电工电子技术基础 王慧丽 第2版 课件 第5、6章 稳压电源电路、晶体管放大电路分析

第5章稳压电源电路5.1半导体二极管的特性与识别5.1.1半导体基础知识5.1.2晶体二极管5.2整流电路分析5.2.1单相半波整流电路5.2.2单相桥式全波整流电路5.3滤波与稳压电路分析5.3.1滤波电路5.3.2稳压电路5.4集成稳压器5.4.1三端电压固定式集成稳压器5.1半导体二极管的特性与识别5.1.1

半导体基础知识一、半导体的导电特点1.半导体材料

物质分为导体、半导体、绝缘体，半导体是4价元素。半导体材料的特点：半导体的导电能力受光和热影响

T°↑

导电能力↑光照↑导电能力↑纯净的半导体掺入杂质导电性会大大增强。+4

纯净的、具有晶体结构的半导体称为本征半导体。本征半导体中的载流子自由电子(－)

空穴（+）2.本征半导体空穴与电子成对出现并可以复合。3.杂质半导体N型半导体掺五价元素，如磷，自由电子数多于空穴数，自由电子数是多子。P型半导体掺三价元素，如硼，空穴数多于自由电子数，空穴是多子。4．扩散电流与漂移电流载流子由于浓度差异而形成运动所产生的电流叫扩散电流。在电场作用下，载流子定向运动而形成的电流叫漂移电流。

1.PN结的形成二、

PN结扩散运动空间电荷区削弱内电场漂移运动内电场动态平衡－－－－－－－－－－－－－－－－P内电场电荷区空间扩散运动漂移运动N

外电场方向与内电场方向相反

空间电荷区(耗尽层)变薄

扩散＞漂移导通电流很大,呈低阻态2.PN结的单向导电性－－－－－－－－PN内电场外电场

加正向电压（正偏）P（+）N（－）－－－－－－－－外电场与内电场相同耗尽层加厚

漂移＞扩散形成反向电流IR，很小。呈高阻态N－－－－－－－－－－－－－－－－P

内电场

外电场

加反向电压（反偏）P（－）N（+）PN结正偏，导通；PN结反偏，截止5.1半导体二极管的特性与识别5.1.2

晶体二极管一、半导体二极管的伏安特性+P区－－阳极N区－－阴极阳极阴极1.正向特性死区电压硅管0.5V

锗管0.1V

正向导通电压硅管0.7V

锗管0.3Vi(mA)u(V)反向击穿电压死区GeSi2.

反向特性反向饱和电流很小，可视为开路，反向电压过高，电流急增，二极管发生击穿。导通电压VD二、半导体二极管的主要参数1.最大整流电流IF

二极管允许通过的最大正向平均电流。2.最高反向工作电压URM

保证二极管不被击穿允许加的最大反向电压。3.最大反向饱和电流IR

室温下，二极管加最高反向电压时的反向电流，与温度有关。二、半导体二极管的主要参数1.最大整流电流IF

二极管允许通过的最大正向平均电流。2.最高反向工作电压URM

保证二极管不被击穿允许加的最大反向电压。3.最大反向饱和电流IR

室温下，二极管加最高反向电压时的反向电流，与温度有关。

例：如图，E＝5V，二极管正向压降忽略不计，画出uo波形。EVDuiuO10ui(V)ωtui<EVD截止

uo=Eui>EVD导通

uo=ui5uOωt5

利用二极管的单向导电性可对输出信号起限幅作用。例：二极管组成电路如图，设二极管导通电压为0.3V，试求输出电压UF。+3VUF－12VR0VVD1VD23

>0>－12VVD1率先导通，

UF＝3－0.3＝2.7VVD2截止解：5.2整流电路分析5.2.1

单相半波整流电路5.2.2

单相桥式全波整流电路一、单相半波整流电路1.电路分析正半周(0～π)a(+)b(－)VD导通VDu2uo～u1RLabu2π2π3πuoπ2π3π

负半周(π～２π)a(－)b(＋)VD截止

uo=0uo=u2

单相半波整流电压平均值2.参数计算3.元件选择RL中电流平均值二、单相桥式全波整流电路VD1～u2uou1RLabVD2VD3VD41.电路分析正半周(０～π)a(＋)b(－)电流方向

负半周(π～２π)a(－)b(＋)

电流方向u2π2π3πuoπ2π3π2.参数计算

桥式整流电路电压平均值RL中电流平均值3.元件选择5.3滤波与稳压电路分析5.3.1滤波电路5.3.2稳压电路一、滤波原理

滤波电路是利用储能元件(与负载并联电容或与负载串联电感)滤掉整流所得的单向脉动电压的交流分量，保留直流分量，使输出电压脉动减小。

电容两端电压不能跃变，在整流电路中加入电容，由于电容不断的充放电，使输出电压的脉动减小。VDu2uo～u1RLabC～u1u2uoRLCu2π2π3πu2π2π3πuoπ2π3πuoπ2π3π5.4集成稳压电路5.4.1W78××系列稳压器以工作方式分 ：a.串联型稳压电路

b.并联型稳压电路

c.开关型稳压电路以输出电压分：a.固定稳压电路

b.可调式稳压电路

集成稳压电源的主要参数

1.电压调整率SV

表征负载不变，输出电压变化的稳压能力。2.输出电阻R0

表征输入电压不变，负载变化时的稳压能力。3.输出电压温度系数ST

指负载、输入电压不变时，温度引起的输出变化。W78XX系列集成稳压电源W78××123输入端输出端公共端W78××系列输出固定的正电压有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V，最高输入电压为35V，如W7815，在1、3脚输入35V，在2、3脚输出15V。

基本应用电路W78××123COCLUIUOCO用于消除引线的电感效应引起的自激振荡CL用于削弱高频噪声

提高输出电压的稳压电路W78××123COCLUIUOUZUO=UXX+UZ

例:

利用W7812接成输出电压可调的稳压电路，试求输出电压可调范围。W7812123COCLUIUO++10K10K30K当滑动头调到最下端当滑动头调到最上端解：第6章晶体管放大电路分析6.1变晶体管的特性与识别6.1.1晶体管的基本结构及类型6.1.2晶体管的放大原理6.1.3晶体管的特性曲线6.1.4晶体管的主要参数6.2放大电路分析6.2.1共发射极放大电路6.2.2基本共集放大电路6.3集成运算放大电路6.3.1差动放大电路6.3.2互补对称电路6.3.3集成运放基本简介6.3.4集成运放在模拟信号运算方面的应用6.1晶体管的特性与识别6.1.1晶体管基本结构及类型基区集电区发射区基极集电极发射极集电结发射结NPN型结构及符号VTNPN型结构PNP型结构和符号特点：发射区参杂浓度很大，基区薄且浓度低，集电结面积大。VTPNP型结构6.1晶体管的特性与识别6.1.2晶体管放大原理１．放大条件（１）内部特点决定 发射区产生大量载流子基区传送载流子集电区收集载流子（２）外部条件

发射结正偏，集电结反偏IEICIBRBRCEBECNNP发射区电子发射结正偏利于发射区发射电子基区集电结反偏利于集电区收集电子

集电区2.电流分配IBRBEBICRCECIE基极电流很小的变化，将引起集电极电流一个很大的变化。直流放大系数交流放大系数6.1晶体管的特性与识别6.1.3晶体管特性曲线1.输入特性曲线IB＝f(UBE)︳UCE=常数

发射结、集电结正偏，两个二极管正向并联。

集电结反偏，IB减小UCE>1IB变化很小，与UCE=1曲线重合。IB(μA)UBE(V)UCE=0UCE≥12．输出特性曲线饱和区截止区放大区

截止区IB≈0，IC≈0，UBE≤0发射结反偏，集电结反偏。

放大区

IC＝βIB

发射结正偏，集电结反偏。

饱和区

UCE≤UBE

，发射结正偏、集电结正偏。

IC(mA)UCE(V)IB＝0IB＝20IB＝40IB＝60IB＝806.1晶体管的特性与识别6.1.4晶体管主要参数2．极间反向电流

ICBO：发射极开路，基极与集电极间的反向饱和电流，受温度影响大。

ICEO：基极开路，集电极与发射极间的穿透电流。1．放大倍数

集电极最大电流ICMIC<ICM

集电极—发射极反向击穿电压UCEO

基极开路，加在集电极和发射极间的最大允许工作电压。

UCE<UCEO

集电极最大允许功耗PCMICUCE<PCM3．极限参数6.2放大电路分析6.2.1共发射极放大电路一放大的概念

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。二电路组成

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+–++–uBEuCE–iCiBiE共发射极基本电路ECRSesRBEBRCC1C2T++–RL++––ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE信号源负载集电极电源EC

--为电路提供能量。并保证集电结反偏。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。+UCCRSesRBRCC1C2T+++–RLui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE共发射极基本电路常用的画法1、基本思想

非线性电路经适当近似后可按线性电路对待，利用叠加定理，分别分析电路中的交、直流成分。分析三极管电路的基本思想和方法直流通路(ui=0)分析静态。画交流通路原则：1.固定不变的电压源都视为短路；2.固定不变的电流源都视为开路；3.视电容对交流信号短路交流通路(ui

0)分析动态，只考虑变化的电压和电流。2、基本方法图解法：在输入、输出特性图上画交、直流负载线，求静态工作点“Q”，分析动态波形及失真等。解析法：根据发射结导通压降估算“Q”。用小信号等效电路法分析计算电路动态参数。三静态分析

符号说明iB=IB+ib

iC=IC+ic直流分量：IB、IC、IE、UCE交流分量：ib、ic、ie、uce总电流量：iB、iC、iE、uCEiE=IE+ie

uCE=UCE+ucetuoUbeUBEubeuBE直流通道在Δui=0时所形成的直流通路称为直流通道。直流通道里只有直流量，此时称放大电路为静态。画法：视电容为开路，画出电路其余部分。+UCCRSesRBRCC1C2T+++–RLui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE+UCCRBRCT++–UBEUCE–ICIBIE直流通路+UCCRBRCC1C2T++ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE+UCCRBRCT++–UBEUCE–ICIBIE1.估算法静态时三极管各极电流和电压值称为静态工作点Q。静态分析的目的：确定放大电路的静态工作点(直流值)IBQ，ICQ

，UCEQ分析方法：利用直流通路计算放大电路的静态工作点。直流通路静态工作点+UCCRBRCT++–UBEUCE–ICIBIE直流通路2.图解法输入直流偏置线方程：UBE=UCC

IBRB输出直流负载线方程：uCE/ViC/mAUCCUCC/RCOQUCEQICQIB=20

A输出回路图解输入回路图解QuBE/ViB/

A静态工作点UCCUCC/RBUBEQIBQOUCE=UCC

RCIC+UCCRBRCT++–UBEUCE–ICIBIE

四动态分析交流通道 只考虑交流信号形成的电路通道称为交流通道。 此时视直流量短路，电路为动态。

画法：视直流源、电容均短路。○○RSRBRCuSuO

+UCCRBRCC1C2T++ui+–uo+–++–uBEuCE–iCiBiE在静态的基础上加入输入信号时的工作状态称为动态。IBQuiOtiBOtuCEOtuoOtiCOtICQ

uBE

Ot

1、微变等效电路法动态分析的目的：确定放大电路的电压放大倍数

，输入电阻和输入电阻。分析方法：微变（小信号）等效电路分析法。+uce–+ube–

ibicCBE从输入端口看进去，相当于电阻rbe几百-几千欧姆OIB

UBE

IB

Q

IB

UBE输入电阻从输出端口看进去为一个受ib

控制的电流源+uce–+ube–

ibicCBEQiC

ICUCEuCE

IB

ICICic

=

ibrbe

Eibic

ib+ube

+uce

BC

IC

UCE阻值很高，约几十千欧~几百千欧，可忽略。rce输出电阻

微变等效电路是对交流分量而言，先画放大电路的交流通路，将交流通路中的晶体管用其微变等效电路来代替，即得到放大电路的微变等效电路。晶体三极管交流分析步骤：①

分析直流电路，求出“Q”，计算rbe。②

画电路的交流通路。③

在交流通路上把三极管画成H参数模型。④

分析计算叠加在“Q”点上的各极交流量。根据画交流通路原则：ECRBRC+ui

+

RSus+uo

C2RL+C1++ui

+

RSusRBRC+uo

RL交流通路+uo

+–

ibicRBRCRLuSRS+ui

+uo

+–

RBRLRSrbe

Eibic

ibBCusRC+ui

微变等效电路交流通路化简放大电路的动态参数计算（1）电压放大倍数的计算+uo

+–

RBRLRSrbe

Eibic

ibBCusRC+ui

当输入的是正弦信号时，各电压和电流都可用相量表示。电压放大倍数开路时有负载时

=（2）输入电阻的计算Ri（3）输出电阻的计算ro

RCRoRC一般为几千欧，因此，这种基本放大电路的输出电阻较高。晶体管的输入电阻rbe比较小，所以基本放大电路的输入电阻不高。+uo

+–

RBRLRSrbe

Eibic

ibBCusRC+ui

图解步骤：（1）根据静态分析方法，求出静态工作点Q。（2）根据ui在输入特性上求uBE和iB。（3）作交流负载线。（4）由输出特性曲线和交流负载线求iC和uCE。2、图解法放大电路非线性失真五静态工作点的稳定固定偏置放大电路

分压偏置放大电路直流通路6.2放大电路分析6.2.2基本共集放大电路一共集电极放大电路的分析○RBRE++uO＋UCCRSuSuiRL～1、静态分析2、动态分析RBRE

RLİbİcrbeβibRSUS·～İeUo·Ui·放大倍数Au输入电阻ri输出电阻r06.3集成运算放大电路6.3.1差动放大电路一多级放大电路耦合2、耦合方式：阻容耦合——交流

直接耦合——直流

变压器耦合——交流1、多级电压放大电路组成输入一级中间级末级输出阻容耦合变压器耦合直接耦合多级放大电路二差动放大电路的引入零点漂移现象：当输入信号为0时，其输出电压保持不变（不一定是0），即输出端电压偏离原来值上下波动。产生的原因：温度、电源电压波动、元件参数变化等。当温度变化而引起的半导体器件参数的变化是产生零点漂移的主要原因。抑制方法：零点漂移就是

点的漂移，目前抑制零漂比较有效的实用方法是采用差动放大电路，三差动放大电路差分放大电路原理零点漂移的抑制静态时温度升高升高对称差分放大电路对两管所产生的同向漂移都具有抑制作用

差分放大电路共模输入：两个输入信号电压大小相等，极性相同放大倍数为0差模输入：两个输入信号电压大小相等，极性相反差模输入下，差分放大电路两管集电极之间的输出电压为两管各自输出电压变化量的两倍。比较输入：大小和相对极性是任意的（差分放大)输出电压只与偏差值有关，而不需要反应两个信号本身大小。零点漂移的抑制反应了对共模信号的抑制能力。共模抑制电阻RE对称作用RE对差模信号不起作用，差分放大就是要放大差模信号抑制共模信号。共模抑制比：差模信号放大倍数与共模信号放大倍数比值6.3集成运算放大电路6.3.2互补对称电路集成运放的输出级通常采用互补对称电路；互补对称电路结构对称，采用正、负对称电源，静态时无直流电压输出，故负载可直接接到发射极，实现了直接耦合，在集成电路中得到了广泛的应任意两个同频率正弦量的和或差可用平行四边形法则求。互补对称电路6.3集成运算放大电路6.3.3集成电路简介

集成电路:

把整个电路的各个元件以及相互之间的联接同时制造在一块半导体芯片上，组成一个不可分的整体。

集成电路特点：体积小、外部接线少、功耗低、可靠性高、灵活性高、价格低。

集成电路分类：按其功能的不同，集成电路可分为模拟集成电路和数字集成电路两种。一集成电路简介二集成运放电路简介输出端偏置电路输入级中间级输出级输入端集成运算放大电路基本组成输入级：差动放大电路，减少零点漂移、提高输入阻抗、高抗干扰能力。输出级：射极输出器或互补对称功率放大器，提高带载能力，输出电阻要小，电压稳定。偏置电路：为各级提供稳定、合适的静态工作点。中间级：电压放大级，高电压放大倍数，发射极放大电路或多级电压放大电路。三集成运放图形符号及信号输入方式

集成运放符号反相输入同相输入输出端三种基本输入方式反相输入方式同相输入方式差分输入方式四主要参数2.

输入失调电压UIO使UO=0，输入端施加的补偿电压几毫伏3.

输入失调电流IIOUO=0时，输入级两输入端的静态电流之差。1nA

0.1

A1.

开环差模电压放大倍数A0104

1074.差模输入电阻ri输出电阻

ro几百千欧

几兆欧几十欧

几百欧5.共模抑制比KCMR70～130dB6.

最大差模输入电压Uidmax共模输入Uic过大，K

CMR下降。当Uid过大时，反偏的PN结可能因反压过大而被击穿。LM741为

36V7.最大共模输入电压UicmaxLM741为

16V两输入端间允许加的最大差模输入电压。五集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性：集成运放的输出电压uO与输入电压ui(u+－u－)之间的关系uO＝f(ui)称为集成运放的电压传输特性。uOui+UOM－UOM线性区1）在线性区工作时，输出电压

与两输入端之间的电压

呈线性关系，即：2）在饱和工作区时这时+UOM

和-UOM分别为输出正饱和电压和负饱和电压，其绝对值分别略低于正、负电源电压。饱和区

∞－＋uo＋ud反馈电路开环系统：不加反馈网络时的电路系统，此时的放大倍数叫开环放大倍数。闭环系统：加上反馈网络时的电路系统，此时的放大倍数叫闭环放大倍数。

∞－＋uo＋ud六集成运放的理想特性1、理想化条件开环电压放大倍数差模输入电阻开环输出电阻共模抑制比

A0∞ri∞r0∞KCMR∞2、理想运放的电压传输特性ui≠0，|uO|＝±UOM即u+≠

u－时，运放处于非线性区。uOui+UOM－UOM3、集成运放线性工作区的特点：+–++–+u+u–uo虚短：集成运放两个输入端之间的电压通常非常接近于零，但不是短路，故简称为“虚短”。

uO＝AO（u＋－u－）

AO≈∞u＋－u－≈uo／AO≈0u＋≈u－

当u＋＝0（接地）u

－≈

u

＋≈

0

称此时的反相输入端为“虚地点”。反之，也成立。uOui+UOM－UOM+–++–+u+u–uo虚断：流入集成运放两个输入端的电流通常为零，但又不是断路故简称为“虚断”。∵ri≈∞ I－≈I+≈04、集成运放非线性工作区的特点：+–++–+u+u–uou+

＜

u-时，u0=-UOM

uOui+UOM－UOMu+

＞

u-时，u0=UOM

虚断的条件原则上仍成立，即ii

≈

0虚短的条件原则不成立，即u+≠u-

6.3