教学课件·模拟电子技术

1、第1章 常用半导体器件1.1 半导体和PN结1.2 半导体二极管1.4 场效应管1.5 特殊二极管1.3 半导体三极管1.6实训本章要求：1. 了解N型和P型半导体结构理解PN结的形成及单向导电性掌握二极管的伏安特性和三极管的放大作用熟悉二极管和三极管的主要参数第1章 常用半导体器件1.1.1 半导体的特性:1.自然界中的各种物质，按导电能力可划分为导体、绝缘体和半导体三大类。半导体导电能力介于导体和绝缘体之间。半导体对温度敏感。半导体对光照敏感。半导体掺杂后导电能力剧增。1.1 半导体和PN结2.半导体共价键结构：在电子器件中，常用的半导体材料是硅（Si）和锗(Ge)。完全纯净、结构完整的半

2、导体晶体，称为“本征半导体”。在共价键的束缚下，其原子的最外层电子不像金属那样容易挣脱出来而成为自由电子，在外界条件为热力学零度和无外界激发时，价电子不能自由移动，此时半导体是不导电的。自由电子和空穴都称为载流子。由于不断地本征激发，又不断地复合，在一定的温度或光照条件下达到动态平衡，这时半导体中的两种载流子数目保持相对稳定。当温度越高、光照越强，半导体中的两种载流子的数目越多，导电性能就越好。3.杂质半导体在本征半导体中有选择地掺入微量的其它元素，我们称之为“杂质半导体”，掺杂后半导体的导电能力显著增加。N型半导体P型半导体1.1.2 PN结1.PN结的形成自由电子和空穴都要从各自浓度高的区

3、域向浓度低的区域扩散，在N型半导体和P型半导体的交界面两侧形成了一个很薄的区域通常称为 “空间电荷区”，也称之为“PN”结。正负空间电荷在交界面形成一个电场，称为内电场，其方向是从N区指向P区。2.PN结的单向导电性在PN结两端外加电压，称为给PN结以偏置电压。（1）PN结加正向电压（正向偏置）多数载流子的扩散运动得到加强，形成较大的正向电流。电流的实际方向从P区流向N区。这时PN结处于正向导通状态。（2）PN结加反向电压（反向偏置）多数载流子的扩散运动得到加强，形成较大的正向电流。电流的实际方向从P区流向N区。这时PN结处于正向导通状态。只有少数载流子的漂流运动被增强而形成很微弱的电流，称为

4、反向电流。此时PN结呈现的电阻很高。综上所述，在PN结上加正向电压时，PN结电阻很小，正向电流很大，PN结处于导通状态；在PN结上加反向电压时，PN结电阻很大，反向电流很微小，PN结处于截止状态。可见，PN结具有单向导电性。1.2.1半导体二极管的基本结构与类型半导体二极管是由一个PN结组成，在P型区和N型区两侧各接上电极引线，再用管壳封装。在电路中，常用普通二极管下图所示符号表示1.2 半导体二极管半导体二极管的种类很多，按半导体材料的不同，可分为硅二极管和锗二极管等；按用途的不同，可分为整流二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、光电二极管、变容二极管等；按内部结构的不同，可分为点接触

5、型和面接触型两类。1.2.2半导体二极管的伏安特性二极管的伏安特性是指通过二极管的电流与其两端电压之间的关系。1正向特性正向特性指二极管两端外加正向电压，硅管的正向导通压降约为0.60.7V，锗管约为0.20.3V。2反向特性反向特性指二极管两端外加反向电压，当外加反向电压增加到一定值时反向电流突然增大，这种现象称为二极管的反向击穿，普通二极管不允许在击穿状态下工作。3温度对特性的影响正向特性曲线随温度升高向左移，正向电压减小；反向特性曲线下移，反向电流增大。1.2.3半导体二极管的主要参数1最大整流电流IF2最高反向工作电压URM 3反向饱和电流IR 4最高工作频率f M1.3.1基本结构半

6、导体三极管由两个PN结构成，根据PN结连接方法的不同，三极管分为NPN型和PNP型两种，其结构及电路符号如图所示。1.3 半导体三极管 1.3.2电流分配及放大原理三极管实现放大作用的外部条件是发射结正向偏置，集电结反向偏置。NPN型和PNP型三极管的工作原理相似，不同之处仅在于使用时工作电流的极性相反。 如图所示为一NPN型三极管电流放大实验电路。电源UBB使发射结正向偏移，而电源UCCUBB,使得集电结反向偏置，这使得三极管具有电流放大作用。该放大电路有两个回路，左边为输入回路，右边为输出回路；两个回路是以三极管的发射极为公共端的，这种接法称为共发射极接法。 1.3.3特性曲线三极管特性测

7、试电路如图1-16所示，它分为输入回路和输出回路。调节电路中的UBB和UCC，便可测得三极管的特性曲线。图1-161.输入特性曲线2.输出特性曲线常数通常把三极管的输出特性曲线分为三个工作区，即放大区、截止区、饱和区。（1）放大区 输出特性曲线的中间部分称为放大区。三极管工作于放大区时，IC IB ，IC与IB基本上成正比关系，IC的大小几乎与UCE无关。此时，三极管的发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置。 2.输出特性曲线常数（2）截止区 IB 0曲线的以下的区域称为截止区。三极管工作于截止区时，IC0，三极管的c、e极之间相当于一个断开的开关。对NPN型硅管，UBE0.5V时即已开始截止

8、，但为了可靠截止，通常使UBE0V。因此工作于截止区的外部条件是三极管的发射结和集电结都处于反向偏置。2.输出特性曲线常数（3）饱和区 在输出特性曲线上，靠近纵轴且IC趋于直线上升部分为饱和区。在该区域，三极管失去放大作用，其特点是：IC IB ，IC与IB之间不成正比关系，UBEUCE 。三极管工作于饱和区的外部条件是三极管的发射结和集电结都处于正向偏置。饱和时的UCE值称为饱和压降，用UCES来表示。一般情况下，小功率硅管的饱和压降约为0.3V，锗管约为0.1V。 1.3.4主要参数及温度的影响1主要参数（1）共射极电流放大系数电流放大系数是三极管的重要参数，用于衡量三极管的电流放大能力。

9、（2）集电极基极反向饱和电流 ICBO ICBO是指发射极开路，集电结加上一定的反向电压时的反向电流。（3）穿透电流ICEO ICEO是指基极开路时，集电结反偏和发射结正偏时的集电极电流。ICEO（1）ICBO 三极管的主要极限参数有：（1）集电极最大允许电流ICM 一般以下降到其正常值的2/3时所对应的集电极电流，称为集电极最大允许电流 ICM （2）集电极发射极反向击穿电压U（BR）CEO U（BR）CEO是指当基极开路时，集电极与发射极之间的反向击穿电压。 （3）集电极最大允许功率损耗PCMPCM是指三极管正常工作时最大允许消耗的功率。 2温度对三极管的特性及参数的影响 （1）温度对UB

10、E的影响：当温度升高时，三极管的输入特性曲线向左移，在IB相同的条件下，UBE将会减小。2温度对三极管的特性及参数的影响 （2）温度对ICBO的影响：当温度升高时，ICBO及ICEO会增大，从而使三极管的输出特性曲线上移。（3）温度对的影响：当温度升高时，输出特性曲线的间距增大，三极管的值增加，温度每升高1，值就增加0.5%1% 。1.4.1结型场效应管的结构及工作原理（1）结构N沟道增强型绝缘栅场效应管的内部结构如图1-22（a）所示。N沟道结型场效应图1-22（b）所示，P沟道结型场效应管，如图1-22（c）所示。1.4 场效应管 图1-22图1-22图1-22（2）工作原理N沟道结型场效

11、应管接成如图所示。通过栅源间反偏电压的变化实现对漏极电流的控制作用。当UGS0时，如图（a）所示。PN结不承受反向电压，此时漏极电流最大，称之为漏极饱和电流IDSS 。当UGS0时，如图（b）所示。PN结承受反向电压，此时，耗尽层变宽，导电沟道变窄，漏极电流变小。栅源极间的负电压UGS越大，耗尽层越宽，导电沟道越窄，漏极电流越小。图（c）为栅源极间的负电压UGS大到某一定程度时，两边的耗尽层相遇，导电沟道被夹断，漏极电子流趋向于零，此时的栅源间电压称为夹断电压，用UGS（off)表示。2.结型场效应管的特性曲线（1）转移特性曲线转移特性曲线指漏源电压UDS一定时，栅源电压UGS对漏电极电流ID

12、的控制关系曲线。（2）输出特性曲线 输出特性曲线指栅源电压UGS 一定时，漏电极电流ID与漏源电压UDS之间的关系。3.结型场效应管的主要参数（1）夹断电压UGS（off）（2）饱和漏电流IDSS（3）漏源击穿电压U（BR）DS （4）直流输入电阻RGS（5）低频跨导gm（6）最大耗散功率PDM 1.4.2绝缘栅场效应管（1）结构及符号N沟道增强型绝缘栅场效应管的结构如图1-26（a）所示。1-26（b）所示为N沟道增强型MOS管的符号，箭头方向表示衬底与沟道间是由P指向N，即可识别出该管是N沟道，1-26（c）为P沟道增强型MOS管的符号，箭头方向与图1-26（b）相反。当UGS0时，由于U

13、DS为正向电压，漏极与衬底之间的PN结反向偏置，则漏极电流ID0。当UGS0时，栅极与衬底之间产生了一个垂直于二氧化硅薄层、由栅极g指向衬底的电场。这个电场的作用是排斥栅极附近P型衬底中的空穴而吸引电子。当UGS增大到一定程度，在二氧化硅绝缘层与P型衬底的交界面附近积累了较多的电子，形成了N型薄层，称之为反型层。这个电子薄层成为漏极与源极之间的导电沟道。当加上漏源电压UDS之后，就会有漏极电流ID通过沟道。通常将刚出现漏极电流ID时所对应的栅源电压称为开启电压，用UGS（th）表示。当UGSUGS（th）时，随着UGS增大，导电沟道变宽、沟道电阻减小、ID增大。由此可利用UGS对ID进行控制。

14、 （3）特殊曲线N沟道耗尽型绝缘栅场效应管的转移特性曲线如图1-30（a）所示。其输出特性曲线如图1-30（b）所示。这种管子的UGS不论是正、负或零，都可以控制ID，这是耗尽型绝缘栅场效应管的一个重要特点。3.绝缘栅场效应管的主要参数（1）开启电压或夹断电压（2）饱和漏电流（3）低频跨导（4）漏源击穿电压（5）最大耗散功率 1.5.1稳压二极管除了前面已讨论的普通二极管外，还有一些特殊用途的二极管，如稳压二极管、发光二极管、光电二极管等。 稳压二极管简称稳压管，其结构与普通二极管相同，在制造工艺上采取了适当的措施，使稳压管工作于反向击穿状态下。当稳压管在工作时， 微小的端电压变化会引起通过其

15、中的电流的较大变化，利用这种特性把稳压管与适当的电阻配合，就能在电路中起到稳定电压的作用。1.5 特殊二极管 1.稳压二极管的伏安特性稳压二极管的伏安特性曲线如图1-31（b）所示。稳压二极管的正向特性与普通二极管相同，其主要区别是稳压二极管的反向特性曲线比普通二极管更陡。稳压二极管的反向击穿电压为稳定工作电压，用UZ表示。 2稳压二极管的主要参数（1）稳定工作电压UZ （2）稳定工作电流IZ （3）最大稳定电流IZmax（4）最大耗散功率PZm（5）动态电阻 1.5.2发光二极管与光电二极管 1发光二极管发光二极管与普通二极管相同，也是利用一个PN结制成。它也具有单向导电性，但在正向导通时能

16、发光，它是直接把电能转换为光能的器件。它的类型很多，有单色发光二极管、红外发光二极管、激光发光二极管等。2光电二极管光电二极管与普通二极管相似，也是利用一个PN结制成，但外形结构不同。普通二极管的PN结被封装在不透明的管壳内，以避免外部光照的影响；而光电二极管的管壳上开有一个透明的窗口，使外部光线能透过该窗口照射到PN结上。光电二极管的结构及电路符号如图1-32（b）所示。第2章 基本放大电路2.1 放大电路的基本知识2.2 共发射极基本放大电路2.4共集电极放大电路2.5实训2.3放大电路静态工作点的稳定本章要求：1. 理解单管交流放大电路的放大作用和共发射极、 共集电极放大电路的性能特点。

17、掌握静态工作点的估算方法和放大电路的微变等 效电路分析法。3. 了解放大电路输入、输出电阻。第2章 基本放大电路2.1.1 放大的概念: 放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号。 放大的实质: 用小能量的信号通过三极管的电流控制作用，将放大电路中直流电源的能量转化成交流能量输出。 对放大电路的基本要求 ： 1. 要有足够的放大倍数(电压、电流、功率)。 2. 尽可能小的波形失真。 另外还有输入电阻、输出电阻、通频带等其它技术指标。2.1 放大电路的基本知识1.放大倍数2.1.2放大电路的主要技术指标+-信号源Au放大电路+-+_RoRL+_Ri2. 非线性失真系数：所有的谐波总量与基波成

18、分之比，定义为非线性失真系数。3. 输入电阻 4. 输出电阻 5. 通频带：通常将放大倍数在高频和低频段分别下降为中频段放大倍数的1/ 时，所包括的频率范围。通频带f|Au |0.707| Auo | Auo |O6. 最大输出功率2. 2.1 基本放大电路各元件作用 晶体管T-放大元件, iC= iB。要保证集电结反偏,发射结正偏,使晶体管工作在放大区。基极电源EB与基极电阻RB-使发射结 处于正偏，并提供大小适当的基极电流。共发射极基本电路ECRSesRBEBRCC1C2T+RL+ui+uo+uBEuCEiCiBiE2.2 共发射极基本放大电路集电极电源EC -为电路提供能量。 并保证集电

19、结反偏。集电极电阻RC-将变化的电流转变为变化的电压。耦合电容C1 、C2 -隔离输入、输出与放大电路直流的联系，同时使信号顺利输入、输出。信号源负载共发射极基本电路ECRSesRBEBRCC1C2T+RL+ui+uo+uBEuCEiCiBiE单电源供电时常用的画法共发射极基本电路+UCCRSesRBRCC1C2T+RLui+uo+uBEuCEiCiBiEECRSesRBEBRCC1C2T+RL+ui+uo+uBEuCEiCiBiE共射放大电路的电压放大作用UBEIBICUCE无输入信号(ui = 0)时: uo = 0uBE = UBEuCE = UCE+UCCRBRCC1C2T+ui+uo

20、+uBEuCEiCiBiEuBEtOiBtOiCtOuCEtOICUCEOIBUBEO结论： (1) 无输入信号电压时，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。QIBUBEQUCEICUBEIB无输入信号(ui = 0)时: uo = 0uBE = UBEuCE = UCE？有输入信号(ui 0)时 uCE = UCC iC RC uo 0uBE = UBE+ uiuCE = UCE+ uoIC+UCCRBRCC1C2T+ui+uo+uBEuCEiCiBiEuBEtOiBt

21、OiCtOuCEtOuitOUCEuotO结论：(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，都在直流量的基础上叠加了 一个交流量，但方向始终不变。+集电极电流直流分量交流分量动态分析iCtOiCtICOiCticO静态分析直流通路和交流通路 因电容对交、直流的作用不同。在放大电路中如果电容的容量足够大，可以认为它对交流分量不起作用，即对交流短路。而对直流可以看成开路。这样，交直流所走的通路是不同的。直流通路：无信号时电流（直流电流）的通路， 用来计算静态工作点。交流通路：有信号时交流分量（变化量）的通路， 用来计算电压放大倍数、输入电阻、 输出电阻等动态参数。结论：(3)

22、 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。uitOuotO1. 实现放大的条件 (1) 晶体管必须工作在放大区。发射结正偏，集 电结反偏。(2) 正确设置静态工作点，使晶体管工作于放大 区。(3) 输入回路将变化的电压转化成变化的基极电 流。(4) 输出回路将变化的集电极电流转化成变化的 集电极电压，经电容耦合只输出交流信号。例：画出下图放大电路的直流通路直流通路直流通路用来计算静态工作点Q ( IB 、 IC 、 UCE )对直流信号电容 C 可看作开路（即将电容断开）断开断开+UCCRBR

23、CT+UBEUCEICIBIE+UCCRSesRBRCC1C2T+RLui+uo+uBEuCEiCiBiERBRCuiuORLRSes+对交流信号(有输入信号ui时的交流分量) XC 0，C 可看作短路。忽略电源的内阻，电源的端电压恒定，直流电源对交流可看作短路短路短路对地短路交流通路 用来计算电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等动态参数。+UCCRSesRBRCC1C2T+RLui+uo+uBEuCEiCiBiE2.2.2放大电路的静态分析静态：放大电路无信号输入（ui = 0）时的工作状态。分析方法：估算法、图解法。分析对象：各极电压电流的直流分量。所用电路：放大电路的直流通路。设置Q点的目

24、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。静态工作点Q：IB、IC、UCE 。静态分析：确定放大电路的静态值。1. 用估算法确定静态值1. 直流通路估算 IB根据电流放大作用2. 由直流通路估算UCE、IC当UBEu_时，u=UOH (最大值) 当 u+u+输出为低电平。输入端两个二极管的作用是将反相输入端与同相输入端之间电压限制在二极管的管压降上，以防止过大输入电压将运放损坏。输出端的双向稳压管的作用是使输出电压被限制稳压管的双向稳压值上，以免输出电压受电源电压和其它不稳定因素的影响。无论输出电压为正或负值，总有一个稳压管工作于稳压

25、状态。电阻R为稳压管的限流电阻，使稳压管工作在正常的稳压状态。其工作原理是：在二极管没导通时，根据：“虚断”有；在忽略稳压管的正向管压降时，当 其传输特性如图所示，显然，使输出电压翻转的点是反相输入端与同相输入端电压大小更迭点。我们将这个电压叫做门限电压。用Uth来表示。若两个输入信号中，有一个为零，则另一个输入信号与零电位进行比较。使输出电压翻转的是零电位。则门限电压为零电平，我们称之为过零电压比较器。若同相输入端接地，则电路称为反相过零电压比较器。若反相输入端接地，则电路称为同相过零电压比较器。2.滞回比较器如果在电路引入正反馈，形成滞回特性可以大大提高电压比较器的抗干扰能力。电路如图所示

26、，其中 为参考电压，该电路的同相输入端电压 由 和 共同决定，根据叠加定理和理想运放的“虚断”有图3-34前进到【例3.3.1】设输出电压的高电平为UOH；低电平为UOL，由理想运放的“虚短”： u_=u+可以推出使电路翻转的两个门限电压为其工作原理是：当输入信号很小的时候， u+ u_ ，输出电压为高电平 UOH ， u+ = Uth ，当输入信号增大到大于 Uth时，电路翻转为低电平UOL ，此时u+ = Uth2 ， 。输入信号继续增大，输出电压保持低电平不变。其工作原理是：当输入信号很小的时候， u+ u_ ，输出电压为高电平 UOH ， u+ = Uth ，当输入信号增大到大于 Ut

27、h时，电路翻转为低电平UOL ，此时u+ = Uth2 ， 。输入信号继续增大，输出电压保持低电平不变。若输入信号减小，直减到ui Uth2 ，输出电压再次翻转为高电平 UOH, 输入信号继续减小，输出电压保持高电平不变。其传输特性如图。滞回电压比较器的特点是，当输入信号发生变化且通过门限电平时，输出电压会发生翻转，门限电平也随之变换到另一门限电平。当输入电压反向变化而通过导致刚才那一瞬间的门限电平时，输出不发生翻转，直到 继续变化到另一个门限电平时，电路才发生翻转，出现转换迟滞。只要干扰信号不超过门限宽度，电路就不会误翻转。滞回电压比较器常用来对变化缓慢的信号进行整形。【例3.3.1】滞回电

28、压比较器电路如图3-34所示，输入信号如图3-36所示，试画出输出电压的波形。解输出波形如图3-34所示。从波形看，在两个门限电压之间的变化量对输出波形没有影响。因而滞回电压比较器的抗干扰能力很强。图3-363.窗口比较器简单电压比较器和滞回电压比较器的共同特点是：输入信号单一方向变化时，输出电压只能跳变一次，故而只能鉴别一个电平。窗口比较器可以鉴别输入信号是否在两个电平之间，窗口比较器电路及传输特性如图3-27（a）、（b）所示。图3-27图3-27电路由两个简单电压比较器构成。URH 、 URL 分别为高参考电压和低参考电压。二极管起到隔离输出端和运放之间的直接联系。RD为限流电阻。电路的

29、工作原理为：（1）当输入信号ui低于低参考电平 时，运放A1输出低电平，二极管VD1截止；A2输出高电平，二极管VD2导通，输出电压为高电平。（2）当输入信号ui界于 、 之间时，A1、A2均输出低电平，二极管VD1 、VD2均截止，输出电压为低电平。（3）当输入信号ui高于高参考电平 时，A2输出低电平，二极管VD2截止；A1输出高电平，二极管VD1导通，输出电压为高电平。可见窗口比较器具有在输入信号单向变化（单调增或减）时，输出电压跳变两次的特点。有些电路，要求电压工作在某个范围内，既不能超出上限又不能低于下限，利用这个特点可以用来做电压监测电路。实际使用时，只要在输出端加上发光管就可以做

30、报警或检测电路了。3.3.2非正弦信号产生电路1.方波发生器方波发生器路如图3-28所示，由滞回电压比较器和RC构成的积分电路组成。输出端的稳压管决定输出方波的幅度，RC构成的积分电路决定了方波的频率。信号产生电路是指在无输入信号的情况下，电路自行产生某种幅度、频率一定的波形。图3-28图3-28（1）工作原理在方波发生器接通电源的瞬间，设在起始点输出电压为正值uo= + ，则同相输入端的电压为u_=u+ 且电容上的电压不能突变，故反相输入端的电压约为零。输出电压通过电阻R向电容充电，电容上的电压也就是反相输入端的电压按指数规律增长，而同相输入端的电压保持式 大小不变。当反相输入端的电压超过同

31、相输入端的电压时，输出电压翻转为uo= -UZ, 则同相输入端的电压为（2）输出电压的幅度及频率幅度 输出电压的幅度由稳压管的稳压值来决定。如若改变输出电压的幅度，只需更换稳压管即可。频率输出电压的周期为若适当选取电阻R1 和R2 的数值，即可使 ,则而周期和频率互为倒数，有2.三角波方波发生器三角波方波发生器如图。它的构成是在电压比较器的后边加一个积分电路。（1）工作原理其原理是第一级电路由前面讲过的滞回电压比较器构成，则第一级输出电压为方波。第二级电路为反相积分器构成。积分电路可以将方波变为三角波。电阻R2引入了整个电路的正反馈。（2）输出电压的幅度及频率幅度第一级输出电压的幅度由稳压管的

32、稳压值决定。第二级输出电压的幅度为 频率输出电压的周期为则频率为第4章 波形发生电路4.1 LC回路中的电磁振荡4.2 LC正弦波震荡电路4.4 RC桥式震荡电路4.3 其它形式的LC正弦波震荡电路4.5石英晶体荡电路4.6实训本章要求：1.理解电路自激振荡原理和条件2.掌握LC、RC正弦波振荡器的构成3.熟悉振荡器电路仿真与分析4.了解集成函数信号发生器的制作第4章 波形发生电路形发生电路也称振荡电路或振荡器，是一种不需外加信号作用便能输出不同频率交流信号的自激振荡电路，通常有正弦波振荡器与非正弦波（多谐）振荡器之分。用Multisim软件构建如图4-1（a）所示电路，当开关J1置右侧时，由

33、L1、C1构成闭合回路。我们将示波器并联在该闭合回路两侧，示波器中并无任何信号波形出现。4.1 LC回路中的电磁振荡图4-1图4-1当拨动开关J1，使它闭合于电源一侧，使电源 U1和电容C1构成闭合回路，电源给电容充电，此时示波器屏幕中仍无任何变化。然后，我们再次拨动开关J1，让L1、C1构成闭合回路，我们从示波器屏幕中看到了什么？观察到LC回路两侧的自由等幅振荡正弦波波形，如图4-1（b）所示。以上电路是一个理想电路，在现实中并不存在。因为，实际电容、电感和导线都存在着电阻，如果我们将它们的等效电阻考虑进去，在L1、C1回路中并联（或串联）一个等效电阻R1（1左右），如图4-2所示，双击示波

34、器图标，调整：X轴扫描为1msDiv，A通道Y轴幅度2VDiv。打开仿真电源开关，在虚拟示波器就可以观察到阻尼振荡的波形了。图4-2激振荡必备的两个条件是：（1）振幅条件放大器，表达式可表示为：AF1；（2）相位条件正反馈网络，表达式可表示为： （n1、2、3）。所以，我们在放大器的输出端引出一条通路，让输出信号又回送到放大器的输入端，形成正反馈就可以产生振荡信号，原理如图4-3所示。4.2 LC正弦波振荡电路图4-3下节主要学习三点式振荡器。三点式振荡器又有电容三点式和电感三点式之分，它们的共同的特点都是从LC振荡回路中引出三个端点和晶体管的三个极相连接。4.2.1电压比较器1.电路的组成电

35、感三点式振荡电路如图4-4（a）所示。从该电路直流通路可以看出是一个放大器偏置电路，满足振幅条件。C1和C3为交流耦合电荣，可视作交流短路，交流通路如图图4-4（b）所示，用瞬时极性法判别其符合振荡的相位条件。电感线圈的三个端点分别接在晶体管的三个极，故称电感反馈式振荡电路为电感三点式振荡电路。图4-4图4-42.振荡频率上式中，M为线圈L1、L2之间的互感系数，若两线圈相互独立，M=0。3.反馈系数反馈系数定义式为 ，从交流通路中可以看出上述电感三点式振荡电路。 4.优缺点电感反馈式振荡电路中L2与L1之间耦合紧密，振幅大，易起振；当C采用可变电容时，可以获得调节范围较宽的振荡频率，最高振荡

36、频率可达几十MHz。由于反馈电压取自电感，对高频信号具有较大的电抗，反馈信号中含有较多的高次谐波分量，输出电压波形不够好。4.2.2电容反馈式振荡电路1.电路的组成电容三点式振荡器电路如图4-5（a）所示。电路直流通路满足振幅条件。C3、C4、C5为交流耦合电路，可视作交流短路，画出的交流通路如图4-5（b）所示，用瞬时极性法判别其符合振荡的相位条件。注意到电容C1、C2三个端点分别接在晶体管的三个极，故称电容反馈式振荡电路为电容三点式振荡电路。2.振荡频率3反馈系数从交流通路中可以看出上述电感三点式振荡电路4.优缺点电容三点式振荡电路的输出电压波形好，振荡频率与电感三点式振荡电路相比可以做得

37、更高，可达100MHz以上。但若用改变电容的方法来调节振荡频率，则会影响电路的反馈系数和起振条件；而若用改变电感的方法来调节振荡频率，则比较困难；常用在固定振荡频率的场合。在振荡频率可调范围不大的情况下，可采用如图4-6所示电路作为选频网络。图4-64.2.3改进型电容三点式振荡电路1.电路组成若要提高电容反馈式振荡电路的频率，要减小C1、C2的电容量和L的电感量。实际上，当C1和C2减小到一定程度时，晶体管的极间电容和电路中的杂散电容将纳入C1和C2之中，从而影响振荡频率。这些电容等效为放大电路的输入电容Ci和输出电容Co，改进型电路和等效电路如图4-7所示。图4-72.振荡频率由于极间电容

38、Ci、Co受温度的影响，杂散电容又难于确定，为了稳定振荡频率，在电感支路串联一个小容量电容C3，而且C3C1，C31明表半波整流电路输出电压的脉动成分比直流分量还要大。(3)二极管的正向平均电流ID(AV) 二极管的正向平均电流ID(AV) 是指一个周期内通过二极管的平均电流。在半波整流中，有(4)二极管的最大反向峰值电压 URM 二极管的最大反向峰值电压 是指二极管不导电时在它两端承受的最大反向电压。对于半波整流电路有二极管的额定反向电压URM 应大于其承受的最高反向电压 ，即 二极管的额定整流电流IF 应大于通过二极管的平均电流 ,即 例6.2.1电热毯的温度控制电路如图6-4所示。整流二

39、极管的作用是使保温时的耗电量仅为升温时的一半。如果此电热毯在升温时耗电100 W，试计算对整流二极管的要求，并选择管子的型号。 图6-4解: 保温时(此时S1 闭合， S2 断开)负载RL上的平均电压为于升温时耗电100 W，可以求出 RL值为因此有 对整流二极管的要求满足UR 311V，ID 0.2A, 查晶体管手册可知，选用2CZ53F（ UR =400V, IF=0.3A）符合要求。通过上面的例题分析可知：半波整流电路结构简单，但输出直流分量较低，输出纹波大，且只输出交流电的半个周期，电源利用率低。为克服上述缺点，在实际应用中常采用单相桥式整流电路。6.2.2单相桥式全波整流电路1.电路

40、组成及工作原理桥式整流电路如图6-6所示，其电源变压器与半波整流电路相同，四个二极管作为整流元件，接成电桥的形式，故称桥式整流电路。其中VD1、VD4的负极接在一起，该处为输出直流电压的正极性端。同时VD2、VD3 的正极接在一起，该处为输出直流电压的负极性端。电桥的另外两端之间(二极管一正极性端和一负极性端连接在一起)，加入待整流的交流电压。单相桥式整流电路是一种全波整流电路。当 的波形为正半周时，VD1、VD3正向导通而VD2、VD4反向截止，电流i由2端出发，经VD1、RL 、VD3回到3端，这时负载 上获得一个与u2 正半周相同的电压uL (uL =u2 ) ；当 的波形为负半周时，V

41、D2、VD4正向导通而VD1、VD3反向截止，电流i24由3端出发，经VD4、 RL 、VD2回到2端，这时负载 上获得一个与u2 正半周相同的电压 ，因此， 。波形如图 6-7所示。2主要参数 (1)整流输出电压的平均值(2)纹波系数(3)二极管的正向平均电流每个二极管流过的平均电流是流过负载的平均电流的一半，即(4)二极管的最大反向峰值电压例6.2.2有一单相桥式整流电路，要求输入的交流电源电压为220 V，输出的直流电压40V、直流电流2A，试选择整流二极管。解 变压器次级电压的有效值U2 为二极管承受的最高反向电压 URM为二极管的平均电流ID(AV) 为查阅半导体手册，可选择2CZ6

42、C型硅整流二极管。该管的最高反向工作电压是100V，最大的整流电流为3A。 为使用方便，经常使用桥式整流的器件，它是将桥式整流电路中的4个二极管集中封装成一个整体，有4个管脚，其中有2个标有“”符号的管脚，为交流电源输入端，另2个管脚为直流电压输出端，分别标有“+”、“-” 符号的管脚，接负载端。经过整流电路输出的电压纹波太大，还不能直接给负载供电，必须经过滤波，使其平滑接近直流，才能作为直流电源。滤波电路常由电容、电感等电抗元件构成。利用电容两端电压不能突变的特点，把电容和负载电阻并联使输出电压波形平滑而实现滤波的功能。另外利用电感也可以实现滤波功能。6.3滤波电路6.3.1电容滤波电路1电

43、路组成及工作原理一般有 (1)空载时的情况设电容初始电压 ， ， 时接通电源，于是 分别通过VD1、VD3( 的正半周)和VD2、VD4 ( 的负半周)给C充电。由于没有放电回路，故C很快地充到u2的峰值，即 且保持不变，无脉动。， (2)带负载时的情况桥式整流电容滤波电路的波形图如图6-11所示。设电容初始电压 时接通电源，这时 为正半周，则 过VD1、VD3给C充电，充电时间常数 则电容两端的电压 快速上升。当 上升到图6-11中a点时， 各二极管均因反偏而截止，C通过 放电，放电时间常数 较大，于是 缓慢下降。直至 负半周的某一时刻，如b点处, 过了b点后 二极管VD2、VD4导通(VD

44、1、VD3仍截止)，于是C再次以 充电， 又很快上升。当 上升到图中c点后，各二极管又截止，C又以 放电， 又缓慢下降。直到 为第二个正半周的d点后，重复上述过程。由图6-11中 的波形可以看出，输出电压纹波大大减小。， 2主要参数 (1)输出电压的平均值UL经过滤波后的输出电压的平均值UL 得到了大幅升高，纹波大为减小， RLC且 越大，电容放电速度越慢， UL 越高。若忽略uL上的波动，则(2)二极管的额定电流IF二极管的导通角很小(小于180)，流过二极管的瞬时电流很大。特别在接通电源瞬间存在很大的冲击尖峰电流，选择二极管时要求(3)滤波电容的选取为了得到平滑的负载电压，滤波电容器常按下

45、式选取式中，T为交流电源电压的周期。总之，电容滤波电路简单，输出直流电压较高，纹波较小，但外特性较差，适用于负载电压较高、负载电流较小且负载变动不大的场合，作为小功率的直流电源。例6.3.1有一直流负载，要求 UL=30 v，IL =500mA的直流电源。拟采用桥式整流电容滤波电路。试选择整流二极管的型号和滤波电容。解 (1)选择整流二极管 因为桥式整流电容滤波电路中，所以变压器次级电压有效值为二极管的平均电流为二极管承受的最高反向电压为阅半导体查手册，选2CZ54B二极管4只，该管最大整流电流为500mA，最高反向工作电压为50V。(2)选择滤波电容器滤波电容器常按式 选取取标称值1000F

46、；电容器耐压为(1.52) = 。最后确定选1000F50V的电解电容器1只。6.3.2电感滤波电路1电感滤波电路组成及工作原理电感滤波电路是在整流电路与负载之间串联一个电感线圈 ，如图6-14所示。电感滤波电路是利用通过电感线圈的电流不能突变的特性来实现滤波的。当电感电流增大时，电感产生的自感电动势阻止电流的增加；而电感电流减小时，电感产生的自感电动势则阻止电流的减小。因此，当脉动电流从电感线圈通过时，将会变得平滑些。特别当负载变化引起输出电流变化时，电感线圈也能抑制负载电流的变化。电感线圈的电感量愈大，滤波效果愈好。如忽略线圈的电阻，输出电压为电感滤波适用于一些大功率整流设备和负载电流变化

47、较大的场合。电感线圈的铁芯粗大笨重，易引起电磁干扰。因此，在小型电子设备中很少采用电感滤波。2复式滤波电路组成及工作原理为进一步提高滤波效果，可将电感、电容、电阻组合起来，构成复式滤波电路。下面介绍由LC元件构成的倒L型滤波电路和由RC元件构成的型滤波电路。由于电感滤波电路适用于负载电流大的场合，而电容滤波电路则适用于负载电流小的场合，为综合二者的优点，可在电感L后接一电容C构成LC倒L型滤波电路，如图6-15所示。由于整流输出先经过电感滤波，因此其性能和应用场合与电感滤波电路相似。显然，LC滤波电路的滤波效果更好。无论是电感滤波电路还是LC滤波电路，都含有体积大、笨重且易引起电磁干扰的电感。

48、因此在负载电流不大的情况下，可用电阻R代替L。如图6-16所示。其整流输出电压先经过电容 滤波，再经 、 组成的RC倒L型滤波电路滤波，因此也称为复式滤波器电路。两次滤波使纹波大为减小，而输出直流电压式中， 为电容 两端的直流电压。可见，电阻 上的直流压降使型滤波电路的输出直流电压减小，故 取值要小。但从滤波效果来看， 越大， 上的纹波越小，滤波效果越好，因此 的选择要兼顾两方面的要求。显然，RC-型滤波电路的性能和应用场合与电容滤波电路相似。如果负载电流较大，可用L取代R，这就是构成的型滤波器。6.4.1稳压电路的主要指标6.4 稳压电路稳压电路的指标分为两大类。一类为特性指标，用来表示稳压

49、电路的规格，有输入电压、输出电压和输出功率等；另一类为质量指标，用来表示稳压性能，主要有以下几种指标。1. 文氏振荡器的组成稳压系数 是当负载固定时稳压电路输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化变化量之比。这个指标反映了电网电压波动的影响，表示稳压电路保持输出电压稳定的能力。 越小，输出电压越稳定。由于工程上常常把电网电压波动10%作为极限条件，因此也有将此时的输出电压的相对变化作为衡量的指标，称为电压调整率。2.输出电阻 定义为：在整流滤波后输入到稳压电路的直流电压不变时，稳压电路的输出电压变化量 与输出电流 变化量 之比。 反映了当负载变化时，稳压电路保持输出电压稳定的能力。显然， 越小

50、，输出电压越稳定。式中符号表示 与 变化方向相反。除了以上两个主要指标外，还有一些指标，如反映输出电压脉动的最大纹波电压。常用有效值或峰值表示；还有反映输出受温度影响的温度系数 ，它定义为输入电压和负载电流保持不变时，并且在规定的温度范围内，单位温度变化所引起的输出电压相对变化量的百分比。6.4.2稳压管稳压电路1.电路组成及工作原理由硅稳压管组成的稳压电路如图6-19所示，R为限流电阻，稳压管VDZ作调整元件的与负载RL 并联，又称为并联型稳压管稳压电路。硅稳压管工作在反向击穿区，在电路中若能保持稳压管始终工作在 的区域内，输出电压 UO基本上是稳定的。稳压过程为：（1）假设电网电压升高而使

51、 U1上升时，输出电压 UO应随之升高。但稳压管两端反向电压的微小增量，会引起 急剧增加，从而使 加大，则在R上的压降也增大，因此抵消UO的升高， 使输出电压基本维持稳定。（2）假设负载电阻减小而使 IO增大时， IR 应随之加大，则在R上的压降也增大，所以 UO也应下降，但稳压管两端反向电压的略微下降，会引起 IZ的急剧减小，从而使 基本不变。 硅稳压管稳压电路是利用稳压管两端电压的微小变化来调节其电流 较大的变化，通过改变电阻R上压降，从而使输出电压 基本维持稳定。2. 限流电阻R的选择限流电阻R的作用是，当电网电压波动或负载电阻变化时，使稳压管始终工作在稳压区，即 若输入电压的最大值为

52、UImax，最小值为UImin ；负载电阻的最大值为RLmax ，最小值为RLmin (即负载电流的最小值 ，最大值 )。则限流电阻R的取值应满足： 即R的范围是 ，如果出现 情况，则说明已经超出稳压管的工作范围了，需重新选择稳压管。例6.4.1要求设计一个硅稳压管稳压电路，输出电压U0 =12v,负载电阻RL 由开路变到2 k，试选择电路元件及输入电压值 UI，输入电压有32V和24V可供选择。解 （1）选稳压管根据输出电压 ，选定负载电流留有余地，一般选流过稳压管的电流为取 查手册选稳压管2CW5，其稳定电压为11.514V，最大稳定电流为20mA，工作电流2mA，最大允许耗散功率为250

53、mW。(2)选输入电压一般取，则取输入电压32V。一般把工作电流（3）选限流电阻R设 UI有 的波动 已知， 视为， 限流电阻取标称值1.5k。6.4.3串联型稳压电路1.电路组成及工作原理串联型稳压电路是目前较为通用的稳压电路类型，电路如图6-21所示。它主要有基准电压源、比较放大器、调整电路和采样电路四部分组成。图中UI 是整流滤波电路的输出电压；R和VDZ组成稳压管稳压电路，提供基准电压Uz 。运放A是比较放大器，它把采样电路RI 、 Rp和R2从输出电压 Uo取出一部分电压与基准电压进行比较，将比较结果放大后，送调整管的基极去调整输出电压。因为调整管V1与负载电阻串联，所以这种电路称为

54、串联型稳压电路。2.输出电压的调节范围由图6-21可知，输出电压是通过调节电位器 RP实现的，取样电压UF 为由于所以稳压电路输出电压 Uo等于由此可见改变取样电路中间电位器抽头的位置，可以调节输出电压Uo 的大小。当电位器调至RP 的上端时， 此时输出电压最小，故当电位器调至RP 的下端时， 此时输出电压最大，故6.4.4集成稳压器集成稳压电路的类型很多，按结构形式分为串联型、并联型和开关型；按输出电压类型可分为固定式和可调式。作为小功率的稳压电源，以三端式串联型稳压器的应用最为普遍。1.三端电压固定式集成稳压器三端电压固定式集成稳压器有正电压输出的78XX和负电压输出的79XX两个系列，每

55、个系列按输出电压的不同(指绝对值)又有5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V等多个挡次。它们型号的后两位数字就表示输出电压值，如：7812表示输出电压为+12V，7912表示输出电压为-12V。这类稳压器的最大输出电流可达15 A(需装散热片)。同类产品还有W78M00系列、W79M00系列，输出电流为0.5A；此外还有W78L00系列，W79L00系列，输出电流为100mA。常见的集成三端稳压器外形如图6-23所示。三端电压固定式集成稳压器它属于串联型稳压电路，并具有过热、过流和过压等功能。原理框图如图6-24所示。（1）性能指标 最大输入电压UImax ，即保证集成稳压器安全工作

56、时，所允许的最大输入电压。 最小输入、输出电压差值(UI-UO)min 即保证稳压器正常工作时所需的最小输入输出电压之间的差值。 输出电压UO 。 最大输出电流IOmax ，即保证集成稳压器安全工作时允许的最大电流。 输出电阻RO ，它表示输出电流从零到某一规定值时，输出电压的下降量 。它反应负载变化时的稳压性能。 RO 越小，稳压性能越好。（2）三端电压固定式集成稳压器的应用W78XX系列作为固定输出时的典型接线如图6-25所示。为保证稳压器正常工作，最小输入输出电压差至少为（23）V。电容C1在输入线较长时抵消电感效应，以防止产生自激振荡；C2是为了消除电路的高频噪声，改善负载的瞬间响应。

57、如果需要负电源时，可采用W79XX系列如图6-26所示电路。如果将W78XX和W79XX系列配合使用，可以得到正负输出的稳压电路，如图6-27所示电路。图6-25图6-26图6-272.三端电压可调式集成稳压器三端电压器如图6-28所示。为保证稳压器在空载时也能正常工作，尤其流过电阻 的电流不能太大，一般取，故由图可知，调节RP 可改变输出电压大小，输出电压为W317的基准电压是1.25V，使得输出电压只能从1.25V向上起调。在实际应用中，有时要求稳压电源从零伏开始起调。如果电位器RP 不接地，而接一个-1.25V的电压，便可做到集成稳压器的输出电压从零伏开始向上调节，如图6-29所示，该电

58、路输出电压为030V连续可调， R2是限流电阻，稳压管 的稳定电压值为1.25 V，用来与 相抵消。6.4.5开关稳压电源1.开关稳压电源的特点 开关稳压电源的种类很多，按开关管控制信号的调制方式可分为:脉冲调宽、调频、调宽调频混合式三种;按开关稳压电路中的开关控制信号是否由电路自身产生，分自激式和他激式开关稳压电源。 另外，作为直流电源类型，还有将直流变换成交流，由变压器升压后再转换成较高的直流电压，称为直流变换型电源。开关稳压电源如图。2.电路及其工作原理 开关稳压电源的原理电路如图6-3 2所示。U1工为整流滤波后的直流电压。三极管V1为调整元件，工作于开关状态。由运放A、基准电压UI2

59、EF和RI ,R2:组成滞回比较器，作为开关控制电路，其输出的方波信号控制调整管的基极。调整管V1的发射极电位为矩形波，再由L、C、VD组成储能续流滤波电路变换成平滑的直流电压输出。稳压过程:如图6-32所示，在闭环的情况下，电路能自动调节使输出电压U0以稳定。在RI ,R2和R3 ,R4已确定的情况下，由于U1的不稳定或RL的变化，都将引起输出电压U0的变化，经R3 ,R4的分压作用使取样电压UF也随着变化，这将导致运放A输出高电平的时间也发生变化，这样就进一步影响开关管V1的导通时间,Ton从而控制输出电压U0自动维持稳定。 由此可见，开关稳压电路是以自动调节开关管的开关时间来实现稳压的，

60、开关频率一般取10100 kHz为宜。这是因为若开关频率过高，将使开关管在单位时间内开关转换的次数增加，开关管的功耗也随之增加，效率降低;若开关频率过低，则会导致输出电压的交流成分增加。第7章 Multisim 10使用指南7.1 电子仿真技术的发展7.2 Multisim 10操作界面设计7.3 常用虚拟仪器的使用7.4基本界面设置7.5创建仿真电路图7.6仪器连接与仿真测试电子工作平台(EWB)是加拿大Interactive Image Technologies公司于20世纪80年代末推出的颇具特色的电子仿真软件，曾风靡全球。它以其界面形象直观、操作方便、分析功能强大、易学易用等优点，早在