项目4 OTL功率放大器的制作与调试

项目4OTL功率放大器的制作与调试项目描述本项目要求制作一个可以将CD、VCD、DVD、MP3等信号源输入的声音信号进行放大，并通过扬声器输出的OTL功率放大器，功放电路不仅能够向负载提供较大的工作电压，而且还能够向负载提供较大的工作电流，使负载获得足够的功率，以完成相应的工作。如扬声器发声、继电器动作等都需要相应的功率放大器为其提供驱动。任务4.1常用半导体器件的识别与检测【任务引入】

半导体器件是导电性介于良导电体与绝缘体之间，利用半导体材料特殊电特性来完成特定功能的电子器件，可用来产生、控制、接收、变换、放大信号和进行能量转换。半导体在常态下导电能力非常微弱，但在掺杂、受热、光照等条件作用下，其导电性能可能会大大加强。用来制造电子元件的半导体材料有硅、锗和砷化镓等。

电工电子产品制作与调试

根据物体导电能力的不同，划分为导体、绝缘体和半导体。典型的半导体有硅Si和锗Ge等。1.1.1半导体的特点

1）导电性能介于导体和绝缘体之间；

2）受外界光和热刺激时电导率发生很大变化——光敏元件、热敏元件；

3）掺进微量杂质，导电能力显著增加——掺杂性。半导体—

导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体

—纯净的半导体。如硅、锗单晶体。载流子—自由运动的带电粒子。共价键—相邻原子共有价电子所形成的束缚。+4+4+4+4硅(锗)的原子结构Si284Ge28184简化模型+4惯性核硅(锗)的共价键结构价电子自由电子(束缚电子)空穴空穴空穴可在共价键内移动+4+4+4+4+4+4+4+4+4T=0K时本征半导体——纯净的、具有晶体结构的半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴本征激发复合在常温下成对出现成对消失本征半导体的载流子空穴移动载流子——可以自由移动的带电粒子。掺杂半导体:在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。掺入的杂质主要是三价或五价元素。杂质半导体N型半导体P型半导体（三价）（五价）+4+4+4+4+4+4+4+4（1）N型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的五价元素,如磷,则形成N型半导体。(电子型半导体)

磷原子+4+5多余价电子自由电子正离子磷原子电子为多数载流子空穴为少数载流子载流子数

电子数

N型半导体结构示意图少数载流子多数载流子正离子在N型半导中,自由电子是多数载流子,

空穴是少数载流子。+4+4+4+4+4+4+4空穴（2）P型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的三价元素,如硼,则形成P型半导体。

(空穴型半导体)

+4+4硼原子填补空位+3负离子硼原子空穴

—

多子电子

—

少子载流子数

空穴数

P型半导体结构示意图电子是少数载流子负离子空穴是多数载流子P区N区PN结的形成N区的电子向P区扩散并与空穴复合P区的空穴向N区扩散并与电子复合空间电荷区内电场方向多子扩散少子漂移内电场方向空间电荷区P区N区在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定下来。内电场方向E外电场方向RIPN结的单向导电性P区N区外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷N区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷空间电荷区变窄

扩散运动增强，形成较大的正向电流（1）外加正向电压P区N区内电场方向ER空间电荷区变宽外电场方向IR（2）外加反向电压外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走少数载流子越过PN结形成很小的反向电流多数载流子的扩散运动难于进行1.空间电荷区中没有载流子又称耗尽层。2.空间电荷区中内电场阻碍扩散运动的进行。（扩散运动为多子形成的运动）3.少子数量有限，因此由它们形成的电流很小。4.PN结具有单向导电性。

正向偏置：P区加正、N区加负电压多子运动增强，PN结导通

反向偏置：P区加负、N区加正电压少子运动增强，PN结截止结论PN结就是一个二极管。所以二极管也具有单向导电性。P端引出的电极为正（称正极或阳极），N端引出的电极为负（称负极或阴极）。

二极管=PN结+管壳+引线NP结构符号阳极+阴极-任务1.2半导体二极管1.2.1二极管的结构和分类二极管分类划分方法及种类解说

按功能划分普通二极管常见的二极管整流二极管专门用于整流的二极管发光二极管专用于指示信号的二极管,能发出可见光稳压二极管专门用于稳压的二极管光敏二极管对光有敏感作用的二极管按照材料划分硅二极管硅材料二极管,常用的二极管锗二极管锗材料二极管按外部封装材料划分塑封二极管大量使用的二极管使用这种封装材料金属封装二极管大功率整流二极管采用这种封装材料玻璃封装二极管检波二极管采用这种封装材料二极管的识别

二极管按结构分有点接触型、面接触型二大类。(1)点接触型二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(2)面接触型二极管PN结面积大，用于大电流整流电路。二极管的型号2AP9用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管。代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge，C为N型Si，D为P型Si。2代表二极管，3代表三极管。反向特性正向特性U0IUth导通压降:硅管0.6~0.8V锗管0.1~0.3V击穿特性UB+NP-N+P-二极管具有单向导电性门槛电压:硅管0.5V锗管0.1V二极管的伏安特性反向特性正向特性U0IUth导通压降:硅管0.6~0.8V锗管0.1~0.3V击穿特性UB

IF—最大整流电流(最大正向平均电流)URM—最高反向工作电压

IR—反向电流fM—最高工作频率(超过时单向导电性变差)

IFURM

IR

URM≈UB/2

半导体二极管的参数(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压UBR(3)反向电流IR(4)正向压降VF在室温，规定的反向电压下，最大反向工作电压下的反向电流值。在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。硅二极管约0.6～0.8V；锗二极管约0.2～0.3V。二极管连续工作时，允许流过的最大整流电流的平均值。二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压UBR。为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压URM一般只按反向击穿电压UBR的一半计算。二极管的等效模型能够用简单、理想的模型来模拟电子器件的复杂特性或行为的电路称为等效电路，也称为等效模型。能够模拟二极管特性的电路称为二极管的等效电路，也称为二极管的等效模型。二极管应用等效模型：理想模型：二极管两端电压正偏时导通，反偏时截止。导通时二极管视作短路，截止时视作断路。恒压降模型：当二极管两端加的正向电压大于阈值导通电压时导通，小于该值时二极管截止。导通时二极管视作电压源，截止时视作断路。在实际计算时，为分析二极管状态，可先将其视为断开，观察或计算二极管两端电压后再行判断。为方便起见，二极管通常被简化成以下两种模型：两种模型的区别在于：二极管导通电压的不同。前者为零，后者为0.7V（硅管）例1：二极管构成的限幅电路如图所示，R＝1kΩ，UREF=2V，输入信号为ui。

(1)若Ui为4V的直流信号，分别采用二极管理想模型、实际模型计算电流I和输出电压uo解：（1）采用理想模型分析

采用实际模型串联电压源模型分析。（2）如果ui为幅度±4V的交流三角波，波形如图（b）所示，采用二极管理想模型和实际模型分析电路并画出相应的输出电压波形。解：①采用理想二极管模型分析。波形如图所示。0-4V4Vuit2V2Vuot02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V

②采用理想二极管串联电压源模型分析，波形如图所示。求VDD=10V时，二极管的电流ID、电压VD

值。解1：正向偏置时：管压降为0，电阻也为0。反向偏置时：电流为0，电阻为∞。解2：例2VRVmvit0Vi>VR时，二极管导通，vo=vi。Vi<VR时，二极管截止，vo=VR。理想二极管电路中vi=VmsinωtV，求输出波形v0。解：例31.稳压二极管

稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的反向击穿特性很陡且稳压管的反向击穿是可逆的。特殊二极管VZ当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流IZ在Izmax和Izmin之间变化时,其两端电压近似为常数

稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻起限流作用，保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。

稳压二极管的主要参数

(1)稳定电压UZ——

在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。

(2)最小稳定工作电流IZmin——保证稳压管击穿所对应的电流，若IZ＜IZmin则不能稳压

超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。(4)最大允许耗散功率PZM=UZIZM(3)最大稳定工作电流IZmax——稳压二极管应用等效模型：2.发光二极管简称LED（LightEmittingDiode），在发光二极管两端加正向电压时，多子在扩散中复合时，部分能量以光子放出，使二极管发光。3.光电二极管光电二极管工作在反向电压下，通过光照增加少子浓度，利用漂移电流导电。电路电流随光照变化。（1）极性的判别

将万用表置于R×100档或R×1k档，两表笔分别接二极管的两个电极，测出一个结果后，对调两表笔，再测出一个结果。两次测量的结果中，有一次测量出的阻值较大（为反向电阻），一次测量出的阻值较小（为正向电阻）。在阻值较小的一次测量中，黑表笔接的是二极管的正极，红表笔接的是二极管的负极。

1、普通二极管的识别与检测

（2）单向导电性能的检测及好坏的判断

通常，锗材料二极管的正向电阻值为1kΩ左右，反向电阻值为300M左右。硅材料二极管的电阻值为5kΩ左右，反向电阻值为∞（无穷大）。正向电阻越小越好，反向电阻越大越好。正、反向电阻值相差越悬殊，说明二极管的单向导电特性越好。若测得二极管的正、反向电阻值均接近0或阻值较小，则说明该二极管内部已击穿短路或漏电损坏。若测得二极管的正、反向电阻值均为无穷大，则说明该二极管已开路损坏。目测极性判别红外发光二极管的正、负电极。红外发光二极管有两个引脚，通常长引脚为正极，短引脚为负极。因红外发光二极管呈透明状，所以管壳内的电极清晰可见，内部电极较宽较大的一个为负极，而较窄且小的一个为正极。

2、发光二极管的识别与检测长脚为正极大头为负极目测（从外形上看）。金属封装稳压二极管管体的正极一端为平面形，负极一端为半圆面形。塑封稳压二极管管体上印有彩色标记的一端为负极，另一端为正极。

3、稳压二极管的识别与检测黑头一侧为阴极端频率：高频管、低频管功率：材料：小、中、大功率管硅管、锗管类型：NPN型、PNP型晶体管（三极管）是最重要的一种半导体器件。部分三极管的外型晶体管的识别与检测N型硅BECN型硅P型硅（a）平面型二氧化硅保护膜N型锗ECBPP（b）合金型铟球铟球晶体三极管的结构：由两个PN结、三层半导体组成的。三层半导体材料构成NPN型、PNP型NNP发射极E基极B集电极C发射结集电结—基区—发射区—集电区NPN型ECB各区主要作用及结构特点：发射区作用：发射载流子,特点：掺杂浓度高基区作用：传输载流子,特点：薄、掺杂浓度低集电区作用：接收载流子,特点：面积大符号PPNEBCECBPNP型结构特点：•发射区的掺杂浓度最高；•集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；•基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。管芯结构剖面图晶体管的两种基本结构BECNNP基极发射极集电极NPN型（最常用）BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管PNP集电极基极发射极BCEPNP型NNPBEC基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高思考：集电区与发射区可否互换？发射结集电结一、晶体管放大的条件1.内部条件发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低集电结面积大2.外部条件发射结正偏集电结反偏二、晶体管的电流分配和放大作用实验电路mAmAICECIBIERBEBCEBVT

A电路条件:

EC>EB

发射结正偏，集电结反偏mAmAICECIBIERBEBCEB3DG6

A测量结果IB/mA00.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.501.001.602.202.90IE/mA0.0010.511.021.632.242.95IC/IB5050535558

IC/

IB50606070(1)符合KCL定律(2)IC和IE比IB大得多(3)IB

很小的变化可以引起

IC很大的变化。

即：基极电流对集电极电流具有小量控制大量的作用，这就是晶体管的放大作用。发射区向基区扩散电子IEIB电子在基区扩散与复合集电区收集电子

电子流向电源正极形成ICICNPN电源负极向发射区补充电子形成发射极电流IEEB正极拉走电子，补充被复合的空穴，形成IBVCCRCVBBRB三极管内部载流子的运动规律总结：

1.晶体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。

2.晶体管的电流放大作用，实质上是基极电流对集电极电流的控制作用。一、输入特性输入回路输出回路与二极管特性相似RCECiBIERB+uBE

+uCE

EBCEBiC+

+

+

iBRB+uBE

EB+

O特性基本重合(电流分配关系确定)特性右移(因集电结开始吸引电子)导通电压UBESi管:(0.6

0.7)VGe管:(0.2

0.3)VEB+

RB二、输出特性

1.调整RB使基极电流为某一数值。

2.基极电流不变，调整EC测量集电极电流和uCE

电压。输出特性曲线50µA40µA30µA10µAIB=020µAuCE

/VO2468

4321iC

/mAmAICECIBRBEBCEB3DG6

ARCV+uCE

iC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0O24684321截止区：

IB

0

IC=ICEO

0条件：两个结反偏2.放大区：3.饱和区：uCE

u

BEuCB=uCE

u

BE

0条件：两个结正偏特点：IC

IB临界饱和时：uCE

=uBE深度饱和时：0.3V(硅管)UCE为：0.1V(锗管)放大区截止区饱和区条件：发射结正偏集电结反偏特点：水平、等间隔ICEO输出特性曲线例

一只在电路中正常工作于放大状态的晶体管，用万用表的直流电压挡测得三个电极对参考点的电位分别是：A=9V、B=8.8V、C=3.6V，判断这只晶体管是什么类型（PNP、NPN)?是硅管还是鍺管？三个极是什么电极？解：根据晶体管的工作特点，两个压差小的应是基极和发射极（硅管0.6V左右，锗管0.2V左右

）。

发射极电位最高，集电极电位最低。所以是PNP管。（9-8.8）V=0.2V(是锗管)A是发射极、B是基极、C是集电极1.性能参数iC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAIB=0024684321一般为几十

几百Q主要参数（1）直流电流放大系数（2）交流电流放大系数

（3）集-基极反向截止电流ICBO

ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。ICBO越小，三极管热稳定性越好温度

ICBO

ICBO

A+–EC（4）集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEO

AICEOIB=0+–

ICEO受温度的影响大。温度

ICEO

，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。选三极管时，要选ICBO尽可能小（5）集电极最大允许电流ICM

三极管的参数变化不超过允许值时，集电极的最大电流，集电极电流IC超过ICM，会导致三极管的

值的下降，同时三极管明显发热，严重时可能烧毁三极管。当

值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。（6）集电极最大允许耗散功耗PCMPCM是一个确定值，三极管工作时超过这个值，PN结温度过高，消耗功率过大，三极管性能变差或烧毁。

PC

PCM=ICUCE

硅管允许结温约为150C，锗管约为70

90C。2.极限参数1.ICM

—集电极最大允许电流，超过时

值明显降低。U(BR)CBO

—发射极开路时C、B极间反向击穿电压。2.PCM—集电极最大允许功率损耗PC=iC

uCE。3.U(BR)CEO

—基极开路时C、E极间反向击穿电压。U(BR)EBO

—集电极极开路时E、B极间反向击穿电压。U(BR)CBO>U(BR)CEO>U(BR)EBOiCICMU(BR)CEOuCEPCMOICEO安全工作区三极管的基本组态和特性曲线共集电极接法集电极作为公共电极共基极接法基极作为公共电极共发射极接法发射极作为公共电极IC

/mAUCE

/V0放大区三极管输出特性上的三个工作区IB=

0µA20µA40µA截止区饱和区60µA80µA

测量三极管三个电极对地电位，试判断三极管的工作状态。

放大截止饱和-+正偏反偏-++-正偏反偏+-放大Vc>Vb>Ve放大Vc<Vb<Ve发射结和集电结均为反偏。发射结和集电结均为正偏。例1：测得VB=4.5V、VE=3.8V、VC=8V，试判断三极管的工作状态。放大例2：学习与探讨晶体管的发射极和集电极是不能互换使用的。因为发射区的掺杂质浓度很高，集电区的掺杂质浓度较低，这样才使得发射极电流等于基极电流和集电极电流之和，如果互换作用显然不行。

晶体管在输出特性曲线的饱和区工作时，UCE<UBE，集电结也处于正偏，这时内电场大大削弱，这种情况下极不利于集电区收集从发射区到达基区的电子，因此在相同的基极电流IB时，集电极电流IC比放大状态下要小很多，可见饱和区下的电流放大倍数不再等于β。晶体管在输出特性曲线的饱和区工作时，其电流放大系数是否也等于β？晶体管的发射极和集电极能否互换使用？为什么?任务4.2基本放大电路的认识与运用【任务引入】基本放大电路是电路的一种，可以应用在电路施工中。基本放大电路输入电阻很低，一般只有几欧到几十欧，但其输出电阻却很高。对于初学者而言，通过分析基本放大电路的电路原理，增加静态工作点对输出波形影响的认识，并学习负反馈放大电路的判断和特性，可以为后续进一步学习功率放大电路奠定基础。

电工电子产品制作与调试共射极放大电路的组成和各元件的作用电子学中放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号。

放大电路又称为放大器，它是把小的输入电压或电流放大的装置。

从放大器的功能来看，它又可分为电压放大器和功率放大器。我们主要讲电压放大器uiuoAu

基本放大电路又称作单管放大电路，它是构成复杂放大电路的基本单元。基本放大电路的习惯画法RB+ECRCC1C2TRL+-ui+-uo正电源基极电阻集电极电阻输入耦合电容输出耦合电容输入电压输出电压负载电阻三极管++基本放大电路的组成1.三极管T是放大电路核心元件,起电流放大作用2.基极电阻RB:使三极管发射结正向偏置,并为三极管提供合适的基极电流IB3.电源EC:为电路提供能量；和电阻配合提供三极管放大所需偏置电压基本放大电路各元件的作用Ec5.集电极负载电阻RC:与RB阻值配合,保证三极管集电结反向偏置,即UCE>UBE；将变化的集电极电流变换成变化的输出电压。4.耦合电容：隔直通交隔离输入输出与电路直流的联系，同时能使信号顺利输入输出。RB+ECRCC1C2uiiBiCuCEuouo比ui幅度放大且相位相反uBE放大的实质：用较小的信号去控制较大的信号。电工电子产品制作与调试放大电路的分析方法放大电路分析静态分析估算法图解法动态分析微变等效电路法图解法计算机仿真电工电子产品制作与调试1.静态工作点——指无交流信号输入时，电路中的电流、电压都不变的状态。ui=0时由于电源的存在，电路中存在一组直流量。ICIEIB+UBE-+UCE-共射极放大电路的静态分析由于(IB,UBE)和(IC,UCE)分别对应于输入、输出特性曲线上的一个点，所以称为静态工作点。IBUBEQIBUBEQUCEICICUCEIB为什么要设置静态工作点？

放大电路建立正确的静态工作点，是为了使三极管工作在线性区，以保证信号不失真。静态工作点Q（主要指IBQ、ICQ和UCEQ）。开路画出放大电路的直流通路

2.静态工作点的估算

将交流电压源短路，将电容开路。直流通路的画法：开路对交流信号(输入信号ui)补充：放大器的交流通路交流通路——分析动态工作情况交流通路的画法：

将直流电压源短路，将电容短路。短路短路置零交流通路电工电子产品制作与调试练习：画出直流通路和交流通路电工电子产品制作与调试直流通路：耦合电容可视为开路。RB称为偏置电阻IB称为偏置电流1.用放大电路的直流通路确定静态值电工电子产品制作与调试例：用估算法计算静态工作点。已知：VCC=12V，RC=4K

，Rb=300K，

=37.5解：请注意电路中IB和IC的数量级电工电子产品制作与调试2.用图解法分析放大器的静态工作点UCE=VCC–ICRCVCCICU