电工学14和15章教案讲解Word下载.docx

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完全纯净的、结构完整的半导体晶体。

（用的最多的是硅和锗）

2．在本征半导体的晶体结构中，每个原子的一个价电子与另一个原子的价电子组成电子对，这对价电子是每个相邻原子所共有的，称为共价键。

3．本征半导体的导电机理

当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流：

（1）自由电子作定向运动形成电子电流

（2）价电子递补空穴形成空穴电流

（3）载流子：

自由电子和空穴

三、N型半导体和P型半导体

1．N型半导体：

在硅或锗晶体中掺入少量的磷（或其它五价元素）。

2．P型半导体：

在硅或锗晶体中掺入少量的硼（或其它三价元素）。

3．N型半导体中自由电子是多数载流子空穴为少数载流子而在P型半导体中相反。

4．无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。

111111*********1111111

四、PN结的形成及其单向导电性

1．PN结的形成

在一块N型（P型）半导体的局部再掺入浓度较大的三价（五价）杂质，使其变为P型（N型）半导体。

在P型半导体和N型半导体的交界面就形成一个特殊的薄层，称为PN结。

2．PN结的单向导电性

（1）PN结加正向电压（正向偏置），即电源正极接P区，负极接N区，P区多数载流子空穴和N区多数载流子自由电子在电场作用下通过PN结从而进入对方，形成较大的正向电流，此时PN结呈现低电阻，处于导通状态。

（2）PN结加反向电压（反向偏置）时，P区和N区的多数载流子受阻，难于通过PN结，但是P区的少数载流子自由电子和N区的少数载流子空穴在电场作用下却能通过PN结从而进入对方，形成反向电流，由于少数载流子数量少，所以反向电流较小，PN结呈现高电阻，处于截止状态。

五、二极管

1．基本结构

（1）PN结加上相应的电极引线和管壳就成为二极管。

（2）按结构分，二极管分点接触型、面接触型、和平面型三类。

点接触型：

PN结面积很小，不能通过较大电流，但其高频性能好。

面接触型：

PN结面积大，可以通过较大的电流，但工作频率较低，一般用于整流。

平面型二极管：

可用作大功率整流管和数字电路中的开关管。

2．伏安特性

（1）二极管加正向电压，二极管处于正向导通状态，正向电阻较小，正向电流较大。

（2）二极管加反向电压，二极管处于反向截止状态，反向电阻较大，反向电流很小。

（3）外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。

（4）二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。

3．主要参数

（1）最大整流电流IOM

最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。

（2）反向工作峰值电压URWM

它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是反向击穿电压的一半或者三分之二。

（3）反向峰值电流IRM

它是指在二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流。

它越大说明二极管的单向导电性能差，并且受温度影响大。

（4）二极管的应用：

主要利用它的单向导电性，用于整流、检波、限幅、元件保护及数字电路中的开关元件等。

练习设计

教学反思

注：

1．每2学时至少制定一个教案。

2．课型包括新授课、练习课、复习课、讲评课、实验课等。

3．上新课和新上课的教师要求写详案。

4．要求教师每学期上交教案。

教案

2014年2月28日　　　　授课学时：

14.4稳压二极管14.5双极型晶体管14.6光电器件

新授课和习题

掌握稳压管特点、熟悉半导体三极管工作原理、特性曲线和主要参数。

双极型极管工作原理、特性曲线

网络听课学习教学方法

一、稳压管

1．稳压二极管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。

由于它在电路中与适当数值的电阻配合后能起到稳定电压的作用，故称为稳压二极管。

2．稳压二极管的符号

3．稳压二极管的特性曲线与普通二极管的特性曲线类似，不同的是稳压二极管的反向特性曲线比较陡。

反向击穿电压较低。

工作在反向击穿区，反向击穿可逆，但如果反向电流超过允许范围，会发生热击穿而损坏。

4．稳压二极管主要参数

（1）稳定电压UZ:

稳压二极管正常工作下管子两端的电压.

（2）电压温度系数αU:

说明稳压值受温度变化影响的系数。

（3）动态电阻rz:

稳压二极管端电压变化量与相应的电流变化量的比值。

（4）最大允许耗散功率PZM:

管子不致发生热击穿的最大功率损耗PZM=UZIZM

二、双极型晶体管

1．基本结构（由两个PN结构成的）

按材料分：

硅管、锗管；

按功率大小分：

大、中、小功率管；

2．电流分配和放大原理（共发射极电路）

（1）发射区向基区扩散电子

（2）电子在基区扩散和复合

（3）集电区收集从发射区扩散过来的电子

3．特性曲线

（1）输入特性曲线：

当集-射极电压UCE为常数时，输入电路中基极电流IB与基-射极电压之间UBE之间的关系曲线IB=f（UBE）。

（2）输出特性曲线：

当基极电流为常数时，输出电路中集电极电流IC与集-射极电压UCE之间的关系曲线IC=f（UCE）。

4．晶体管的三个工作区特点（图三）：

放大区：

发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置。

即IC=βIB,且IC=βIB

饱和区：

发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。

IC<

βIB,，IC≈UCC/RC,,UCE≈0

截止区：

发射结处于反向偏置，集电结也处于反向偏置。

IC=ICEO≈0,UCE≈UCC

5．三极管主要参数

（1）β可从输出特性曲线上求出，小功率管β＝10~200，一般采用30~80的管子。

（2）ICBO　集电极－基极反截止电流：

少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度影响大，温度升高则ICBO增大。

（硅管ICBO＜1µ

A，锗管约为10µ

A）。

（3）ICEO　集电极－发射极反向截止电流，受温度影响较大。

ICEO＝（1+）ICBO，选用管子希望ICBO、ICEO尽量小，减小温度的影响。

硅管比锗管稳定，在实际中用得较多。

（4）ICM集电极最大允许电流：

集电极电流IC上升会导致三极管的β值的下降，当β值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。

（5）U（BR）CEO集电极-射极反向击穿电压：

基极开路时，加在集-射极之间的最大允许电压，称为集-射极反向击穿电压。

（6）PCM集电极最大允许耗散功率：

由于集电极电流在流经集电结时将产生热量，使结温升高，从而引起晶体管参数变化。

当晶体管因受热而引起的参数变化不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率。

（主要受结温的Tj限制）

三、光电器件

1．发光二极管：

电能转化为光能

2．光电二极管：

光能转化为电能

3．光电晶体管：

光能控制集电极电流

4．光电器件用途：

（1）LED是发光二极管，T是光电晶体管，两者可以耦合。

（2）发光二极管和光电二极管也可以耦合。

四、本章内容小结：

1．半导体材料中有两种载流子：

电子和空穴。

电子带负电，空穴带正电。

在纯净半导体中掺入不同的杂质，可以得到N型半导体和P型半导体。

2．采用一定的工艺措施，使P型和N型半导体结合在一起，就形成了PN结。

PN结的基本特点是单向导电性。

3．二极管是由一个PN结构成的。

其特性可以用伏安特性和一系列参数来描述。

4．三极管工作时，有两种载流子参与导电，称为双极型晶体管。

5．三极管是一种电流控制电流型的器件，改变基极电流就可以控制集电极电流。

6．三极管管特性可用输入特性曲线和输出特性曲线来描述。

7．三极管有三个工作区：

饱和区、放大区和截止区。

五、14章课后习题

14．3．8----二极管的应用

14．4．3----稳压管的应用

14．5．8----晶体管

14．6．1----发光二极管及综合

2014年3月3日　　　　授课学时：

15．1共发射极电路的组成；

15．2放大电路的静态分析

掌握放大电路的特点及作用，了解放大电路静态工作电路和分析方法。

静态值计算，设置合适的静态工作点的意义；

一、共发射极电路的组成

共发射极基本电路的输入端接交流信号源，输入电压ui，输出端接负载电阻，输出电压uo电路中各原件作用：

1．晶体管T：

放大电路中的放大原件。

利用它的电流放大作用，在集电极电路获得了放大的电流，该电流受输入信号控制。

2．集电极电源UCC:

为输出信号提供能量，并保证集电结处于反向偏置。

3．集电极负载电阻RC：

主要将集电极电流的变化转化为电压的变化。

4．偏置电阻RB：

使发射结处于正向偏置，提供大小适当的基极电流IB，获得合适工作点。

5．耦合电容C1和C2:

一方面起到隔直作用，C1用来隔断放大电路与信号源间的直流通路，C2用来隔断放大电路与负载之间的直流通路，使三者之间无直流联系互不影响。

另一方面起到交流耦合作用，保证交流信号畅通无阻的经过放大电路。

二、共射放大电路的电压放大作用

1．无输入信号（ui=0）时:

uo=0;

uBE=UBE;

uCE=UCE即三极管各电极都是恒定的电压和电流:

IB、UBE和IC、UCE。

（IB、UBE）和（IC、UCE）分别对应于输入、输出特性曲线上的一个点，称为静态工作点。

2．加上输入信号电压后，各电极电流和电压的大小均发生了变化：

uo≠0;

+ui;

uCE=UCE+ui

3．若参数选取得当，输出电压可比输入电压大，即电路具有电压放大作用。

4．输出电压与输入电压在相位上相差180°

，即共发射极电路具有反相作用。

5．结论：

（1）实现放大的条件

晶体管必须工作在放大区：

发射结正偏，集电结反偏。

正确设置静态工作点，使晶体管工作于放大区。

输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流。

输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电极电压。

（2）直流通路和交流通路

直流通路：

无信号时电流的通路，用来计算静态工作点。

交流通路：

有信号时交流分量的通路，用来计算电压放大倍数、输入电阻、输出电阻

三、放大电路的静态分析

1．静态：

是当放大电路没有输入信号时的工作状态；

2．静态分析就是确定放大电路的静态值（直流值）。

IB、IC、UCE、UBE。

3．分析方法：

估算法、图解法

4．分析对象：

各极电压电流的直流分量

5．所用电路：

放点电路的直流通路

6．设置Q点的目的：

（1）使放大电路的放大信号不失真；

（2）使放大电路工作在较佳的工作状态，静态是动态的基础。

四、用估算法确定静态值

五、用图解法确定静态值

1．优点：

直观地分析和了解静态值的变化对放大电路的影响。

2．步骤：

（1）用估算法确定IB

（2）由输出特性确定IC和UCCUCE=UCC-RCIC即IC=f（UCE）▏IB=常数

该方程为直流负载线方程，其斜率-1/R，横轴截距为UCC，纵轴上的截距为UCC/RC

负载线与晶体管某条（由IB确定）输出特性曲线的交点Q，称为放大电路的静态工作点，由它确定放大电路的电压和电流的静态值。

2014年3月6日　　　　授课学时：

15.3放大电路的动态分析及相应的习题

掌握放大电路的动态分析方法

用微变等效电路方法来分析动态电路的输入电阻，放大倍数和输出电阻。

一、放大电路的动态分析

1．动态分析:

计算电压放大倍数Au、输入电阻ri、输出电阻ro等。

2．分析对象：

各级电压和电流的交流分量。

微变等效电路法，图解法。

4．所用电路：

放大电路的交流通路。

5．目的：

找出Au、ri、ro与电路参数的关系，为设计电路打基础。

二、微变等效电路法

1．微变等效电路：

把非线性元件晶体管所组成的放大电路等效为一个线性电路。

即把非线性的晶体管线性化，等效为一个线性元件。

2．线性化的条件：

晶体管在小信号（微变量）情况下工作。

因此，在静态工作点附近小范围内的特性曲线可用直线近似代替。

3．晶体管的微变等效电路可以从晶体管特性曲线求出

（1）输入回路

当信号很小时，在静态工作点附近的工作段可认为是直线。

当UCE为常数时，UBE与IB之比rbe=△UBE/△IB︱UCE=ube/ib︱UCE

称为晶体管的输入电阻。

低频小功率晶体管的输入电阻常用下式估算

式中，IE是发射极电流的静态值，右边第一项取100~300Ω。

rbe一般几百欧到几千欧。

它是对交流而言的一个动态电阻。

（2）输出回路

输出特性在线性工作区是一组近似等距的平行直线。

晶体管的输出回路（C、E之间）可用一受控电流源ic=ib等效代替，即由来确定ic和ib之间的关系。

晶体管的输出电阻rce愈大，恒流特性愈好，因rce阻值很高，一般忽略不计。

三、动态分析计算

1．电压放大倍数的计算

式中的负号表示输出电压的相位与输入相反。

负载电阻愈小，放大倍数愈小。

因rbe与IE有关，故放大倍数与静态IE有关。

2．放大电路输入电阻的计算

放大电路对信号源（或对前级放大电路）来说，是一个负载，可用一个电阻来等效代替。

这个电阻是信号源的负载电阻,也就是放大电路的输入电阻。

输入电阻是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数。

电路的输入电阻愈大，从信号源取得的电流愈小，因此一般总是希望得到较大的输入电阻。

3．放大电路输出电阻的计算

放大电路对负载（或对后级放大电路）来说，是一个信号源，可以将它进行戴维宁等效，等效电源的内阻即为放大电路的输出电阻。

输出电阻是动态电阻，与负载无关。

输出电阻是表明放大电路带负载能力的参数。

电路的输出电阻愈小，负载变化时输出电压的变化愈小，因此一般总是希望得到较小的输出电阻。

4．共射极放大电路特点：

（1）放大倍数高；

（2）输入电阻低；

（3）输出电阻高。

三、图解法对放大电路的动态分析

1．交流负载线

交流负载线反映动态时电流iC和电压uCE的变化关系。

交流负载线斜率

因为

所以交流负载线比直流负载线陡。

2．图解分析

3．非线性失真

如果Q设置不合适，将造成非线性失真的三种情况：

（1）如果Q设置不合适，晶体管进入截止区或饱和区工作，将造成非线性失真。

（2）若Q设置过高，晶体管进入饱和区工作，造成饱和失真。

（3）若Q设置过低，晶体管进入截止区工作，造成截止失真。

2014年3月10日　　　　授课学时：

15.4静态工作点的稳定；

15.6射极输出器

了解分压式偏置电路和射极输出器的特点

一、静态工作点的稳定

1．温度变化对静态工作点的影响在固定偏置放大电路中，当温度升高时，UBE、、ICBO。

当温度升高时，IC将增加，使Q点沿负载线上移，容易使晶体管T进入饱和区造成饱和失真，甚至引起过热烧坏三极管。

2．固定偏置电路的不足：

它工作点Q点是不稳定的，为此需要改进偏置电路。

3．改进偏置电路的目的是：

IC增加时，能够自动减少IB，从而抑制Q点的变化，保持Q点基本稳定。

二、分压式偏置电路

1．满足条件

；

时得出以下结论：

，

VB和IE或IC与晶体管的参数几乎无关，不受温度变化的影响，从而静态工作点能得以基本稳定。

2．参数的选择：

从Q点稳定的角度来看似乎I2、VB越大越好。

但I2越大，RB1、RB2必须取得较小，将增加损耗，降低输入电阻。

而VB过高必使VE也增高，在UCC一定时，势必使UCE减小，从而减小放大电路输出电压的动态范围。

3．Q点稳定的过程

4．RE温度补偿电阻在电路中的作用

对直流：

RE越大,稳定Q点效果越好；

对交流：

RE越大,交流损失越大,为避免交流损失加旁路电容CE。

三、分压式偏置电路的分析

1．静态分析：

2．分压式偏置电路的动态分析

（1）有旁路电容

（2）没有旁路电容

四、射极输出器

1．射极输出器的特点：

（1）集电极是输入与输出回路的公共端，所以是共集电极放大电路。

（2）因从发射极输出，所以称射极输出器。

2．静态分析（直流通路）

3.动态分析

（1）电压放大倍数

1.

电压放大倍数Au≈1且输入输出同相，输出电压跟随输入电压，故称电压跟随器。

（2）输入电阻

式中RB的阻值很大，与其并联的电阻也比共发射极放大电路的输入电阻大的多。

因此射极输出器的输入电阻很高，可达几十千欧到几百千欧。

（3）输出电阻

将信号源短路，保留其内阻RS，RS与RB并联后的等效电阻为RS′。

在输出端将RL取去，加一交流电压，求得输出电阻，其值比共射极放大电路中的输出电阻低很多。

4．射极输出器的应用：

主要利用它具有输入电阻高和输出电阻低的特点。

（1）因输入电阻高，它常被用在多级放大电路的第一级，可以提高输入电阻，减轻信号源负担。

（2）因输出电阻低，它常被用在多级放大电路的末级，可以降低输出电阻，提高带负载能力。

（3）利用ri大、ro小以及Au1的特点，也可将射极输出器放在放大电路的两级之间，起到阻抗匹配作用，这一级射极输出器称为缓冲级或中间隔离级。

五、多级放大电路

1．由于输入信号很微弱，常采用多级放大以便在输出端获得必要的电压和功率。

2．多级放大电路中常常会用射极输出器作为输入级和输出级。

2014年3月13日　　　　授课学时：

15.7差分放大电路5.8互补对称功率放大电路

了解差分放大电路和互补对称功率放大电路的原理和作用

差分放大电路和互补对称功率放大电路的静态和动态分析

一、差分放大电路

1．直接耦合：

将前级的输出端直接接到后级的输入端。

2．直接耦合存在的两个问题：

（1）前后级静态工作点相互影响

（2）零点漂移

零点漂移：

指输入信号电压为零时，输出电压发生缓慢地、无规则地变化的现象。

产生的原因：

晶体管参数随温度变化、电源电压波动、电路元件参数的变化。

零点漂移的危害：

直接影响对输入信号测量的准确程度和分辨能力。

二、差分放大电路的工作原理

1．电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等。

2．零点漂移的抑制

静态时，ui1=ui2=0；

uo=VC1－VC2=0当温度升高时ICVC（两管变化量相等）uo=（VC1+VC1）－（VC2+VC2）=0

对称差分放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制作用。

3．信号输入

（1）共模信号ui1=ui2　大小相等、极性相同

两管集电极电位呈等量同向变化，所以输出电压为零，即对共模信号没有放大能力。

差动电路抑制共模信号能力的大小，反映了它对零点漂移的抑制水平。

（2）差模信号ui1=–ui2　大小相等、极性相反

两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化，

uo=（VC1－VC1）－（VC2+VC１）=－2VC1即对差模信号有放大能力。

4．典型差分放大电路中元件作用

RE的作用：

稳定静态工作点，限制每个管子的漂移。

EE负电源：

用于补偿RE上的压降，以获得合适的工作点。

RP电位器：

起调零作用。

三、共模抑制比

1．作用：

全面衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力。

2．表达式：

或

式中KCMR共模抑制比Ad为差模放大倍数Ac为共模放大倍数

3．KCMR越大，说明差放分辨差模信号的能力越强，而抑制共模信号的能力越强。

（1）若电路完全对称，理想情况下共模放大倍数