉及的各种单元电路, 最后落实到所给出的案例教学中去 这样使分散的内容具有针对性, 给出的案例突出了应用性和综合性 在教学模式上, 应以案例为中心, 采用边讲边做 讲讲做做的知识与实践交叉互动的教学模式, 以激发学生的学习和实践的兴趣, 增强学生既动手又动脑的主观能动性 本教材的另一个特点是减少了单元性 验证性的练习, 给出了较多的 经过调试或者结合生产和科研的实际需要, 通过专门设计的具体实用的综合电路作为实验和实训内容, 同时, 为学生课外的科技活动提供了丰富的题材 本教材由台州职业技术学院周筱龙担任主编, 并编写了下篇数字电子技术和附录, 广州铁路职业技术学院刘冬香 天津职业技术师范学院陈立云担任副主编, 并分别编写了上篇模拟电子技术第 1 章和第 章 辽宁大学高职学院王力担任主审, 台州职业技术学院潘海燕参加了编写工作, 全书由周筱龙统稿, 并请潘海燕 赵再军 王仁春 范忠等老师仔细审阅后定稿, 同时还得到了孙桂花 苏天顺 楼勇等老师的帮助, 在此一并深表感谢 由于编写时间仓促, 缺点和错误难免, 望读者批评指正 编者 3 年 4 月 4

5 目 录 上篇模拟电子技术 绪论第 1 章用晶体管放大电路组成的实用功放案例及相关的基础知识 1.1 半导体二极管 半导体二极管符号 特性 参数 1.1. 二极管单向导电特性应用电路介绍 如何用万用表判别二极管的好坏和正负极 特殊二极管符号 名称 功能介绍 常用二极管型号参数选录 1. 双极型半导体三极管 1..1 三极管的结构 材料 极性和符号 1.. 三极管的三个电流及其控制关系 1..3 三极管的特性 三种工作状态 参数和检测 1..4 三极管的三种组态 1..5 基本共射电路的组成及工作过程分析 1..6 三极管放大电路的静态工作点 1..7 放大器性能参数及对放大器性能的影响 1..8 常用三极管单元电路介绍 1..9 多级电压放大器几种耦合方式 *1..1 图解分析法和微变等效电路法介绍 放大电路的调整和测试 1..1 案例所用三极管型号和主要参数 1.3 电原理图和印制电路图 根据电原理图设计印制电路图 ( 板 ) 1.3. 根据印制电路图画电原理图 1.4 实用功放案例 案例教学的目的 要求和教学方法 1.4. 实用功放的电原理图和印制电路图 实用功放的安装 焊接与调试 实用功放电路所用元件名称和型号规格 案例思考题本章小结思考题和习题 1 第 章带电源的简易函数发生器案例及相关的基础知识.1 运算放大电路.1.1 运算放大电路的组成.1. 理想运放的技术参数.1.3 理想运放在线性应用时 虚断 和 虚短 的概念.1.4 用运放组成的比例运算电路.1.5 积分电路和微分电路. 放大电路中的负反馈 5

6 ..1 基本概念.. 负反馈四种基本组态及判断..3 负反馈对放大电路的影响..4 电压负反馈 A f 的近似计算及常用电压串联负反馈电路举例.3 波形产生电路 *.3.1 正弦波产生电路.3. 非正弦波产生电路.4 波形变换电路.4.1 三角波变换成占空比可调的方波.4. 三角波 正弦波转换电路.5 电源电路.5.1 变压 整流和滤波电路.5. 串联型稳压电源.5.3 线性集成稳压器.5.4 串联型稳压电源的特性和质量标准.6 带电源的简易函数发生器案例.6.1 案例教学的目的 要求和教学方法.6. 案例电路的原理图和框图.6.3 案例思考题本章小结思考题和习题 下篇数字电子技术 绪论第 3 章用标准集成电路组成的数字钟案例及相关的基础知识 3.1 逻辑代数基础 数制和码制 3.1. 三种基本逻辑门及其表示 由三种基本逻辑门导出的其它逻辑门及其表示 同一逻辑关系的各种表示之间的相互转换 逻辑代数的基本公式和基本定律 逻辑函数的卡诺图化简 3. 门电路 3..1 以 TTL 与非门为例介绍 TTL 门电路的特性参数 3.. 以 MOS 非门为例介绍 MOS 门电路的特性参数 3..3 TTL 门电路和 MOS 门电路特性参数差异比较 3.3 触发器 基本 S 触发器及应用 3.3. 五种功能同步触发器的逻辑符号 特性方程 真值表 P 触发方式及表示 3.4 波形产生 整形和变换电路 施密特触发器及应用 3.4. 多谐振荡器及应用 单稳态触发器及应用 3.5 组合逻辑电路 6

7 3.5.1 组合逻辑电路的分析方法 3.5. 组合逻辑电路的设计方法及设计组合逻辑电路举例 常用组合逻辑电路的名称 功能 逻辑图 管脚图介绍 组合逻辑电路的竞争与冒险及消除方法 四路数显抢答器电路的分析与设计 3.6 时序逻辑电路 用 T 触发器组成二分频电路和模 n 异步计数器 3.6. 用 T 触发器组成模 n 同步计数器 常用集成计数器 高进制计数器变成低进制计数器的方法 寄存器 3.7 用标准集成电路组成的数字钟案例 案例教学的目的 要求和教学方法 3.7. 数字钟的组成框图 电原理图 案例思考题本章小结思考题和习题 3 第 4 章用标准集成电路 A/D AM E POM D/A 组成的录音 存储 放音案例及相关基础知识 4.1 半导体存储器 固定只读存储器 (OM) 4.1. 可编程只读存储器 (POM) 用紫外线照射擦除的可编程只读存储器 (EPOM) 用电压信号擦除的可编程只读存储器 (E POM) 随机存储器 (AM) 4. 数模转换器 (D/A 或 DA) 4..1 单极性输出 D/A 转换器 4.. D/A 转换器的双极性输出 4..3 D/A 应用电路举例 4.3 模数转换器 (A/D 或 AD) 采样与保持 量化与编码的概念 4.3. 采样保持电路 用逐次逼近 A/D 的框图说明 A/D 的工作过程和有关参数的物理意义 AD574 系列芯片在应用时外部接线举例 4.4 A/D AM E POM D/A 连用的案例 采用本案例教学的目的 要求和教学方法 4.4. 各部分连用案例 *4.5 其它常用接口集成电路介绍 集成缓冲器 4.5. 集成锁存器 集成移位寄存器本章小结思考题和习题 4 第五章模拟 数字综合应用案例 7

8 附录 A 5.1 场效应晶体管 普通场效应晶体管 5.1. MOS 场效应晶体管 数控机床驱动器案例 5. 用普通电话机组成内部通话系统案例 和 587 集成电路介绍 5.. 通话系统的工作原理 5..3 通话系统各部分具体电路介绍 本章小结 习题和思考题 5 1. 热释电红外探测电路. 无线电调频接收机 3. 红外遥控烘手机电路 4. 四位数字频率计及相关集成电路介绍 位双积分型数字电压表及相关集成电路 附录 B 用 PLD 器件设计数字频率计 1. 概述 参考文献. 四位数字频率计原理框图和外围电路 3.PLD 器件内部电路的设计 4. 完成四位数字频率计设计 8

9 上篇 模拟电子技术 绪论 模拟电子技术是介绍以模拟信号为输入信号的相关电路及应用 主要内容包括 : 有关半导体器件的特性 功能和技术参数的内涵, 以半导体器件为核心的各种模拟单元电路的组成 工作过程分析及应用 学习模拟电子技术应当熟练掌握相关半导体器件的特性 功能和技术参数的内涵, 要记住几十种模拟单元电路的名称 组成和功能, 并学会把单元电路组成综合电路的方法 模拟电子技术是一门实践性很强的技术课程, 因此加强实践环节是教好 学好模拟电子技术的关键, 要减少单元性 验证性实验, 应以案例为实训内容, 让学生独立完成一个实用的电子产品从安装到调试成功的全过程, 来激发学生的学习兴趣, 增强自信心, 提高课程教学效果 9

10 第 1 章用晶体管放大电路组成的实用功放案例及相关的基 础知识 内容提要本章介绍分立元件电路必须用到的各种半导体二极管和双极型半导体三极管的特性参数的内涵 ; 介绍由二极管和三极管组成的常用单元电路的名称 组成 特点 功能及工作过程分析 ; 介绍由各种单元电路组成实用性 综合性电路的案例 ; 给出电子产品制作过程中的安装 焊接 调试的相关知识和实用技术, 为学生入门实训提供实用性 综合性的内容 方法和技术支撑 1.1 半导体二极管 半导体二极管是由一个 PN 结封装制成的器件, 二极管按所用材料的不同分硅管和锗管 ; 按结构分为点接触型 面接触型和平面型三类 点接触型二极管因结面积小, 不能通过较大电流, 但结电容小, 适宜在高频下工作, 常用于高频检波 变频, 有时也用作小电流整流, 常用的型号有 AP1 AP7; 面接触型因结面积较大, 允许通过较大的电流和具有较大的功率容量, 适用于作整流器件, 而结电容较大, 一般适用于在较低的频率下工作, 常用的型号有 P33 等 ; 平面型二极管采用光刻 扩散的工艺制成, 常用于数字电路 半导体二极管符号 特性 参数 1. 二极管的符号二极管是由 PN 结加相应的电极和管壳封装制成的, 如图 1.1(a) 所示,P 区的引出线称二极管的正极,N 区的引出线称二极管的负极 虽然二极管在材料和制造工艺上各不相同, 但在电路图中均可用图 1.1(b) 的电气符号来表示, 图中 ID 的箭头表示二极管导通时的电流方向 I D P N D (a) 结构示意图 (b) 符号图 1.1 二极管的结构和符号. 二极管的伏安特性二极管的伏安特性是指二极管两端的电压和流过二极管的电流的关系曲线, 它是二极管应用的理论根据 二极管的伏安特性可用逐点描法或用专用的晶体管特性图示仪直接测得 图 1. 所示为二极管的伏安特性曲线 现对该曲线进行分段说明 1

11 D B B A.7 IS D D 图 1. 二极管的伏安特性 (1) 正向特性 OA 段 : 常称 死区, 表示由于起始部分正向电压较小, 正向电流也非常小, 几乎为零,OA 段的电压称死区电压或门槛电压 U T, 其大小随管子的材料和温度的不同而改变, 一般取硅管为.5, 锗管为.1 AB 段 : 称为正向导通区, 表示外加电压越过死区电压后, 随着电压增大, 正向电流急速 增大, 二极管正常导通后管子两端的正向压降很小, 且几乎不随电流而改变, 一般取硅管为.7, 锗管为.3 () 反向特性 O 段 : 称为反向截止区, 表示反向电压增加时, 反向电流 I S 很小且几乎不变, 小功率硅管 I S 小于 1μA, 锗管 I S 为几微安到几十微安, 通常都可忽略, 但 I S 受温度影响大, 实验证明, 温度每升高 1 时,Is 将增大一倍 D 段 : 称为反向击穿区, 表示反向电压增大到超过某一值时, 反向电流急剧增大, 这一现象称为反向击穿, 反向击穿时所加的电压叫反向击穿电压, 记为 UB, 反向击穿电流过大会使普通二极管烧坏, 称为击穿短路 3. 二极管的主要参数电子器件的参数是其特性的定量描述, 也是实际工作中根据要求选用器件的主要依据 二极管的主要参数有以下几个 : (1) 最大整流电流 IF 指二极管长期安全应用时, 允许通过管子的最大正向平均电流 IF 的数值是由二极管允许的温升所限定的 使用时, 管子的平均电流不得超过此值, 否则, 二极管 PN 结将可能因过热而损坏 () 最大反向工作电压 U 指工作时加在二极管两端的反向电压不得超过此值, 为了留有余地, 手册上查到的 U 通常取反向击穿电压 UB 的一半 (3) 反向电流 IS 指在室温条件下, 二极管两端加上规定的反向电压时, 流过管子的反向电流值 IS 越小, 管子的单向导电性越好 值得注意的是,IS 受环境温度的影响大, 在使用二极管时, 要注意温度的影响 (4) 最高工作频率 fdm 指二极管在工作时可达到的最高的工作频率, 是因为二极管结电容 J 对交流电流有旁路作用 例如, 用于检波的二极管, 其结电容小, 则 fdm 较高 ; 而用于整流的二极管, 结电容较大,fDM 较低 (5) 直流电阻 D 和交流电阻 rd : 1 直流电阻 D 指二极管两端所加的电压 UD 与流过管子的直流电流 ID 之比值, 用式子表示, 即 U D D = I D 二极管两端所加正向电压 UD 和流过的直流电流 ID, 在二极管的伏安特性曲线上找到相应的一点 Q, 该点称为静态工作点 在图 1.3(a) 中,D 实际上是原点 O 与 Q 点连线的斜率的倒数, 从图中可以看出,Q 点位置越高, 斜率越大, 直流电阻越小, 二极管的正向直流电阻随着 ID 的增大而减小 而由于二极管的反向电流很小, 所以反向电阻很大 一般二极管的正向直流电阻约几十欧到几千欧之间, 反向直流电阻约为几十千欧到几百千欧 因此, 二极管的直流电阻具有非线性的特性, 所以在用万用表测二极管正向直流电阻时, 不同的欧姆挡测得的正向直流阻值是不同的 11

12 D D ID Q D Q UD D B IS D D (a) 二极管直流电阻 (b) 二极管交流电阻图 1.3 二极管的直流电阻和交流电阻 交流电阻 rd 二极管在工作点 Q 附近的电压微小变化量与相应的电流的微小变化量之 比值, 用式子表示为 r D Δ = Δ 由于正向电压与正向电流不是线性的关系, 不同的工作点具有不同的交流电阻 求 Q 点 的交流电阻时, 先在图 1.3(b) 中通过 Q 点对特性曲线做切线, 交流电阻是该切线斜率的倒数 可以看出, 在工作点 Q 处, 二极管的直流电阻大而交流电阻小 D D 1.1. 二极管单向导电特性应用电路介绍 1. 半波整流和桥式整流电路电子设备所需的直流电源, 除少数情况用化学电池外, 大部分都是由交流电网经整流 滤波 稳压后得到的 整流, 就是通过二极管的单向导电性的作用, 把交流电变成直流电的过程, 单相整流电路分半波整流电器路和桥式整流电路 (1) 半波整流电路 图 1.4(a) 所示为纯电阻负载的半波整流电路, 由交流变压器 T, 整流二极管 D 和负载电阻 L 组成 其中 1 表示电网电压, 表示变压器次级边电压 设 = U snωt, 由于二极管的单向导电性的作用, 当电源电压为正半周时, 二极管承受正向的电压而导通, 有电流流过负载, 负载上得到一个上正下负的电压, 当忽略二极管上的电压降时, 负载上的电压 L 等于电源变压器次级边的电压 ; 当电源电压为负半周时, 二极管承受反向电压而截止, 没有电流流过负载, 此时, 负载上的电压 L = 整流波形如图 1.4(b) 所示 由图 1.4 可以看出, 一个周期内负载上只有半个电压波形输出, 方向是单方向的, 大小却是变化的, 称脉动直流电压, 它的大小常用一个周期内的平均值来表示 T D 1 UL L O L t O t (a) 半波整流电路 (b) 半波整流输入输出的电压波形图 1.4 半波整流 () 桥式整流电路 图 1.5(a) 所示为桥式整流电路, 设电源变压器的次级边电压 = U snωt, 四只二极管接成电桥的形式, 当电源为正半周时, D1 D3 承受正向电压而导通, D D4 承受反向电压而截止, 导电通路为 a D1 L D3 b, 负载上 ; 当电源为负半周时, D D4 承受正向电压而导通, D1 D3 承受反 流过电流 D1, 3 向电压而截止, 导通回路为 b D L D4 a, 负载上流过电流 4 D,, 即一个周期内负载上都有电流流过, 且方向一致, L 为双半周波形 如图 1.5(b) 所示 1

13 D1 D t a D1,3 D,4 1 UL L L b D4 D3 D1,3 D,4 t (a) 桥式整流电路 图 1.5 桥式整流 (b) 桥式整流输入输出的电压波形. 二极管限幅电路二极管限幅电路及输入输出电压波形如图 1.6(a) 和 (b) 所示 t D1 D t (a) 二极管限幅电路 (b) 电路 (a) 的输入输出波形图 1.6 二极管限幅电路 3. 二极管钳位电路二极管钳位电路及输入输出电压波形如图 1.7(a) 和 (b) 所示 D 1 D t t (a) 二极管钳位电路 (b) 二极管钳位电路的输入输出电压波形图 1.7 二极管钳位电路 4. 利用二极管改变 充放电时间的电路 (1) 利用二极管减少 电路充电时间常数的电路及输入输出电压波形如图 1.8(a) 和 (b) 所示 13

14 D (a) 利用二极管减少充电时间的电路 (b) 图 (a) 所示电路的输入输出电压波形图 1.8 利用二极管减少 充电时间的电路及输入输出电压波形 () 利用二极管减少 电路放电时间的电路及输入输出电压波形如图 1.9(a) 和 (b) 所示 D (a) 利用二极管减少放电时间的电路 (b) 图 (a) 的输入输出电压波形图 1.9 利用二极管减少 放电时间的电路及输入输出电压波形 如何用万用表判别二极管的好坏和正负极根据二极管的单向导电性可知, 二极管的正向电阻小, 反向电阻大 利用这一点, 可以用万用表的电阻挡大致测量出二极管的好坏和正负极 1. 判别二极管的极性用万用表测量二极管的极性时, 如图 1.1 所示, 把万用表的开关置于 1K 或 1 挡 ( 注意调零 ), 各测二极管的正 反向电阻一次, 若测得阻值小的一次, 黑表笔 ( 接内电池的正极 ) 所接的一极为二极管的正极, 反之, 测得阻值大的一次, 红表笔 ( 接内电池负极 ) 所接的一极为二极管的正极 1K 红 黑 - 图 1.1 二极管极性的判别. 判别二极管性能的好坏在判别二极管的极性时, 若测得正反向的阻值相差越大, 表示二极管的单向导电性越好, 一般二极管的正向电阻约几千欧, 反向电阻约几百千欧 若测得二极管的正 反向电阻阻值相近, 表示二极管已坏 若测得二极管正 反向阻值很小或为零, 表示管子已被击穿, 两电极已短路 若测得正 反向阻值都很大, 则表明管子内部已断路, 不能再使用 特殊二极管符号 名称 功能介绍 14

15 1. 稳压管稳压管是用特殊工艺制成的特殊二极管, 它工作于反向击穿区, 具有稳压的功能 它的伏安特性曲线和电气符号如图 1.11 所示 DZ UDZ O IDZmn DZ DZ IDZmax (a) 稳压管的伏安特性曲线 (b) 稳压管的电气符号图 1.11 稳压管的伏安特性曲线和电气符号从特性曲线看, 稳压管与普通二极管极其相似, 只是稳压管的反向击穿特性曲线更陡, 当二极管反向击穿后, 流过管子的电流在很大的范围内变化时, 管子两端的电压基本不变, 起到稳压作用 稳压管的主要参数如下 : (1) 稳定电压 UDZ 即反向击穿电压 由于制造上的原因, 同一型号 同一批管子,UDZ 值并不完全一样, 有一定的离散性, 而且与温度和工作电流有关, 所以不是一个固定值 手册上查到的是一个范围, 例如 W13 的 UDZ, 其范围为 5~6.5 选用时应以实际测量结果为准 () 稳定电流 IDZ 稳压管正常工作时的电流值, 其范围在 IDZmn~IDZmax 之间,IDZ 较小时, 稳压效果不佳, 内阻较大 ;IDZ 过大时, 管子功耗也将增大, 超过管子允许值, 管子将不够安全 (3) 耗散功率 PM 管子所允许的最大功耗 PM=IDZmaxUDZ 管子功耗超过最大允许功耗时, 管子将产生热击穿而损坏 (4) 动态电阻 rdz 衡量管子稳压性能好坏的重要参数 r DZ Δ DZ = rdz 越小, 反映管子 Δ 在击穿段曲线越陡峭, 电压越稳定 ; 反之,rDZ 越大, 管子稳压性能越差 (5) 稳定电压的温度系数 K 指稳压管的特性受温度的影响, 即温度变化 1 所引起的稳 ΔU DZ 定电压的相对变化量, K = / Δ T (%/ ) UDZ<6 的稳压管为负温系数,UDZ>6 的稳 U DZ 压管为正温系数 而稳定电压在 6 左右的管子, 其温度系数最小 在使用中, 为提高稳定电压的温度稳定性, 常将正温系数的管子和负温系数的管子串联使用, 使其温度系数得到补偿 稳压管的应用电路如图 1.1 所示 DZ I IDZ IL U DZ L U - - 图 1.1 稳压管的应用电路图 1.1 为并联型稳压电路, 稳压管 DZ 与负载 L 并联, 为限流电阻, 该电阻使稳压管的电流工作在 IDZmn~IDZmax 的范围内, 同时起到调整电压的作用. 发光二极管发光二极管的发光机理是电致发光, 即通过电场或电流激发固体发光材料并使之发光辐射的现象, 是电能直接转换成光能的过程 发光二极管的符号和伏安特性曲线如图 1.13 所示 其伏安特性与普通二极管十分相似, 15

16 只是开启电压和正向特性的上升速率略有不同 发光二极管的开启电压取决于制作材料, 例如 GaAsP 红色 LED 约为 1.7 伏, 而 GaP 绿色 LED 则约为.3 伏 发光材料不同, 其波长也不同, 发出的光的颜色也不同 表 1.1 列出几种常见的发光二极管的主要参数 I F(mA) LED O U p() (a) 符号 (b) 伏安特性曲线 图 1.13 发光二极管 表 1.1 几种常见的发光二极管的主要参数 颜色 波长 (nm) 基本材料 正向电压 () 光强 (mcd) 光功率 (μw) 红外 9 GaAs 1.3~1.5 1~5 红 655 GaAsP 1.6~1.8.4~1 1~ 鲜红 635 GaAsP.~. ~4 5~1 黄 583 GaAsP.~. 1~3 3~8 绿 565 GaP.~.4.5~3 1.5~8 要使发光二极管发光, 就必须对其施加一定的驱动电流, 发光二极管是一种电流控制的 器件, 只要流过发光二极管的正向电流在所规定的范围之内, 它就可正常发光 基本的直流驱动电路如图 1.14 所示,LED 的工作电流由电源和限流电阻 来供给, 因而 必须合理选择 U 和, 使 LED 工作在额定的工作电流下 一般地, 若 U 一定, 则限流电阻可 以根据下式来确定 : U = 或中,UF 为额定工作电流下 LED 的正向压降,IF 为 LED 实际所须的正向工作电流 ( 可从手册中查到 ) U IF U 基本的直流驱动电路 I F F LED UF - 发光二极管常用于状态指示或高电平指示, 也用于数码管和点阵显示, 如数字钟 电子称 证券 交通指示等 详细的情况将在数字电路中介绍 3. 光敏二极管光敏二极管是将光信号转变为电信号的器件 它的工作原理是基于半导体中的光生伏特效应 光敏二极管在受到光照时, 若有外接电路连接在光敏二极管的两端, 便有光电流流过此外接电路, 即使没有外加偏压, 二极管自身也会产生一个光生电动势, 这种光电效应称为光生伏特效应 光敏二极管在反向电压下工作, 当不受光照时, 其反向电阻很大, 通过它的电流很小 当受到光的照射时, 反向电流显著增加, 该电流称光电流, 它的大小与光照的强度及波长有关 光敏二极管有光伏和光导两种模式 光伏模式不加偏压, 而光导模式则要加 16

17 反向偏压 图 1.15 为光敏二极管的符号和工作情况简单示意图 _ I L L (a) 符号 (b) 光导模式 (c) 光伏模式图 1.15 光电二极管的符号和工作情况简单示意图光敏二极管主要用于自动控制 触发器 光电耦合器等电路中, 作为光电转换器件 常用二极管型号参数选录点接触型二极管 面接触型二极管和硅稳压二极管的主要参数分别如表 1. 表 1.3 和表 1.4 所示 表 1. 点接触型二极管的主要参数 参数 最大整最高反最高工反向击穿电压正向电流反向电流极间电容流电流向电压作频率 () (ma) (μa) (pf) (ma) () (MHz) AP (I S =4 μ A) (U =1) AP 型 (U =1) (U =6) 号 5 AP (U =5) 4 1 AP3 15 (U F 1) 1 1 注 : 括号内的数据是测试条件 表 1.3 面接触型硅二极管的主要参数 参数 最高反最高反向工作电正向最大整流电流最高工作最大整流电流向电压压下的反向电流电流下的正向压降频率 (ma) () (μa) (ma) () (khz) P1 5~1 5 5(T=1 ) P16 5~1 3 5(T=1 ) 型 P 号 P44 1 5( ± 5 ) Z1 3 1 ma.8 3 注 : 括号内的数据是测试条件 表 1.4 硅稳压二极管的主要参数 参数 极限参数稳定电压稳定电流动态电阻电压温度系数耗散功率最大稳定电流 () (ma) (Ω) (%/ ) (mw) (ma) 型 W1 7~ 号 W 8~ W3 9~ W11 3.~ ~ W1 4~ ~ W13 5~ ~ DW7A 5.8~

18 DW7B 5.8~ 双极型半导体三极管 三极管半导体是一种具有放大作用的半导体器件, 分双极型晶体管和场效应管两大类 双极型晶体管由两种极性的载流子参与导电, 故称双极型晶体管 ; 而场效应管只由一种极性的载流子参与导电, 故场效应晶体管又称单极型晶体管 本节主要讨论双极型晶体管的结构 特性及应用电路 ( 以下介绍的三极管均指双极型半导体三极管, 即双极型晶体管 ) 1..1 三极管的结构 材料 极性和符号三极管是由两个 PN 结三层半导体组成的器件 三层半导体可以排成两种不同的组合, 如图 1.16(a) 所示 三层半导体分别称发射区 基区和集电区, 从各区引出的电极则称发射极 (e) 基极(b) 和集电极 (c), 发射区与基区之间的 PN 结称发射结 ; 基区和集电区之间的 PN 结则称集电结 三极管的电气符号如图 1.16(b) 所示, 带箭头的电极表示发射极, 箭头的方向表示发射极电流的实际方向 三极管的种类很多 根据材料可分为锗三极管 硅三极管 ; 根据 PN 结类型可分为 PNP 和 NPN 型三极管 ; 根据频率可分为高频管和低频管 ; 根据功率可分为大功率管和小功率管等 c 集电极 c 集电极 N 集电结 P 集电结 b 基极 P N 发射结 b 基极 N P 发射结 e 发射极 NPN 型 e 发射极 PNP 型 (a) 三极管结构示意图 NPN 型 PNP 型 (b) 三极管的电气符号图 1.16 三极管的结构 符号 1.. 三极管的三个电流及其控制关系三极管的基本功能是放大作用 要使三极管具有放大作用, 必须满足其外部条件, 即发射结加正向电压 ( 一般小于 1), 集电结加反向电压 ( 一般为几伏至几十伏 ) 在上述条件下, 三极管的三个电极电流如图 1.17 所示, 并具有如下关系 : (1)IE=IIB I ()I 比 IB 大得多, I B = β, 其值近似为常数, 称为三极管电流放大系数 18

19 c I b IB e IE 图 1.17 三极管内部电流分配关系 1..3 三极管的特性 三种工作状态 参数和检测三极管的特性曲线是指三极管的输入特性和输出特性 输入特性是指 UE 一定时, 输入电压 UBE 和输入电流 IB 的关系 ; 输出特性是指 IB 一定时,UE 和 I 的关系 输入特性和输出特性可以通过实测得到, 图 1.18 是 NPN 管输入特性和输出特性的实测电路 ma Ic IB c A B _ U BE _ U E cc UBB 图 1.18 三极管输入 输出特性的测试电路 1. 输入特性输入特性曲线是指 UE 为一定值时, 加在三极管的基极和发射极之间的电压 UBE 与它所产生的基极电流 IB 之间的关系, 用函数表达式表示为 I = f ( B U BE ) UE = 常数 用输入特性曲线表示如图 1.19 所示 其中 UE= 的曲线完全和二极管的伏安特性的正向特性一致 ; UE>1 的曲线是三极管工作在放大状态时的输入特性曲线, 因为三极管工作在放大状态时,UE>1 的条件一定是满足的 IB(A) U E = U E >1 U () BE 图 1.19 三极管的输入特性曲线. 输出特性输出特性曲线是指基极电流 IB 为一定值时, 输出回路中集电极和发射极之间的电压 UE 与集电极电流 I 的关系, 用函数关系式可表示为 19

20 I = f ( ) U E I B = 常数 用输出特性曲线表示如图 1. 所示 对输出特性曲线的分析如下 : (1) 当 UE= 时,I, 曲线过坐标原点 ()IB= 时, 在外加电压 UE 下,I=IEO (IEO 称为三极管的穿透电流 ) (3) 若 IB 为某固定值时, 在 UE 较小的时候, 随着 UE 的增大, 使 I 迅速增大, 即图中特性曲线的起始上升部分 当 UE 继续增大,I 不能继续增大而趋于平缓, 即图中特性曲线的平坦部分 在这一区域,UE 的变化很大而 I 的变化很小, 呈现一种动态电阻很大的恒流特性 此时,I=βIB,I 几乎和 UE 无关 I (ma) 3 1 I B=4A I B=A I B=A I B=6A 图 1. 三极管的输出特性曲线 (4) 当调整 IB 为不同的值时, 可得到一族曲线, 如图 1. 所示, 当 UE>1 以后, 随着 IB 的增大,I 也跟着增大, 体现了 IB 对 I 的控制作用, 因此, 三极管属于电流控制的电流源 除按图 1.18 逐点测量描绘出输入特性曲线和输出特性曲线的方法外, 通常, 输入特性曲 线和输出特性曲线也可以在专用的特性图示仪上测出 U () E 饱和区 I 放大区 IEO 截止区 I B =5μA I B = I B =15μA I B =1μA U E() 图 1.1 三极管的三种工作状态 3. 三极管的三种工作状态由三极管的输出特性曲线可以看出三极管工作时可分成三个工作区, 如图 1.1 所示, 中间线性的区域称放大区 该区域 UE 逐渐增加,I 变化很小, 特性曲线近似水平, 在此区域 I β IB 而由 IB= 与横轴所围成的小区域, 称截止区 图中 IB= 时,I=IEO,IEO 为管子的穿透电流, 一般较小, 但在高温下, 对于锗管该值较大 在特性曲线的起始部分,UE UBE( 饱和压降 ),I 随 UE 的变化上升很快, 因此, 在该区域, I βib, IB 对 I 失去控制作用, 此区域称饱和区 三极管的三种工作状态是指三极管工作在三个区域的状态 : 截止状态 放大状态和饱和状态 在图 1.1 中, 三极管工作在三种工作状态的特点及参数之间的关系如表 1.5 所示 表 1.5 三极管的三种工作状态的特点及参数之间的关系工作状态截止状态放大状态饱和状态发射结反偏发射结正偏发射结正偏条件集电结反偏集电结反偏集电结正偏

21 参数关系 I B = U E I I = β I B U E -I U I = U E 应用开关电路放大电路开关电路 β I B 三极管的三种工作状态的特点和参数之间的关系, 是检测放大电路中管子正常工作与否 的主要依据 4. 三极管的主要参数 (1) 电流放大系数 三极管的电流放大系数分直流电流放大系数和交流电流放大系数两 种, 用 β 和 β 表示 其中, 共射极直流电流放大系数为 β = ; 当三极管输入变化量时, 共射极交流电流放大系数为 β ΔI = Δ UE= ( 常数 ) IB I I B 15 1 I (ma) Q μa 15μA 1μA 5 5μA U () E 图 1. β 值的求法 β 的数值可以从输出特性曲线上求取, 也可以用测量仪测量 从特性曲线直接求 β 值的 方法如图 1. 所示, 在管子的放大区作一条 U E = 的直线, 在 Q 点附近, 可以看出, 当 I B 从 5μA 到 1μA 时,I 由 4.4mA 增加到 9mA, 所以 ΔI (9 4.4) 1 3 β = = 6 ΔI B (1 5) 1 =9 而 Q 点处的 I =9mA, I B =1μA, 所以 β = I I B 9 1 = =9 由上述可以看出,β 为 Q 点附近的 I 的变化量与 IB 的变化量之比, 因此在讨论小信号的 变化量时, 应选用 β 而 β 是表示 Q 点处的 I 与 IB 之比值, 在估算直流量的关系时, 采用 β 较合适 事实上, 在特性曲线近似平行等距并且 IEO 很小的情况下, 可以认为 β = β, 因此, 工程估算时常混用 电流放大系数并不是常数, 它的数值受许多因素影响 而且, 由于管子参数的离散性, 相同型号 同一批管子的 β 也有区别, 甚至同一个管子通过的电流不同, 或者环境温度的变 1

22 化都会使 β 值发生变化 () 极间反向电流 三极管的极间反向电流主要指集电结反向电流 IBO 和集电极 发射极间的穿透电流 IEO, 如图 1.3 所示 1IBO 定义为发射极开路, 在集电极和基极间加反向电压时, 流过集电结的电流 它的大小反映集电结质量的好坏,IBO 越小越好 在常温下, 小功率锗管为微安级, 小功率硅管为纳安级 IEO 定义为基极开路, 在集电极与发射极间加上一定反向电压时的集电极电流, 该电流 从集电区穿过基区到达发射区, 所以称穿透电流 IEO 比 IBO 大 (1 β ) 倍, 即 IEO=(1 β )IBO 穿透电流是反映管子质量的重要参数,IEO 越小越好 因此, 在选择管子时, 要兼顾 β 和 IEO 这两个参数 IBO - A - A cc I EO cc (a) 集电结反向电流 IBO (b) 穿透电流 IEO 1.3 三极管的极间反向电流 (3) 三极管的极限参数 三极管的极限参数就是当三极管正常工作时, 最大的电流 电压 功率等的数值, 它是三极管能够长期 安全使用的保证 1 集电极最大允许电流 IM 当集电极的电流过大时, 晶体管的电流放大系数 β 将下降, 1 一般把 β 下降到规定的允许值 ( 例如额定值的 ~ ) 时的集电极最大电流叫集电极最大允 3 许电流 使用中若 I>IM, 管子不一定立即损坏, 但性能将变坏 集电极 - 发射极间击穿电压 U(B)EO 基极开路时, 加于集电极和发射极间的反向电压逐 渐增大, 当增大到某一电压值 U(B)EO 时开始击穿, 其 U(B)EO 叫集电极 - 发射极间击穿电压 当 温度上升时, 击穿电压要下降, 所以工作电压要选得比击穿电压小很多, 一般选击穿电压的一半, 以保证有一定的安全系数 3 集电极最大允许耗散功率 PM 由于集电结是反向连接的, 电阻很大, 通过电流 I 后会产生热量, 使集电结温度上升 根据管子工作时允许的集电结最高温度 TJ( 锗管为 7, 硅管可达 15 ), 从而定出集电极的最大允许耗散功率 PM, 使用时应满足 P=UEI<PM, 否则管子将因发热而损坏 根据 PM 的值, 在输出特性上画出一条 PM 线, 称允许管耗线 如图 1-4 所示, 管耗线的左下方范围内是安全区, 而在 PM 线的右上方, 即 P > PM 区, 称为过损耗区, 使用时,P 不允许超过最大功耗 PM

23 I IM PM 8A 过损耗区 6A 4A 安全区 A A 图 1.4 三极管的最大功耗区 UE U(B)EO 5. 三极管的检测 (1) 管脚的判别 : 1 判别基极 选择万用表 1K 或 1 档 ( 注意调零 ), 先假定一个管脚为基极并把红表笔接在该管脚上 ( 如图 1.5 所示 ), 用黑表笔分别接另外两个管脚, 测得两个阻值, 如果阻值一大一小, 则所假设的不是基极, 应重新假设另一管脚, 直到所测两个阻值同大 ( 或同小 ), 将表笔对换, 再测一次, 阻值将变为同小 ( 或同大 ), 这时, 所假设的管脚即为基极 在此基础上, 还可判定管子是 NPN 型还是 PNP 型 : 若两阻值同大时, 即 NPN 型 ( 红表笔接基极 ); 若两阻值同小时, 即 PNP 型 ( 红表笔接基极 ) 1K 红 黑 - 图 1.5 基极的判别 判别发射极和集电极 若管子为 NPN 型管, 已知基极后, 剩下两个电极, 假定一个管脚为集电极, 用黑表笔接在该管脚上 ( 如图 1.6 所示 ), 红表笔接另一管脚, 再在所假设的集电极和基极之间加 1kΩ 的电阻, 这时, 万用表测得的电阻阻值将变小, 将两个要判别的管脚对换, 用同样的方法再测一次, 阻值变小幅度大的一次, 则黑表笔所接的管脚为集电极 ; 若管子为 PNP 型, 则应调换表笔 1kΩ NPN 管 1K 红 黑 - 3

24 1.6 发射极和集电极的判别 () 管子性能的判别 : 1PN 结的好坏 检查正 反向电阻, 方法略 测穿透电流 如图 1.7 所示 ( 若是 PNP 型管则应调换表笔 ), 阻值应在几十千欧 ( 低频管可低些 ), 若阻值太小, 则说明穿透电流大, 性能不好 ; 若阻值慢慢变小, 说明管子性能不稳定 1K - NPN 管 黑 红 图 1.7 测穿透电流 3β 值的检测 在万用表的面板上, 一般都有可供测 β 的测孔, 当对 β 值要求不是很高 时, 用万用表进行测量即可 1..4 三极管的三种组态三极管是分立元件放大电路的核心元件, 三极管在放大电路中有三种接法, 又称三种组态, 图 1.8 是三极管在放大电路中三种接法的示意图 (a) 共射接法 (b) 共集接法 (c) 共基接法图 1.8 三极管在放大电路中的三种接法所谓共射接法是指由三极管组成的两输入输出端口电路中, 发射极是输入输出端口的公共极 ; 共集接法是指集电极是输入输出的公共极 ; 共基接法是指基极是输入输出端口的公共极 在由电阻 电容 三极管组成的实际电路中, 共射 共集 共基是对交流信号而言的, 因此要把实际电路中的电容和直流电源视为短路, 找出输入输出端口的公共极, 图 1.9 是实际共射 共集 共基三种组态电路图 B c cc B c B1 c b cc b e b E e cc B B e E (a) 共射接法 (b) 共集接法 (c) 共基接法 图 1.9 三极管的三种组态电路 1..5 基本共射电路的组成及工作过程分析 4

25 1. 基本共射电路的组成 cc B Ic 1 S IB L US 图 1.3 基本共射放大电路基本共射放大电路的原理图如图 1.3 所示 它是放大电路的最基本的结构形式, 输入信号在基极和发射极间输入, 输出信号在集电极和发射极间取出, 发射极作为输入信号和输出信号的公共端, 故称共发射极电路 图中直流电源 是整个电路的能量来源, 也是保证三极管工作于放大状态的基本条件 ; 基极偏置电阻 B, 一方面使电源给发射结加正向电压, 另一方面给三极管提供合适偏流 IB; 集电极负载电阻, 一方面使电源给集电结加反向偏压, 另一方面把三极管的电流放大转换成电压放大 ; 电容 1 为耦合隔直电容, 它使交流信号顺利通过, 同时隔断直流电源对信号源和负载电阻的影响 L 是放大电路的负载电阻. 共射电路的工作过程分析 cc B BE B c E A 1 B O t t t t cc B U BE UBEQ IB IBQ I c IQ UE UEQ t t t t b c B _ t _ t _ t _ t (a) (b) (c) (d) (e) 图 1.31 共射电路的工作过程分析上述基本共射电路中, 直流电源和交流信号共同作用, 在分析其工作过程时, 可以把直流电源和交流信号分开单独分析 (1) 静态工作情况 直流电源单独作用 输入交流信号为 时的工作状态叫静态 为了使放大电路能够正常工作, 在静态时三极管的发射结必须处于正偏, 集电结必须处于反偏 此时, 在电源 作用下, 三极管各极的直流电压 直流电流分别为 U BEQ U EQ I BQ I Q, 如图 1.31 所示的波形 () 动态工作情况 放大电路有交流信号输入时的工作状态叫动态 动态工作情况下的各极电压 电流是在直流量的基础上脉动的 它们的动态波形都是一个直流量和一个交流量的合成, 即交流量驮载在直流量上, 信号的放大过程如下 : 交流信号 经电容器 1 加到三极管 的发射结, 使 b-e 两极间的电压随之发生变化, 即 5

26 在基极直流电压的基础上叠加了一个交流电压, 波形如图 1.31(b) 所示 由于发射结工作于正偏状态, 正向电压的微小变化量, 都会引起正向电流的较大变化, 此时的基极电流 B 也是在直流 IB 的基础上迭加一个交流量 b, 如图 1.31(c) 所示 由于三极管的电流放大作用, 将随着 B 做线性放大, 集电极电流也可看做是直流的电 流 I= β IB 上叠加交流的电流 = β b, 如图 1.31(d) 所示 显然, 当脉动电流通过集电极电阻 时, 由于 的变化, 引起 上压降的变化, 从而造 成管压降的变化, 这是因为集电极电阻 和三极管 串联后接在直流电源上, 当集电极电流 的瞬时值 增大时, 集电极电阻 的压降 也将增大, 因而三极管的压降将减小, 波形中 的脉动 ce 同样也可以看做是直流压降 UEQ 和交流压降 ce 的叠加, 如图 1.31(e) 所示 最后, 集电极输出的交流量经过耦合电容 送到输出端, 电容 将隔去信号中的直流成 分, 而输出端将得到放大了的交流信号电压 输出 从上面的分析可以得出如下结论 : 1 放大电路要正常工作, 必须给三极管提供合适的静态电压和电流值, 即合适的静态工作点 信号在放大过程中, 其频率不变 3 交流信号的输入和输出波形的极性相反, 或者说, 共射放大电路具有反相的作用 1..6 三极管放大电路的静态工作点三极管放大电路的静态工作点是指没有信号输入, 只在直流电源的作用下, 三极管各极的直流电压和直流电流的数值, 因为这些数值在输入输出特性上表现为一点, 故称静态工作点 cc B IQ IBQ UEQ 图 1.3 共射放大电路的直流通路静态工作点是信号的驮载工具, 它保证交流信号能够顺利地不失真地通过三极管进行放大 为了确定静态工作点, 可以先画出直流通路, 即直流电源单独作用时的直流电流通过的路径 电容对直流信号表现出很大的阻抗, 相当于开路, 图 1.3 画出共射放大电路的直流通路 由图 1.3 知, 计算静态值 IBQ IQ UEQ 的公式如下 I BQ I Q =.7 = β I BQ B B U EQ = -I Q 根据以上各式, 可以估算出放大电路的静态工作点 静态工作点选取不合适, 将使波形产生严重失真 如图 1.33 所示 如果静态工作点选择太低, 如图中 Q1, 因为工作点靠近截止区, 将使 的负半周 E 的正半周顶部被削去, 产生截止失真 如果静态工作点选择位置太高, 如图中 Q, 因为工作点靠近饱和区, 从而使 的正半周和 E 的负半周被削去一部分, 产生饱和失真 同理, 若信号太大, 超出三极管放大线性区域, 和 E 的两个半周的顶部都 6

27 被削去一部分, 这种失真称双向限幅失真 截止失真 饱和失真 双向限幅失真通称为非线性失真 由此可见, 若三极管的静态工作点取在如图 1.33 所示的 Q 处, 可获得最大不失真的输出信号 在实际使用时, 工作点选取的原则是能低则低, 以不失真为前提, 这样可省电, 并减小热噪声 B Q Q B Q1 ce 饱和失真 ce E 截止失真 双向限幅失真 图 1.33 静态工作点对波形的影响 1..7 放大器性能参数及对放大器性能的影响放大器的质量常用一些性能参数来评价, 主要的性能参数包括 A r r fl fh 和 fbw 等 1. 电压放大倍数 A 电压放大倍数是表示放大电路对电压放大能力的参数, 它定义为输出波形不失真时输出电压与输入电压的比值, 即 A = 其中 和 为输出电压和输入电压的有效值, 若考虑其附加相移时, 则应用复数值来表示 有时, 放大倍数也可用 分贝 来表示, 给放大倍数取自然对数再乘以 倍, 即为放大倍数的分贝值 A (db)=lga 当输入电压大于输出电压时, 叫衰减,dB 取负值 ; 当输入电压小于输出电压时, 叫增益,dB 取正值 ; 当输入电压等于输出电压时,dB 为 对于放大器来说, 当然要求有高的电压增益. 输入电阻 r 放大器对于信号源来说, 它是信号源的负载, 而对于负载来说, 它又是负载的信号源, 于是, 放大器可用如图 1.34 的模型来等效它 7

28 放大器 S r r L S 图 1.34 放大器的等效模型输入电阻即从放大器的输入端看进去的交流等效电阻, 也即信号源的负载电阻 r, 如图 1.34 所示, 输入电阻为 : r = 图中 s 为信号源信号电压,s 为信号源内阻, 为输给放大器的信号电压, 其大小为 : = S r S r 由上式可知,r 越大, 放大电路从信号源获得的信号电压越大, 同时从信号源获取的信 号电流 越小, 所以, 在放大电路中一般要求 r 越大越好 3. 输出电阻 r 输出电阻是从放大器的输出端看进去的交流等效电阻 r 输出电阻定义为输入端短路, 此时 =, 输出开路即 L=, 在输出端加信号, 从输出端流进放大器的电流为 则输出电阻为 : r = 一般地, 输出电阻常通过工程的方法进行测量, 即测出放大器输出端的开路电压 和负载电压, 如图 1.34 所示, 则放大器的输出电阻为 : O = r 输出电阻是衡量放大器带负载能力的性能参数,r 越小, 输出电压 随负载电阻 L 的变化就越小, 即输出电压越稳定, 带负载的能力越强 所以, 通常要求放大器的输出电阻越小越好 O L 4. 通频带 fbw 由于放大器存在电抗元件 ( 如图 1.36 中的耦合电容 1, 旁路电容 E 等 ) 及三极管的极间电容等, 随着信号频率的不同, 容抗也跟着变化, 在中频一段频率范围内, 这些电容的容抗都可忽略不计, 所以, 中频放大倍数基本不变, 而当信号频率过低, 容抗将大大地增大, 耦合电容和旁路电容与输入电阻是串联的关系, 它们的阻抗不能忽略, 它们将分去一部分的信号电压, 从而使电压放大倍数下降 ; 同理, 当信号频率过高时, 由于分布电容 ( 极间电容和线路分布电容等 ) 与输入输出电阻是并联的关系, 这时, 分布电容的容抗就不可忽略, 它们的容抗对输入输出电阻就有影响, 因而将分去一部分的信号电流, 从而使放大器的放大倍数大大下降 8

29 所示 放大倍数随频率变化称频率响应, 仅讨论幅值, 不考虑相移时称幅频特性, 如图 1.35 A.77A m m A f BW fl f H f 图 1.35 放大电路的频率特性当放大器的放大倍数随频率下降到中频时的.77 倍时, 它对应的两个频率分别为上限 截止频率 fh 与下限截止频率 fl,fh 与 fl 之差则称放大电路的通频带 fbw, 如图 1.35 所示 由于电子电路的信号频率往往不是单一的, 而是在一段频率的范围内, 例如广播中的音 频信号, 其频率范围通常在几十赫到几十千赫之间, 所以, 要使放大信号不失真, 放大电路的通频带要求足够大 如果太小, 就会造成一部分频率的信号放大得大些, 一部分放大得小些而产生失真, 这种失真称为频率失真又称为线性失真 1..8 常用三极管单元电路介绍三极管构成的放大电路有很多形式, 下面介绍常用的单元电路的电路结构 电路特点 1. 分压式偏置共发射极放大电路 cc B1 I1 IQ B 1 B I I BQ E E L 图 1.36 分压式偏置电路 (1) 分压式偏置共射电路的静态工作点 图 1.36 所示为分压式偏置共射放大电路 该电路 与前节所述基本共射电路相比, 不同在于基极的偏置采用电阻 B1 和 B 的分压形式, 而且 发射极接一个反馈电阻 E, 该电路能够稳定其静态工作点 由实践可知, 三极管的参数 ( 包 括穿透电流 I EO 电流放大系数 β 发射结的正向压降 U BE 等 ) 都会随着环境温度的改变而发 生变化, 从而使已设置好的静态工作点 Q 发生较大的移动, 严重时将使波形产生失真, 如图 1.37 所示 c c 8A 6A 6A Q 4A Q 4A IQ A IQ A T= A E T=6 A E 9

30 T= 图 1.37 T=6 温度对静态工作点的影响 环境温度 T 上升时, β 及 IEO 都会随之上升, 整个输出特性的曲线族将上移, 曲线间隔加宽, 在相同的偏流 IB 的情况下,I 增大, 因而静态工作点 Q 将上移, 波形产生饱和失真 分压式偏置电路从两个方面稳定静态工作点 1 利用电阻固定基极电位 UB 设流过电阻 B1 和 B 的电流分别是 I1 和 I, 显然 I1=IIBQ, 由于一般 IBQ 较小, 只要合理选择参数, 使 I1>>IBQ, 即可认为 I1 I, 这样, 基极电位为 U B = 该式子表示 UB 只与 和电阻 B1 B 有关, 它们受温度的影响小, 可认为固定值不随温度的变化而变化 利用发射极电阻 E 起负反馈作用, 实现静态工作点的稳定 其稳定静态工作点的过程如下 : T IQ UEQ UBEQ IBQ IQ 如果合理选择参数, 使 UB>>UBE, 则有 : I Q UB.7 U IEQ = E B E 上式说明 IQ 是稳定的, 它只与固定电压和电阻有关, 和 β 无关, 同时在更换管子时, 不会改变原先已调好的静态工作点 () 分压式偏置共射电路的 A r 的计算式如下 : A β ( // ) 6m [ r 3 (1 ) ] r I ( ma) L = = 式中 BE Ω β BE B1 B B EQ r = // // r B1 B BE r A r 计算式的推导, 读者可参考 1..1 节. 分压式偏置改进型共射电路分压式偏置改进型共射电路如图 1.38 所示 cc B1 B 1 L B E1 E E 图 1.38 分压式偏置改进型共射电路 3

31 (1) 静态工作点计算式如下 : cc U B = B B1 B U -.7 B I EQ = E1 E I Q I EQ I BQ I = β Q UEQ -I Q( E1 E) ()A r r 的计算 β( // L) A = =- r (1β) BE E1 r = B1// B//[r BE (1 β) E1] r 该电路和图 1.36 比较,A 减小了,r 增大了 3. 共集电极放大电路 (1) 基本共集电极放大电路如图 1.39 所示 cc B 1 S S E L 静态工作点的计算式为 : I BQ.7 = (1 β) B E 图 1.39 基本共集电极放大电路 I Q = βi BQ UEQ = IQE r r 的计算式为 : (1 β)( // ) E L A = = 1 r BE (1 β)( E // L) 31

32 r = B//[r BE (1 β)( E // L)] r // = r // r 1 β β S B BE BE E () 分压式偏置的共集电极放大电路如图 1.4 所示 cc B1 1 S B B E L S 图 1.4 分压式偏置的共集电极放大电路静态工作点的计算式为 : U B = B1 B B I I Q BQ UB.7 IEQ = I = β Q E UEQ = IQ E A r r 的计算式为 : (1 β)( // ) E L A = = 1 r BE (1 β)( E // L) r = B1// B//[r BE (1 β)( E // L)] ( // // ) r r r = E // 1 β β S B1 B BE BE 基本共集电极放大电路和分压式偏置的共集电极放大电路的区别在于基本共集电极放大 电路的静态工作点 IQ 和 β 有关, 在更换不同 β 管子后需要重新调整 IQ, 而分压式偏置的 共集电极电路的静态工作点 IQ 和 β 无关, 更换不同 β 的管子后, 不需要重新调整工作点 不管是那一种共集电极放大电路, 它们的共同特点是 : 1 输入信号和输出信号相位一致 ; 输入电阻大, 输出电阻小, 因此能有效地接收信号源的输入信号, 又有利于把输出信号传送给负载 ; 3 放大倍数小于 1 而近似等于 1, 因此共集电极电路又称电压跟随器, 或称射极跟随器 4. 共基极放大电路 3

33 最常见的共基极放大电路如图 1.41 所示 cc B1 B B B 1 E L 图 1.41 共基极放大电路共基极放大电路静态工作点的计算式和分压式偏置的共射极放大电路完全一致 共基极放大电路的 A r r 的计算式为 : A // =β r r BE r = β BE L r = 共基极放大电路的输入和输出同相位, 放大倍数的绝对大小和共射极放大电路一致, 输出电阻也是和共射极放大电路一致, 输入电阻很小 但它的频带较宽, 在高频放大电路中常被采用 5. 差分放大电路 (1) 差动放大器的结构 由两个性能一致的单管放大器加上一个长尾 E 或恒流源组成了差动放大电路, 图 1.4 是两种结构的电路图 cc cc S1 E S S1 S S1 S S1 I S -cc -cc (a) 长尾式差动放大器 (b) 恒流源差动放大器图 1.4 差动放大器的两种结构 () 差动放大电路的四种输入输出方式 差动放大器的四种输入输出方式如图 1.43 所示 33

34 cc cc 1 1 L L 1 1 S1 S S1 S E E S1 S S1 -cc (a) 双端输入 双端输出 -cc (b) 单端输入 双端输出 cc cc S1 S L S1 S L E E S1 S S1 -cc -cc (c) 双端输入 单端输出 (d) 单端输入 单端输出图 1.43 差动放大电路四种输入输出方式其中双端输入又分三种情况 : 其一是净差模输入, 即 S1 和 S 大小相同, 相位相反 ; 其 二是净共模输入, 即 S1 和 S 大小相同, 相位一致 ; 其三是双端输入信号中既有共模信号成 分, 也有差模信号成分, 在这种输入情况下, 若双端输入的两个信号为 S1 和 S, 则其中差 模信号成分 SD=(S1-S)/, 共模信号成分为 S=(S1S)/ 四种输入输出方式中, 最常用的是双入双出和单入单出 (3) 以长尾式差动电路为例, 计算静态工作点 在图 1.44 中, 由于 I BQ1 I BQ 很小, 所以可认为 U B1 =U B cc 1 I Q1 IQ IBQ1 UB1 S1 1 UB S IBQ E IEQ 图 1.44 长尾式差动放大器的静态工作点当 >>UBE 时,UE=IEQE=, 因为两个单管放大器对称, 且性能一致, 即 1 1 IQ1 = IQ = IEQ = E -cc I Q1 I BQ1 = I BQ = = β 1 I Q β UEQ1=UEQ=-IQ11, (4) 差分放大器的质量指标 差分放大器的质量指标包括 : 差模放大倍数 A d 共模放大 34

35 倍数 A c 输入电阻 r 共模抑制比 K 双端输入 双端输出的质量指标为 : A d d M =, K MD(dB) = lg Ac A c A A d 1 β( // L) = r S BE A c = r = S r BE r = KM 理想 = K M (db) 实际 1dB 长尾式单端输入 单端输出的质量指标为 : A d β( // L) = ( r ) S BE A c β( // L) ( // L) = r (1 β) S BE E E r = (S r BE) r = K M β( // L) (S r BE) β E = = // r L S BE E 差动放大电路对差模信号的放大能力几乎和普通共射电路一样, 而对共模信号具有很强的抑制能力 而差模信号正是需要放大的有用信号, 电源电压的波动所引起的集电极电压的变化 由温度变化所引起的集电极电流的变化和外界相关的干扰信号, 都属于差动放大电路的共模信号, 差动放大器对这些有害的共模信号具有很强的抑制作用, 这是差动放大电路特有的优点 差动放大电路通常作为运算放大器的输入级 6. 互补对称功放电路功率放大器的主要功能是为负载提供不失真的足够大的输出功率, 即同时要求输出大幅度的电压和大幅度的电流 功率放大设备常由多级放大器组成, 包括输入级 中间级和末级等 而末级 ( 输出级 ) 即为功率放大器 由于功率放大器在大信号下工作, 因此, 对于功率放大器有一些特殊的要求 : (1) 输出尽可能大的功率 为了输出尽可能大的功率, 即在负载上得到尽可能大的信号电压与信号电流, 因而三极管需运行在放大区接近极限的工作状态 ; 同时为了保证管子的安全, 工作时, 集电极电流的最大值 I 应小于三极管集电极的最大允许电流 I M, 集电极电压 U E 应小于三极管的集电极 - 发射极的击穿电压 U (B)EO, 集电极的功率损耗 P 应小于三极管的 35

36 允许耗散功率 P M () 转换效率尽可能高 放大电路实际上是一种能量转换电路 功率放大器的转换效率是指输出交流信号功率 P O 与直流电源供给功率 P E 之比, 即 PO η = 1% P (3) 非线性失真尽可能小 功率放大器由于是在大信号下工作, 电压和电流的变化幅度大, 可能超出三极管的特性曲线的线性范围, 容易产生非线性失真, 为了防止输入信号太大而出现限幅失真, 通常功率放大器上配有指示幅度大小的幅度电平指示灯 (4) 三极管的散热问题 直流电源发出的功率中有一部分转换成有用的信号输出, 其余部分则损耗在三极管集电结的发热上, 效率越低, 三极管的发热量越大, 对管子的安全的威胁越大, 所以, 在实际应用中, 除了选用较大的 P M 值的三极管外, 还应在大功率管上安装散热器, 或改善通风条件, 如安装风扇等 低频功率放大器, 根据工作状态的不同, 可分为甲类 乙类和甲乙类三种 放大器的工作状态由三极管的静态工作点的设置决定 甲类功放的最高效率只有 5%, 而乙类功放的效率则可达 78.5% 下面要讨论的是互补对称功率放大器 E cc cc 1 1 L L -cc (a) OL 电路 (b) OTL 电路图 1.45 互补对称功率放大电路图 1.45 所示为互补对称功放电路 由于三极管工作在乙类, 故采用两个类型不同的三极管, 一个 NPN 型, 另一个为 PNP 型, 称为互补, 并且要求两个管子的参数一致, 即为对称 (a) 图为无输出电容的互补对称功放电路 ( 简称 OL 电路 ),(b) 图为无输出变压器的单电源互补对称功放电路 ( 简称 OTL 电路 ) (5)OL 电路 : 1 工作原理 由图 1.46(a) (b) (c) 可知, 静态时,=, 因两只管子的基极都未加直流偏置电压, 两只管子都不导通, 静态电流为零, 电源不消耗功率 输入正弦交流电时, 当 为正半周时, 1 导通, 截止, 负载有电流 1 流过 ; 当 为负半周时, 导通, 1 截止, 负载有电流 流过, 也就是说, 在一个周期内, 1 轮流导通, 负载上获得一个完整的正弦波 cc cc cc = 1 = L t 1 I1 t L t 1 I t L -cc -cc -cc (a)=,= (b) 正半周 1 导通 截止 (c) 负半周 1 截止 导通图 1.46 OL 电路工作过程示意图 36

37 电路不管是正半周 1 工作还是负半周 工作, 在工作时均为电压跟随器, 所以电路的输出电阻很小, 能有效地向负载提供功率 有关参数计算 : 输出功率 P : U I 1 1 U P = U I = = I U =, P P P P P L 其中 I U 为有效值,U P I P 为正弦波的幅值 当 U P =U Pmax 时 1 P = PM = 管耗功率 P T, 对电路某一管子而言, 在一个周期内, 半个周期截止, 管耗为, 半个周期导通, 导通时的管耗为 : 1 π P T1 = ( ) d( ωt) π L 1 U snωt 1 U U = ( U sn ωt) d( ω t) = ( ) π P P P P π L L π 4 UP UP PT = PT1 P T = ( ), π 4 当 U P =U Pmax 时 L L P T UP= (4 π) = π L, 直流电源 ± 提供的功率为 : 当 U P =U Pmax 时, P D =P P T P D = π L 在 UP 时, 功放的效率为 : 1 P max L η= = = PDmax π 下面求管子的最大功耗 PTM L 78.5%, UP UP 由 P T = ( ) 知 P T 的最大值和 U P 有关, 根据求极值的方法可求出当 π 4 P T =P TM 时的 U P 的值 L 37

38 UP UP d( ) dpt 令 π 4 = =, 可求得 P = d d π P P 时,P T =P TM, 所以 P 1 = π TM L, P 由 P TM M 1 π L =. 知, 当功放输出最大功率为 P M 时, 最大管耗为 P M 的. 倍 1 L 3 零偏压状态下 OL 的交越失真及消除方法 零偏压状态下的 OL 电路及输入输出电压 波形如图 1.47(a) (b) 所示 c1 cc () B1 b1 e t B b e c -cc L () 交越失真 (a) 零偏压状态下的 OL 电路 (b) 图 (a) 的输入输出波形图 1.47 零偏压状态下的 OL 电路及交越失真由图 1.47(a) 知, 静态时 B1E1 = BE =, 即 1 处于零偏压状态 当 在 ~.5 期间, B1 =, 1 =, 所以 =; 当 在 ~-.5 期间, B =, =, 所以 = 由此可知, 当 为一个周期的标准正弦信号时, 在由正到负交越时间轴处产生了失真, 这种失真称交越失真 由于交越失真是因 1 零偏压造成的, 消除方法就是让 1 在静态时给一个约.6 的偏压, 使 1 在静态时处于微导通状态, 这样 就会完全跟随 而变化, 从而消除交 越失真 图 1.48(a) (b) 就是给 1 一个.6 左右偏压的具体电路 *.6 1 b1 b -.6 * c1 e 1 e c 1 -cc cc (a) 由 1 D1 D 通路给 1 偏压 D1 D L * B B1 E1 b1 D1 D 1 b.6 e 1 c E1 c e 3 -cc cc (b) 由 1 组成的共射电路给 3 提供偏压 图 1.48 消除交越失真的方法 (6)OTL 电路 互补对称电路也可以采用单电源供电, 如图 1.45(b) 所示, 但这时负载 L 必须采用耦合电容, 电容 的容量一般选择比较大, 这样, 除了有较好的低频特性外, 由 于两管的连接端 A 的直流电位为, 电容 上也将充电至, 当信号使 1 截止时, 的电流不能依靠 cc 供给, 而是通过 的放电来提供, 也就是说, 既是耦合隔直电容, 又 L t 38

39 是直流电源 静态时, 由于电路上下对称,A 点电位为, 负载上无电流流过, 电容被充电至, 极性为左正右负 而且因为 = 时, 两管基极无直流偏置,I B =, 故电路工作于乙类状态 输入正弦交流电时, 当 为正半周时, 1 导通, 截止, 负载上有电流 1 流过, 在负 载上得到上正下负的正半周信号 ; 输出电压的最大值为 ; 当 为负半周时, 1 截止, 导通, 有 电流流过负载, 此时为电容 通过 对负载放电, 负载上获得的最大电压值 也为 由此可见, 采用一个电源的互补对称电路, 其工作原理与双电源供电的 OL 电路相似, 只是由于每个管子的工作电压不是原来的 cc, 而是, 所以前面导出的公式 P M P D η 和 P TM 要加以修正, 即把原来的 cc 改变为 即可 ; 同样地, 该电路也会产生交越失真, 也可以通过加偏置电压的方法消除 7. 用复合管组成的实用功放电路在互补对称功率放大电路中, 要找到两只性能完全一致的 NPN 和 PNP 两种型号大功率管是十分困难的, 如果要找两只性能完全相同的同型号的大功率管则会容易得多 同时为了减小前级的驱动电路, 实用功放一般采用复合管作为功放管 (1) 复合管 复合管的连接原则是 : 各管的电流流向一致 图 1.49 是相同型号管子的复合 c b 1 b c e e e e b 1 b c c 图 1.49 相同型号管子的复合相同型号管子复合后的型号仍然是该型号, 复合后管子的电流放大系数为 : β β1β 不同型号管子复合后的型号与第一只管子相同, 如图 1.5 所示, 复合管的电流放大系数 39

40 β 也近似等于两只管子电流放大系数的乘积 e e b 1 c b c e e c b 1 c b e e 图 1.5 不同型号管子的复合如图 1.51 所示为用复合管组成的实用功放电路 图中 1 组成一个差动放大电路 3 为推动级, 4 6 和 5 7 复合后分别等效成 NPN 型管和 PNP 型管, 组成复合互补对 称电路 当 = 时, 应通过调整静态工作点, 得到 = cc * D K 1 L 1 3 D 图 1.51 复合管组成的功放电路 -cc 当 为正半周时, 1 集电极电压为负半周, 经 3 放大后, 又成为正半周, 使 4 6 导通, 再经过 L 和 形成通路 ; 当 为负半周时, 经 3 放大后, 5 7 导通, 再经过 L 和 - 形成通路 所以, 变化一周时, L 上可得到放大了的全波信号 输出端 K 点通 过一个电阻 6 和差动放大器 基极连接, 不仅为 提供合适的工作点, 也引入了电压串联 4

41 负反馈 ( 负反馈的内容详见下一章 ) 整个电路的电压放大倍数 A 1 6 f = 多级电压放大器几种耦合方式为了获得较高的电压增益, 可以把若干个单级放大电路连接起来, 构成多级放大器 在多级放大器中, 各级间的连接方式称为耦合方式 常用的耦合方式有阻容耦合 直接耦合和变压器耦合 1. 阻容耦合放大电路图 1.5 是由两级分压式偏置电路组成的阻容耦合多级电压放大器 阻容耦合放大电路的特点是各级静态工作点互相独立 cc B1 1 B L B E1 E1 E B E 图 1.5 两级阻容耦合放大电路. 直接耦合放大电路图 1.53 是共集 共射直接耦合多级电压放大器 cc B B E1 E1 L E E 图 1.53 直接耦合放大电路直接耦合的多级电压放大电路各级的静态工作点互相不独立, 图 1.53 中 1 的静态工作点中的 I Q 计算方法如下 : U I B1 Q1 = B1 B B UB.7 IEQ1 = E1 41

42 I Q UB1.7.7 IEQ = E1 E 3. 变压器耦合放大电路图 1.54 是常见的变压器耦合放大电路 cc T T1 B1 L B B1 E1 E1 B E E E3 图 1.54 变压器耦合放大电路 N N 1 L L' 图 1.55 变压器实现阻抗匹配变压器原 副边之间具有隔直耦合作用, 和阻容耦合一样, 变压器耦合电路中各级的静态工作也是独立的, 变压器除有隔直耦合作用外, 同时具有阻抗变换作用 如图 1.55 所示, 若变压器的原边匝数为 N1, 副边匝数为 N, 变压器的变比为 k, 则变压器原副边电流 电压与匝数之间有如下关系 : 所以, 从原边看进去的等效电阻为 : U U 1 N1 = N = k I1 N 1 = = I N k U = ' 1 L L I1 合理地选择变压器的匝数比, 可以得到所需的等效电阻值 缺点是变压器体积大, 重量重, 一般只用于需要进行阻抗变换的大功率的功率放大电路中 *1..1 图解分析法和微变等效电路法介绍放大电路的基本分析方法除了有近似估算法 实验测量法外, 图解分析法和微变等效电路法是分析放大电路性能的基本方法 1 = k 1. 图解分析法所谓图解分析法, 就是利用晶体管的伏安特性曲线, 通过作图的方法, 对放大电路的静态工作点进行分析的方法 4

43 N I A I Q IQ Q IBQ UEQ c cc B UEQ M UE (a) 直流通路的输出回路 (b) 输出回路的图解分析法图 1.56 静态工作点的图解分析法 (1) 静态分析 静态的分析就是要得到静态工作点, 即得到 I BQ I Q U EQ 的值 图 1.56(a) 画出了放大电路直流通路的输出回路, 从图中可以看出, 左边是三极管,I Q 和 U EQ 的关系必须满足三极管的输出伏安特性, 右边是直流电路,I Q 和 U EQ 的关系必须满足 U EQ = -I Q, 该方程在 U E -I 的坐标系中为一条直线, 故称该直线为直流负载线 静态工作点即为两者的交点, 如图 1.56(b) 所示 因此, 可以用下列的步骤来确定静态工作点 1 由特性图示仪获得三极管的输出特性曲线 在 U E -I 的坐标系中作出直流负载线, 直流负载线方程为 U EQ = -I Q U 用两点法作该直线, 令 I =, 得 U EQ =, 设为 M 点 ; 再令 U EQ =, 得 I =, 设为 N 点, 连接 MN, 得到直流负载线 3 在输入回路中确定 I BQ I BQ 的值一般通过估算的方法求得, 对于基本共射极放大电路 : I BQ.7 = 4 确定静态工作点 Q I BQ 所对应输出特性曲线与直流负载线的交点, 即为所求的静态工 作点, 量取坐标上的值, 就是所求的 I Q 和 U EQ 的值 () 动态分析 动态分析主要得到输入和输出的电压 电流量的传输关系, 得出放大器所能输出的最大动态范围 从前面的分析可知, 动态信号是在静态的基础上叠加的, 即信号为零时, 晶体管的工作 点应为静态工作点 B c E L 图 1.57 输出回路的交流等效电路而交流信号输入时, 电容相当与短路, 输出交流信号不仅通过集电极, 而且通过负载 电阻 L, 如图 1.57 所示, 则 = ' E L 其中, ' L = //L, 称集电极等效负载电阻 上式反映的是交流 E 与 的关系, 43

44 1 在 E - 坐标系中也是一条直线, 故称交流负载线 它的斜率为 tgϕ= ' 1 线的斜率则为 tgθ=, 因为 L <, 所以, 交流负载线更陡 动态的分析可以通过下列步骤求得 : 1 1 作交流负载线 由于交流负载线要通过静态工作点, 又知其斜率为 tgϕ= ' 点斜式可作出交流负载线 M N 如图 1.58 所示 N` L, 而直流负载 L, 根据 交流负载线 'L M` 直流负载线 图 1.58 交流负载线的求法 画出 B 波形 在输入特性曲线上, 由输入信号 叠加到 UBE 上得到 BE, 而对应画出基 极电流 B 的波形, 如图 1.59(a) 所示 E 3 画出 E 电流 的变化波形, 如图 1.59(b) 所示 的波形 在输出特性曲线上, 根据 B 的波形, 可对应得到 E 及集电极 6 B(A) 3 (ma) N' (ma) Q Q BE 1 Q t cc M' E BE E t t (a) 由输入特性曲线画 B 波形 (b) 由输出特性和交流负载线画 和 E 波形图 1.59 图解分析法综上所述, 可以得到如下的结论 : 1 用图解分析方法可一目了然地看出, 输出波形的三种失真和电路的静态工作点及波形 的幅值有关 选取静态工作点的原则是能低就低, 以不失真为原则 3 由于负载 L 的关系, 使输出电压波形不失真的动态范围减小. 微变等效电路法所谓微变等效电路法, 就是在 一定条件 下, 用一个线性的电路模型来代替非线性元 44

45 件三极管, 从而把非线性的放大电路变成线性的电路, 以便可以方便地求出放大电路的 A r r 参数 一定条件 是指放大电路在小信号的条件下工作, 这样, 三极管静态工作点附近的微小偏移可近似为线性 (1) 三极管的线性等效模型 可以证明 ( 证明略 ), 一个三极管可等效成如图 1.6(b) 所示的线性等效模型 c b. B. c B b rbe β. B E E (a) 三极管 (b) 三极管的线性等效模型图 1.6 三极管的微变等效电路 () 画放大电路的微变等效电路 画微变等效电路的方法可用三句话来概括 : 1 用三极管的微变等效模型替代三极管 ; 把电路中的电容 直流电源视做短路 ; 3 把电压量和电流量表示成交流量 图 1.61(a) (b) 是基本共射放大电路和它的微变等效电路 B c B cc b c B rbe β B L 1 L e r r (a) 共射放大电路 (b) 图 (a) 所示电路的微变等效电路图 1.61 共射放大电路及其微变等效电路 (3) 由微变等效电路求电路的性能参数 1 求电压放大倍数 A : = r B BE = 式中 L = //L ' L A = = β r ' L BE 注意, 式中的 - 号表示的是输出电压和输入电压的反相关系 求输入电阻 r 根据输入电阻的定义, 从输入端看进去的电阻为 : r = B//rBE rbe 3 输出电阻 r 根据输出电阻的定义, 输出端开路时, 从输出端往里看的电阻为 : r 45

46 注意, 上式是忽略了 r E 的影响 放大电路的调整和测试放大电路的调试包括测试和调整两部分 测试是在安装后对电路参数进行测量 ; 调整是指在测试的基础上, 对电路参数进行修正, 使之满足设计要求 下面以分压式偏置共射放大电路为例, 介绍放大电路调试的一般方法和步骤 1. 通电前的检查电路安装完毕后, 一般不能急于通电, 首先要根据电原理图检查电路中元器件是否接错, 特别是二极管方向 三极管管脚 电解电容极性是否接对, 电源线 信号线是否接反, 焊点间是否短路, 是否有虚焊. 准备调试仪器调试前要做好调试用的仪器的检查, 看看调试用的仪器仪表工作是否正常, 测试时所用量程是否适当等 3. 静态工作点的测试用万用表测量电路的静态工作点 如图 1.6 所示, 把放大器的输入端接地, 或不加输入信号, 若是数字万用表, 可直接测量三极管三个电极的对地电位 UBQ UQ UEQ, 如果是模拟万用表, 要考虑万用表输入电阻的影响 用模拟万用表测小电阻上的电压比较准确 cc * B1 1 B B E E E 图 1.6 静态工作点的测试 4. 动态调试动态调试是在静态调试的基础上, 给放大器加上合适的输入信号, 用示波器观测输出波 形, 要在不失真的情况下, 测试电路的性能参数 路参数进行调整, 以满足电路设计要求 A r r f BW 等 ; 并结合测试结果对电 信号源 s 放大器 图 1.63 测量输入电阻的示意框图 1 输入电阻 r 的测试 测试输入电阻的示意框图如图 1.63 所示 输入电阻 r 的测量可用 串接已知电阻法, 即在信号源和放大器输入端之间串接一已知电阻, 的阻值一般选在接近 r 的数值 用毫伏表或示波器分别测出 S 和 的有效值 US 和 U 或峰值 USP 和 UP 则: 46

47 r U U U = S S 信号 放大 r OL L 源 器 图 1.64 测量输出电阻的示意框图 输出电阻 r 的测试 r 的测试方法如图 1.64 所示 L 的值应选得与 r 相近 在输出波形不失真的情况下, 先测放大器的开路电压 UO (S 断开 ), 再测放大器的负载电压 UOL 的值 (S 闭合 ) 则: U = r ( 1)L UL 3 电压放大倍数的测试 在信号不失真的情况下, 测出输入 输出电压的有效值 U 和 U 或峰值 UP 和 UP 根据放大倍数的定义, 则 : 率, 4 通频带的测试 A U = = U U U fbw = fh fl f H 和 f L 是放大倍数下降到中频时的.77 倍时的频率, 称上限截止频率和下限截止频 f H 主要受三极管的结电容和电路分布电容的影响, f L 主要受耦合电容 1 和旁路电 容 E 的影响 测试通频带宽时, 可先测出放大器中频区 ( 如 f=1khz) 时的输出电压, 然后在维持 S 不变的情况下, 逐渐增大信号源的频率, 当频率比较大时, 输出电压将下降, 在输出电压下降 到中频时.77 倍时, 测量此时输入信号的频率, 即为 P P f H ; 同理, 维持 S 不变, 降低信号 频率直到输出电压降到中频时的.77 倍为止, 测出对应的信号源的频率, 即为 f L 对于低频功放电路来说, 希望电路稳定性好, 非线性失真小, 电压放大倍数高, 输入电阻大, 输出电阻小, 低频截止频率越低越好, 但是这些参数很难同时满足要求, 因为它们是互相影响的, 所以调试时只能根据具体的要求, 进行综合考虑 但是如果出现无输出信号 放大倍数明显下降 波形失真等情况, 则是电路出现了故障, 要先给予排除 1..1 案例所用三极管型号和主要参数案例所用三极管型号和主要参数见表 1.6 表 1.6 案例所用三极管型号和主要参数 47

48 三极管型号 T1P41 材料及极性硅 NPN 高频小功率管硅 NPN 高频中功率管硅 PNP 高频中功率管硅 NPN 低频大功率管 最大耗散最大集电击穿电压特征频率 功率 PW 极电流 IM UEO ft (W) (A) () (MHz) 国内代换型号 DG DG G DD 电原理图和印制电路图 根据电原理图, 运用 Prtel 绘制印制电路图, 或者根据印制电路板, 画出电原理图, 是电类专业高职毕业生在实际工作中必须掌握的一个技能 本教材在学生接触案例实训之前, 对有关基本常识做一下介绍, 可以使学生在这些基本常识指导下, 通过实际训练, 逐步掌握这个技能 根据电原理图设计印制电路图 ( 板 ) 1. 印制电路图 ( 板 ) 设计的一般常识 印制电路板设计包括 : 确定印制板尺寸 形状 材料 外部连接和安装方法 ; 布设导线和元器件位置, 确定印制导线的宽度 间距和焊盘的直径和孔径等 必须符合电原理图的电气连接和电气 机械性能要求 (1) 合理选择版面尺寸 印制电路板的面积大小应适中, 过大时, 印制线条长, 阻抗增加, 抗噪声能力降低, 成本亦高 ; 过小时, 则散热不好, 并在线条间产生干扰 () 印制电路板元器件布局与布线 1 元器件布局的一般方法和要求 a. 元器件在印制电路板上的分布应尽量均匀, 密度一致 无论是单面印制电路板还是双面印制电路板, 所有元器件都尽可能安装在板的同一面, 以便加工 安装和维护 b. 印制电路板上元器件的排列应整齐美观, 一般应做到横平竖直, 并力求电路安装紧凑 密集, 尽量缩短引线 如果装配工艺要求须将整个电路分割成几块安装时, 应使每块装配好的印制电路板成为独立的功能电路, 以便单独调试 检验和维护 c. 元器件安装的位置应避免互相影响, 元器件间不允许立体交叉和重叠排列, 元器件的方向应与相邻印制导线交叉, 电感器件要注意防电磁干扰, 发热元件要放在有利于散热的位置, 必要时可单独放置或装散热器, 以降温和减少对邻近元器件的影响 d. 大而笨重的元件如变压器 扼流圈 大电容器 继电器等, 可安装在主印制板之外的辅助底板上, 利用附件将它们紧固, 以利于加工和装配 也可将上述元件安置在印制板靠近固定端的位置上, 并降低重心, 以提高机械强度和耐振 耐冲击力, 减小印制板的负荷和变形 e. 元器件的跨距 ( 即元器件成型后两引线脚之间的距离 ) 最大不应该大于元件本体长度的 倍以上 ; 单向 5 引线的跨距, 不应超过本体直径 ( 或长度 ) 的, 如图 1.65 所示 4 48

49 D Z L Z d d 5_ D 4 图 1.65 元器件的跨距和单向引线的跨距 f. 元器件的间距, 最小间距 d 等于相邻元件的半径 ( 或厚度的一半 ) 之和再加上安全间隙 b(b 为 1 mm /), 如图 1.66 所示 D1 b d D d= D1D b 图 1.66 元器件的间距 布设导线的一般方法和要求 : a. 公共地线应尽可能布置在印制电路板的最边缘, 便于印制电路板安装以及与地相连 同时导线与印制板边缘应留有一定的距离, 以便进行机械加工和提高绝缘性能 b. 为减小导线间的寄生耦合, 布线时应按信号的顺序进行排列, 尽可能将输入线和输出线的位置远离, 并最好采用地线将两端隔开 输入线和电源线的距离应大于 1 mm, 以减小寄生耦合, 另外输入电路的印制导线应尽量短, 以减小感应现象及分布参数的影响 c. 提供大信号的供电线和提供小信号的供电线应分开, 特别是地线, 最好是一点共地 d. 高频电路中的高频导线 三极管各电极引线及信号输入输出线应尽量做到短而直, 易引起自激的导线应避免互相平行, 宜采取垂直或斜交布线, 若交叉的线较多, 则最好采用双面板, 将交叉的导线布设在印制板的两面 双面板的布线, 应避免基板两面的印制导线平行, 以减小寄生耦合, 最好使印制板的两面导线成垂直或斜交布置 (3) 印制导线的尺寸和图形 : 1 印制导线的宽度 同一块印制电路板上的印制导线宽度应尽可能保持均匀一致 ( 地线除外 ), 印制导线的宽度主要与流过其电流的大小有关, 印制导线的宽度一般选择 1~ mm, 一些要流过大电流的电路, 线宽要适当加宽, 可宽至 ~3 mm, 公共地线和电源线在布线允许的情况下可为 4~5 mm 印制导线的间距 印制导线的间距一般不小于 1 mm, 当线间电压高或通过高频信号时, 其间距应相应增大, 避免相对绝缘强度下降, 分布电容增大 3 印制导线的形状 印制导线的形状如图 1.67 所示, 应简洁美观, 在设计印制导线时应遵循以下几点 : 49

50 a. 除地线外, 同一印制板上导线的宽度尽可能保持一致 b. 印制导线的走向应平直, 不应出现急剧的拐弯或尖角 c. 应尽量避免印制导线出现分支 图 1.67 印制导线的形状 岛型圆型图 1.68 印制板接点的形状 (4) 印制接点 ( 焊盘 ) 的形状和尺寸 为了增加在焊接元件与机械加工时印制导线与基板的粘贴强度, 必须将导线加工成圆形或岛形, 如图 1.68 所示 环外径应略大于其相交的印制导线的宽度, 通常取 ~3 mm 而在单个焊盘或连接较短的两个接点加一条辅助线, 增加接点的牢固 (5) 印制电路板的制作方法 : 1 根据电路特点和实际元件的大小, 按照印制电路板的要求使用 Prtel 绘制印制电路图交专门厂家加工 学校实验室也可配备一套专供实验室小批量使用的专用印制电路板制作设备. 根据电原理图, 设计印制电路图举例及练习根据电原理图设计印制电路图, 目前基本上均运用 AD 软件 ( 如 Prtel) 设计绘制 但是在读者还没有涉及电子线路 AD 课程之前, 只能用手工设计 同时, 运用 AD 软件设计电路板的基础也是建立在手工设计的基础之上的, 因此, 此处所述的举例和练习, 均指用手工设计并绘制印制电路图 根据电原理图设计印制电路图举例如下 : 5

51 E B1 1 B E 3 图 1.69 分压式基本共射电路电原理图 图 1.7 图 1.69 所示电路的印制电路图 P1 D E1 5 GND 6 7 GND E E3 D SPK1 - GND 图 1.71 复合管组成的功放电原理图 51

52 图 1.7 图 1.71 所示电路的印制电路图 J1 A F F1 1 1 U73 D1 D4 D D3 3 DZ 4 J 热风机 4 MO361 5 T4 GND 17 D5 6 U1A & 7 8 T U1B & 13 7 D8 14 U1 & 15 D9 U1D & D493 D493 6 T D493 D D7 T D6 1 图 1.73 红外遥控烘手机电原理图 5

53 图 1.74 图 1.73 所示电路的印制电路图练习 1: 根据举例图 1.71 和举例图 1.73 的电原理图, 将两个原理图中的各个元件与对 应的印制电路图中的元件核对 练习 : 根据印制电路图设计的一般常识, 并参照设计举例, 把本书中图 1.5 图 1.53 所示的电原理图, 转画成印制电路图, 并交教师评价 1.3. 根据印制电路图画电原理图 1. 根据印制电路图画电原理图的一般方法 ( 步骤 ) 在维修 仿制电子产品时, 通常需要借助电原理图来分析, 但目前大多数电子产品不提供电原理图, 为此需要根据产品实物 ( 印制电路板 ) 自己画出电原理图 根据印制电路板画出电原理图的一般方法和步骤简单介绍如下 : (1) 根据产品的供电情况, 首先画出供电线和地线 () 寻找出电信号的输入和输出端口 (3) 根据信号从输入到输出的大体流程, 确定核心元件 通常在分立元件电路中, 把三极管或者由三极管组成的复合管作为核心元件 ; 在既有三极管又有集成电路的复杂电路中, 把集成电路作为主要核心元件, 把三极管作为一般核心元件 (4) 以核心元件为中心, 画出和核心元件引脚直接相连的各支路, 其中首先画出直通电源线和直通电源地线的支路, 然后再画出核心元件之间互相连接的支路 (5) 若电子产品由几块印制电路板组成, 则分别画出每块板的电原理图后, 再把各块板的原理图连接起来 (6) 仔细分析已画出的电原理图草稿, 把各单元电路中的元件, 调整位置, 并相对集中, 把自己熟悉的单元电路画成常规的形式, 然后根据信号流程对元件的位置和电路图布局结构进行整理, 使成为比较规范的电原理图. 根据印制电路图画电原理图举例及练习某一电路的印制电路板图如图 1.75 所示 53

54 图 1.75 某一电路的印制电路板图根据图 1.75 所示的印制电路板图画出电原理图时, 参照前面介绍的由印制电路图画电原 理图的一般方法, 首先画出电源线和地线, 然后画出三个核心元件 1 3, 再画由 1 3 引脚直通电源线和直通地线的支路, 画完前述三步的电路图如图 1.76(a) 所示, 在图 1.76(a) 的基础上, 再画各个核心元件之间的连接支路, 并经校对整理后得到的电原理图如图 1.76(b) 所示 Ec (a) 部分电原理图 Ec (b) 完全电原理图图 1.76 图 1.75 的电原理图练习 3: 某一小功率家用扩音机的印制电路板图如图 1.77 所示, 试根据上述所介绍的方法画出其电原理图并交老师检查 54

55 图 1.77 某一印制电路板图 1.4 实用功放案例 案例教学的目的 要求和教学方法 案例教学的目的就是要通过对具体案例的制作 调试, 使其成为一件产品的过程, 从中培养同学们对所学知识进行理解 分析 归纳 评价并采取行动的能力 ; 通过联系实际解决问题的过程, 培养同学们的责任心和实际动手能力与解决实际问题的能力 案例教学对老师和学生都提出了更高的要求 1. 对教师的要求 1 教师必须熟知案例, 并对案例分析 制作 调试亲历亲为, 深入广泛地提出案例所包含的问题和解决这些问题的具体方法 确定案例中要解决或讨论的问题, 制定案例教学所要达到的目标 3 制定具体的课堂教学计划 能实时地回答现场同学的提问和快速准确地解决现场出现的各种实际问题. 对学生的要求 4 要有主动学习的热情, 要变被动学习为主动学习, 要主动地去探究为什么和怎么做, 做一个积极的行动者, 在行动中学知识 学技术 学方法 5 对案例所涉及的知识进行整理, 加深理解, 并在实践中应用 6 通过亲自实践, 在加深理解的基础上, 要有所发挥, 有所创新, 有所心得并学会总结 案例教学的教学方法是强调采用边讲边做 讲讲做做的知识和实践交叉互动的教学模式 让学生在做中学, 从实践和活动中获取知识, 增进才干, 并与原有知识进行整合, 形成能力 1.4. 实用功放的电原理图和印制电路图 实用功放的电原理图如图 1.78 所示 55

56 6 1 * P 话筒输入 D1 D 8 线路输入 P 3 31 F 1 LS P 图 1.78 实用功放的电路原理图该案例电路参数的要求 : (1) 电源电压 ± 15, 最大不失真功率 P O 8W () 频率响应 8Hz~15kHz (3) 适用于话筒输入和线路输入 ( 其中话筒输入信号为 3~5m 线路输入信号为 1~m 该电路的输入有两种形式, 即话筒输入和线路输入, 其中话筒输入的信号电压是 3~5m, 线路输入的信号电压是 1~m, 所以线路输入采用衰减电路 第一级电路是由 1 及周边元件构成的共集电极放大电路, 用以增加输入电阻, 且该电路采用分压式偏置电路, 保证在元件参数改变时电路的静态工作点不变 是直接耦合的共射放大电路, 因为 1 的静态工作点稳定, 所以 的静态工作点也稳定 3 及其周边的元件构成分压式偏置的共射放大电路, 继续放大信号电压, 并引入 构成交流电 压串联负反馈, 用以改善放大器性能 由于引入了深度负反馈, 该部分的电压放大倍数 A = 构成功放电路的电压串联负反馈, 以改善功放电路的性能, 这部分电路的电压放大倍数为 A 1 7 = 案例电路总的放大倍数 A1 A 6 A = 4 5 组成差动放大电路, 起抑制零点漂移的作用 6 组成共射放大电路, 做推动级 7 8 及 9 1 采用复合管组成的互补对称功率放大电路, 输出足够大的功率以推动负载喇叭 各单元电路在前面都有详尽的介绍, 在设计 安装 调试之前应先认真复习, 深入理解 实用功放的安装 焊接与调试 1. 元件的安装与焊接在印制板上安装元件时, 一般应注意如下几点 : (1) 在安装前应对元件的好坏进行检查, 防止已损坏的元件被装上印制板 () 元件引脚若有氧化膜, 则应除去氧化膜, 并进行搪锡处理 (3) 安装时, 要确保元件的极性正确, 如二极管的正 负板 三极管的 e b c 极, 电解电容的正 负极 (4) 元件外形的标注字 ( 如型号 规格 数值 ) 应放在看得见的一面 56

57 (5) 同一种元件的高度应当尽量一致 (6) 安装时, 应先安装小元件 ( 如电阻 ), 然后安装中型元件, 最后安装大型元件, 这样便于安装操作 (7) 在空间允许时, 功率元件的引脚应尽量留得长一些, 以便有利于散热 在进行焊接操作前, 指导老师应做示范, 并在示范操作过程中, 讲清如下问题 : 要注意安全, 焊接时间, 送锡方法, 烙铁头处理, 用松香的道理和方法, 防止虚焊的措施等. 实用功放电路的调试 (1) 通电前的检查 电路安装完毕后, 应先对照电路图按顺序检查一遍, 一般地 : 1 检查每个元件的规格型号 数值 安装位置管脚接线是否正确 检查每个焊点是否有漏焊 假焊和搭锡现象, 线头和焊锡等杂物是否残留在印制电路板上 3 检查调试用仪器仪表是否正常, 清理好测试场地和台面, 以便做进一步的调试 () 静态调试 用万用表逐级测量各级的静态工作点 调节偏置电阻, 使各级静态工作点正常 若测量值与计算值相差太远的话, 应考虑该级偏置电路有虚焊或元件有错的错误, 要检查修正 下面是案例中各点的静态电位值 ( 用数字万用表测量的值 ): 1 输出端 =, 若偏离, 可调 3 使其为零 6 的集电极电位 6 = 的集电极电位 4 = 的基极电位 B3 =.1 5 的基极电位 B = 的基极电位 B1 =3.3 7 各级的基极和发射极之间的压降 U BE =.7 (3) 动态测试 在输入端 ( 案例中可在话筒输入端 ) 输入 1kHz 的正弦波信号, 用示波器观察输出信号波形, 信号由小逐渐增大, 直至输出波形增大到恰好不失真为止 1 观察输出波形有无交越失真, 调 P 3 可消除交越失真, 波形正负半周是否对称 测电压放大倍数是否满足要求, 即用交流毫伏表测量输入输出信号电压的有效值 U 和 U, 则 U A= U 3 测量最大不失真功率是否符合要求, 最大不失真功率 P UO 1 UP = = L L 4 测量电路的转换效率 P 1% η=, 其中 P O 为最大输出功率,P E 是电源提供的功率,P E =I E, P E 测 I E 时可将毫安表串入电源回路中测得 5 带宽测试 保持输入信号的幅度不变, 调节输入信号的频率, 升高频率直到输出电压降到.77U 时的频率为 f H ; 降低频率, 直到输出电压降到.77U 时的频率为 f L, 则带宽为 f BW =f H -f L 动态调试过程中若出现故障, 应先排除 实用功放电路所用元件名称和型号规格实用功放电路所用元件名称 型号见表 1.7 表 1.7 实用功放电路所用元件名称 型号 名称型号名称型号名称型号 57

58 k 1 1 F/16 1k 5 7.5k 13 pf 3 k pf 4 3k 7 47k 15 1 F/16 5 1k 8 1 P 1 47k 6 k 9 5.1k P 1k 7 4.7k 3 33 P k k 1 1F/ k 1 F/ k 3 47 F/ k 4 1 F/ k 5 47 F/ F/16 8 TIP k 7.1 F k 8 1 F/16 1 TIP F/16 D1 1N pf D 1N F/16 F 1 1.5A 案例思考题 1. 元器件性能测试方面 (1) 如何用万用表来检测二极管的正负极, 并应注意什么问题? () 如何用万用表来判断三极管的基极和类型? (3) 如何用万用表来确定三极管的集电极和发射极 ( 已知三极管类型 )? (4) 电阻器上的色环有哪些颜色, 它的含义是什么? (5) 如何用万用表来检验电容器的好坏? (6) 如何用万用表来判别电解电容的正负极? (7) 安装电解电容时应注意什么问题? (8) 用万用表测二极管的正向电阻时, 不同的电阻档为什么读数不同?. 仪器仪表使用方面 (1) 万用表在测量电阻时应如何操作? 要注意什么问题? () 测量结束, 万用表的挡位应放在什么位置上? (3) 用万用表测电阻和测电压 电流时, 它们的读数有什么不同? (4) 万用表的测试棒 ( 红与黑 ) 插法应如何? 在测量直流电流时, 接法如何? 测量直流电压时, 接法如 何? 旋在电阻档上, 两棒各带什么极性? (5) 万用表上的两个调零器的作用有何区别? (6) 已知一个正常放大的电路, 如图 1.79 所示 当用所标的电压表测量 U B 和 U E 时发现 U B <U E, 为什 么? 58

59 1 3K 3K UB UE 1K/ 5 档 1K 3K 1K/ 5 档 图 1.79 (7) 有几种途径可以测量三极管集电极电流? 哪种精确? 哪种方便? (8) 示波器开机后, 指示灯亮, 但荧光屏上无任何光迹, 应如何操作? (9) 示波器上观察到的光迹如图 1.8 所示, 说明哪些旋钮 ( 或开关 ) 不正常, 应如何操作? 图 1.8 示波器上观察到的光迹 (1) 示波器中的校准信号起什么作用? (11) 示波器中 Y 通道耦合选择开关 A-GND-D 三个位置有何区别? 同一输入信号在光屏上如何显示? (1) 示波器的扫描系统中触发源选择开关 触发方式开关 触发电平旋钮三者各起什么作用? 一般情况下应如何放置? (13) 示波器为什么能显示波形? (14) 用示波器测量信号电压的大小, 它的步骤怎样? (15) 用示波器测量信号的周期及频率应如何操作? (16) 函数发生器的功用是什么? 它输出频率大小如何调节? 输出信号大小如何调节? 3. 电路原理知识方面 (1) 固定偏置 分压式偏置放大器的静态工作点的参数是指哪些量? 如何求得? () 如何设置放大器的静态工作点? (3) 当电源电压不改变情况下, 如何调整静态工作点? (4) 什么是放大器的输入电阻和输出电阻? 如何估算? 它的数值大好还是小好? 为什么? (5) 放大器的非线性失真有几种? 是如何引起的? 怎样消除它? (6) 本案例电路 ( 见图 1.65) 是由几级单元电路组成的? 各有什么特点? (7) 根据提供的参数要求条件, 计算出该电路所需要的放大倍数? (8) 根据电路元件参数估算出该电路的放大倍数 如何测试该电路的放大倍数? (9) 本电路的输入级电路的组成是哪几个电阻? 为什么要这样设计? (1) 3 组成的是什么放大器, 电路中各元件有何作用? 如果分别将 3 5 开路, 15 短路, 对放大器有什么影响 ( 分析静态和动态 )? 59

60 (11) 1 的电路是什么放大器? 它起什么作用? (1) P 在电路中起什么作用? (13) 4 5 组成的是什么放大电路? 该电路有什么特点? 电路中的 5 起什么作用? 为什么要用 -15 电源? (14) 共模抑制比是什么参数? 它的物理意义是什么? (15) 4 ~ 1 组成的功放电路, 它的总体放大倍数是如何估算的? (16) 电路中 D1 D P 3 三个元件起什么作用? 该支路如果短路 断路, 对电路分别会引起什么后果? (17) 电路中 1 3 两元件起什么作用? (18) 元件起什么作用? (19) 7 8 和 9 1 组成什么电路? 它的电流放大系数是如何确定的? 它的等效电路如何? () 如果输入信号太大, 音量电位器又调得过大, 会出现什么后果? 本章小结 二极管是由 PN 结封装制成的最基本的半导体器件, 二极管的伏安特性是二极管的主要特性, 通过伏安特性曲线, 可清楚直观地说明半导体二极管具有单向导电性能, 以及二极管动态和静态参数 rd D IF IS U f M 的内涵, 普通二极管的应用主要是二极管单向导电性能的应用, 稳压管主要是应用它的齐纳击穿特性, 光电二极管主要是应用它的光电信号转换特性 双极型半导体三极管是由两个 PN 结制成的, 电流控制电流的半导体器件, 分 NPN 和 PNP 两种类型, 三 极管的主要特性是输入特性 I =f(u ) 和输出特性 I =f(u ) ; 三极管中的三个电流的控制关系 B BE U E E I B I 是 I I = I I ; 三极管在工作时有三种工作状态, 即放大工作状态 截止工作状态和饱和工 =β B, E B 作状态 ; 三极管在放大电路中有三种接法, 即共射 共集和共基 由三极管组成的单元放大电路常用的有基本共射放大电路 分压式偏置共射放大电路 共集放大电路 差动放大电路和功率放大电路等 分析和设计放大电路应同时考虑多个性能参数是否合适, 这些性能参数是 静态工作点 (IBQ IQ UEQ), 电压放大倍数 A=, 输入电阻 r, 输出电阻 r, 通频带 fbw, 差动放大电路 的共模抑制比 KM 和功率放大电路的效率 η 和最大不失真输出功率 P 等 分析放大电路的基本方法是图解分析法和微变等效电路分析法 把合适的单元电路通过一定的方式可级联成多级放大电路 级联的方式称为耦合, 通常有阻容耦合 直接耦合和变压器耦合三种方式 实用功放案例就是几个单元放大电路通过阻容耦合和直接耦合组成的多级放大器 放大电路工作是否正常, 性能指标是否达到要求, 除要按照一定的工艺进行安装焊接外, 还要借助于仪器仪表进行调试和测试, 熟悉万用表 示波器 信号发生器和直流稳压电源, 并会正确使用这些常用仪器仪表, 是电子技术专业人员必须达到的要求, 案例中的有关思考题可以帮助读者通过实训达到这个要求 思考题和习题 如图 1.81 所示, 问 : 二极管两端的压降和流过二极管的电流是多少? 若调换二极管的极性, 则二极管两 6

61 端的压降和通过二极管的电流又是多少?( 设二极管的反向电流 I s =) D 1 1K 6 图 设二极管和稳压管的正向压降可忽略不计, 稳压管的反向击穿电压为 5, 试求图 1.8 所示电路中流过 kω 电阻的电流 K K D 1 D (a) (b) DZ K K 1 DZ D 3 D (c) 图 分析图 1.83 所示电路中各二极管是导通还是截止? 并求出 A O 两端的电压 U AO ( 设 D 为理想二极管 ) DZ (d) 15 D D1 A D D A 3K 4.5 4K O 9 O (a) (b) (c) D1 4K 9 A O 图 二极管桥式整流电路如图 1.84 所示, 试分析如下问题 : (1) 若已知 U =, 试估算 U O 的值 () 若有一只二极管脱焊,U O 的值如何变化? (3) 若二极管 D1 的正负极焊接时颠倒了, 会出现什么问题? (4) 若负载短接, 会出现什么问题? D1 D U L D4 D3 图 如图 1.85 所示, 已知输入信号为正弦交流电, 且 U m >E, 试画出输出电压的波形 61

62 D 图 设 DZ1 和 DZ 的稳定电压分别为 5 和 1, 求图 1.86 中各电路的输出电压 E 1K 1K DZ1 Dz1 5 U 5 U DZ Dz (a) 1K 1K (b) 5 Dz1 Dz U 5 Dz1 U Dz (c) (d) 图 在检测某放大电路时, 一时辨认不出该电路中三极管的型号, 但可以从电路中测出它的三个电极的对地电压分别为 U 1 =-6.,U =-6,U 3 =-9, 如图 1.87 所示, 试分析哪个电极是发射极 基极和集电极? 该管是 NPN 型还是 PNP 型? 是锗管还是硅管? U1 U U 图 电路如图 1.88 所示, 电路中有三只性能相同的二极管 D1 D D3 和三只 4W 的灯泡,L 1 L L 3 互相连接后, 接入 的交流电压, 试分析哪只 ( 或哪些 ) 二极管承受的反向电压最大? D1 D D3 L1 L L3 图 一硅稳压电路如图 1.89 所示, 其中未经稳压的直流输入电压 U =18,=1kΩ, L =kω, 硅稳压管 DZ 的稳定电压 U DZ =1, 动态电阻及未被击穿时的反向电流均可忽略 (1) 试求 U O I O I 和 I DZ 的值 ; () 试求 L 值降低到多大时, 电路的输出电压将不再稳定 6

63 I I I DZ L U DZ U _ 图 判别图 1.9 中各三极管的工作状态 图 图 1.91 所示电路能否起正常的放大作用? 如果不能, 应如何改正? cc cc b c 1 1 (a) (b) cc cc b c b c 1 1 e e e e (c) (d) 图 在单管共射放大电路中输入正弦交流电压, 并用示波器测量观察输出端 O 的波形, 若出现图 1.9 所示 的失真波形, 试分别指出各属于什么失真? 可能是什么原因造成的? 应如何调整参数以改善波形? 63

64 t t t 图 电路参数如图 1.93 所示,β=3, 试求 : (1) 静态工作点 ; () 如果换上一只 β=6 的管子, 估计放大电路能否工作在正常的状态 ; (3) 估算该电路的电压放大倍数 51K b1 3K c cc 1 1 1K b 5 e e L 图 单端输入 双端输出的差分放大电路的参数如图 1.94 所示, 设 β1=β=8,rbe1= rbe = 4.7kΩ, 试求 : (1) 确定电路的静态工作点 ; () 确定输出电压 与输入电压 的相位关系 ; (3) 计算差模电压放大倍数 A d ; (4) 计算共模电压放大倍数 A c 及共模抑制比 K M 1 1K _ 1K K 1 K 1K -1 图 指出图 1.95 所示各种接法, 哪些可以作复合管使用? 等效的管型是 NPN 还是 PNP 型? 指出 A B 三个管脚各是等效三极管的什么电极? 64

65 B B B B A 1 A 1 A 1 A 1 (a) (b) (c) (d) 图 图 1.96 为复合互补对称功率放大电路, 设 的幅值足够大, 电源电压为 ± 4, 可选用的功率管在 下表 1.8 中列出 (1) 为了获得大于 5W 的最大不失真输出功率, 可选用哪几种晶体管? () 如果电源改为 ±, 可输出多大功率? 设 3 5 管的 E 最小值为 3; (3) 如果电源为 ± 4, 但负载改为 Ω, 此时最大不失真输出功率是多少? 表 1.8 型号 PM(W) IM(A) U(B)EO() UES() 3DD51A 3DD51B 3DD51 3DD54A 3DD54B 3DD54 3DD57A 3DD57B 3DD 图 1.97 中, 静态时, =, 这时 1 的集电极电位 1 应调到多少? 设各管的发射结和二极管的导通电 压为 cc D1 3 D1 s 1 D 4 5 L -cc s 1 D 3 L -15 图 1.96 图

66 第 章带电源的简易函数发生器案例及相关的基础知识 内容提要本章主要介绍 : 运算放大器的组成 技术参数 理想运算放大器的 虚短 和 虚断 的概念 ; 介绍运算放大器的线性应用单元电路, 同时引入反馈的概念 ; 介绍运算放大器非线性应用单元电路 ; 介绍电源电路, 最后把其中主要单元电路组成带电源的函数发生器案例, 以进一步增强读者的读图能力, 给出主要由运放单元电路构成的综合性 实用性的实训内容.1 运算放大电路.1.1 运算放大电路的组成运算放大电路的类型很多, 电路也不尽一样, 但结构上差别不大, 主要由输入级 中间放大级和输出级组成, 如图.1 所示 其中输入级一般是三极管或场效应管组成的差动放大电路, 差动放大电路的两个输入端即是运算放大电路的同相输入端和反相输入端 中间级由单级或多级电压放大电路组成, 主要是提高运算放大电路的开环增益 输出级一般由射极跟随器或互补射极跟随器构成, 以提高输出功率 P N 差动放大级电压放大级功率放大级 O 图.1 运算放大电路内部组成框图 (1) kΩ 1 1 I 1mA 13.4kΩ 3 5.1kΩ kΩ kΩ I 1mA 6 6.kΩ 3 - EE(-1) (a) 电路原理图 66

67 1 (b) 符号图. 简单运算放大器电路原理图和符号图.1 为运算放大器内部组成框图 为加深对运算放大电路的理解, 给出一个简单的运 算放大器的电路原理, 如图.(a) 所示 图中 1 组成了带恒流源差放, 信号由双端输入, 单端输出 电压放大级为由 3 4 复合管组成的单级共发射极电压放大电路 输出极是由 5 6 组成的两级射极跟随器构成的 其中 1 端 端为输入端,3 端为输出端, 另有电源 端 -EE 端和接地端 运算放大电路均用一个符号表示, 如图.(b) 所示 图中两个输入端, - 端叫反相输入端, 端叫同相输入端, 输出端的电压与反相输入端反相, 而与同相 输入端同相.1. 理想运放的技术参数为了合理选择和正确使用集成运放, 下面介绍运放的几个主要技术参数 1. 开环电压放大倍数 A 集成运放在开环 ( 无反馈 ) 状态下, 输出电压 与差模输入信号 ( - 1 ) 之比, 即 A = /( - 1 ),A 越高, 构成的运放运算精度越高, 工作也越稳定 实际运放的 A 很高, 如 D58 开环增益高达 14dB(1 7 ),HA9 的开环增益高达 16dB(1 8 ) 理想运放认为 A =. 输入失调电压 U 输入电压为零时, 输出电压一般不为零, 为使输出电压为零, 要在输入端加一个补偿电压, 此电压即为输入失调电压 U, 一般为几毫伏, 此值越小越好 如 F7 的失调电压为 ~1m 理想运放的失调电压为零 3. 输入失调电流 I 当输入信号为零时, 两个输入端静态输入电流之差 I =I B1 - I B 为运放的输入失调电流, 一般为 1~1nA 高质量的运放 I 小于 1nA 理想运放输入失调电流为零 4. 输入偏置电流 IB 1 若输入信号为零时, 两个输入端静态基极电流的平均值 I B = (IB1 I B ), 为输入偏置电 流, 一般在 1µA 以下 I B 越小,I 也越小, 因而零漂也就越小 如 F7 的 I B 为 na 理想运放的 I B 为零 5. 最大共模输入电压 UM 运放对共模信号有抑制能力, 但共模信号必须是在规定的范围内, 如超出了这个范围, 运放的抑制能力会显著下降 U M 表示了集成运放所承受的共模干扰信号的能力 U M 越大越好, 高质量的运放 U M 可达十几伏 6. 最大输出电压 Uppm 67

68 在电源电压为额定值时, 使输出电压和输入电压保持不失真关系的最大输出电压, 称为 运放的最大输出电压 如 F7 的电源电压为 ±15 时,U ppm 约为 ±13 7. 共模抑制比 KM 运放对差模信号的放大倍数与它对共模信号放大倍数之比称为运放的共模抑制比 这个参数越大则运放的质量越好, 一般为 65~16dB 之间 如 F7 的 K M 为 8~86dB 理想运放的 K M 为 另外理想运放的输入电阻 =, 输出电阻 =, 开环带宽 BW=, 而且不存在零点漂移.1.3 理想运放在线性应用时 虚断 和 虚短 的概念实际运放开环放大倍数很高, 可达上百万或更高, 因此很小的差模输入电压即可使输出电压达到饱和值 运放的传输特性如图.3 所示 图.3 运放的传输特性为了分析方便 ( 也非常接近实际 ), 通常把运放视为理想器件, 上面给出了理想运放的一些主要参数, 为清楚起见列出如下 : 开环电压放大倍数 A = ; 输入电阻 d = ; 输出电阻 =; 开环带宽 BW= ; 当 U=U- 时, =; 没有零点漂移 对于工作在线性区域的理想运放, 通过它的理想参数可以推导出下面两条重要的分析法则 : (1) 理想运放的两输入端之间的电压为零, 即 U=U- 这相当于两输入端之间短路, 即 虚短 的概念 这是因为运放工作在线性区, 输出电压为有限值, 而理想运放的 A =, 则输入端之间的电压 (U-U-) 应为零 () 理想运放的两输入端不吸取电流, 即 I=I-=, 相当于两输入端之间是开路的, 即 虚断 的概念 这是因为 U=U-, 即 U d =U-U-=, 而 d = 的缘故 利用 虚短 和 虚断 的概念, 将使各种运放电路的分析十分简便.1.4 用运放组成的比例运算电路 1. 反相比例运算放大电路及倒相器 68

69 I f f 1 I 1 I I - 图.4 反相比例运算放大电路图.4 所示为反相比例运算放大电路, 输入信号 通过 1 加到反相输入端, 输出信号通过 f 送回反相输入端, 构成深度电压并联负反馈放大电路 ( 有关负反馈电路分析将在. 节讨论 ), 在同相输入端接一电阻, 因集成运放毕竟不是理想的, 总存在偏置电流 输入失调电压 U, 并存在零漂 所以要求集成运放的两个输入端的等效电阻相等, 就是起平衡作用的, 因而称为平衡电阻, = 1 f 由图.4 知 U=, 而 U-=U=, 又 I=I -=, 则有 I 1 =I f 即 ( ) / 1 = (- )/ f = -( f / 1 ) A f = - f / 1 ( -1) 由式 (-1)(A f 表示负反馈放大电路的电压放大倍数 ) 知该电路实现了输出与输入信号之间的反相比例运算, 故称为反相比例运算放大电路 当 1 = f 时, =-, 实现了输出对输入信号的倒相, 大小并没有改变, 构成了倒相器 反相比例运算电路有如下特点 : (1) 由于反相比例运算电路接成 虚地, 即 U=U-=, 它的共模输入电压为零, 因此对运放的共模抑制比要求低, 这是它的突出优点 () 输入电阻低, = 1, 所以要求输入信号源有较强的带负载能力 =? 例.1 电路如图.4 所示, 设 1 =1kΩ, f =5 kω, 求 A f 若 =.5 时, 解 : 反相比例运算电路放大倍数 A f = / =- f / 1 =-5/1=-5 平衡电阻 = 1 f =1 5=8.3KΏ = A f =.5 (-5)=-.5. 同相比例运算放大电路及电压跟随器图.5(a) 所示为一同相比例运算放大电路, 它是在理想运放的输出和反相输入端之间连接了一反馈电阻 f, 构成了深度电压串联负反馈放大电路, 电路的输入信号通过 加到运放的同相输入端, 反相输入端则通过电阻 1 接地 是平衡电阻, 应满足 = 1 f 由 虚断 I=I-= 及 虚短 U=U- 的概念得 即 U = U= U-=U= I 1 =I f (-U-)/ 1 = (U-- )/ f 整理得 (- )/ 1 =( - )/ f =(1 f / 1 ) 可见 与 同相位且成比例, 其比例系数即闭环电压放大倍数 A f = / =1 f / 1 (-) 69

70 式 ( ) 中若 1 = ( 断开 ), f =, 则可得 A f =1 即输出电压等于输入电压, 称为电压跟随器 电路如图.5(b) 所示 I f f 1 I 1 I I - U - U (a) 同相比例运算放大电路 (b) 电压跟随器图.5 同相比例运算放大电路及电压跟随器同相比例运算放大电路有如下特点 : (1) 输入电阻高, 可达 1MΏ 以上 () 由于 U=U-=, 即同相比例运算放大电路存在共模输入信号, 大小为, 对集成运算放大电路的共模抑制比要求比较高, 这是它的缺点, 限制了它的应用场合 3. 反相加法运算电路图.6 为一反相加法运算电路, 输入信号 1 和 通过 1 加于运放的反相输入端, f 为反馈电阻, 3 为平衡电阻, 3 = 1 f, 因为 U=U-= I 1 I =I f 所以 = (-3) f f 1 1 I f f I I 3 图.6 反相加法运算电路 4. 同相加法运算电路 7

71 I f f I 1 1 I U 图.7 同相加法运算电路图.7 为一同相加法运算电路, 电路中的电阻应满足 1 f = 3 4 的关系, 由 虚断 和 虚短 的概念并应用叠加原理推导出 : 其中 =U (1 f ) (-4) 1 1 U = // // // // 例. 运放电路的输出电压 与输入信号电压 ( 1 3 ) 的关系为 = , 若取 f =1KΏ, 试画出运放电路, 并求出相关电阻值 分析 : 欲求几个信号之和, 且输出与输入同相, 可以采用单级同相加法器实现, 但调试 麻烦, 尽可能不用, 而采用两级运放即由 A 1 反相加法运放和 A 倒相器构成, 电路如图.8 所示, 有 由 f =1KΏ 得 得平衡电阻 1 =-[ ( f / 11 ) 1 ( f / 1 ) ( f / 13 ) 3 ] 11 =5KΏ, 1 =KΏ, 13 =5KΏ 1 = f =1 5 5=13.3 KΏ 第二级为倒相器, 取 1 = f =1KΏ, 平衡电阻 = 1 f =1 1=5KΏ f A1 1 1 A f 1 图.8 用两级运放实现求和的电路 5. 减法运算电路 71