秦曾煌《电工学·电子技术下册》考研考点讲义

目录第十四章二极管和晶体管 (1)第十五章基本放大电路 (15)第十六章集成运算放大器 (43)第十七章电子电路中的反馈 (55)第十八章直流稳压电源 (65)第二十章门电路和组合逻辑电路 (72)第二十一章触发器和时序逻辑电路 (87)秦曾煌《电工学·电子技术》考点精讲及复习思路第十四章二极管和晶体管本章重点和难点本章的主要题型为选择、填空、判断器件类型及二极管的应用电路分析二极管应用电路分析晶体管的电流分配与放大作用1)本征半导体完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。晶体中原子的排列方式共价键中的两个电子，称为价电子。2)本征半导体的导电机理硅单晶中的共价健结构价电子在获得一定能量(温度升高或受光照)后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子(带负电)，同时共价键中留下一个空位，称为空穴(带正电)。—2—这一现象称为本征激发。温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动(相当于正电荷的移动)。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)电子电流 (2)价电子递补空穴)空穴电流自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。注意： (1)本征半导体中载流子数目极少，其导电性能很差； (2)温度愈高，载流子的数目愈多，半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。3)N型半导体和P型半导体在本征半导体中掺入微量的杂质(某种元素)，形成杂质半导体。掺入五价元素掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。掺入三价元素掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。秦曾煌《电工学·电子技术》考点精讲及复习思路—3—在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。aab．温度)有关。4．在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是b，N型半导体中的电流主要是a。 考点2：二极管单向导电性及其应用电路分析PN结及其单向导电性扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。PN结加正向电压(正向偏置)内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。PN结加反向电压(反向偏置)—4—的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。二极管的结构示意图伏安特性二极管的参数二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。二极管单向导电性1．二极管加正向电压(正向偏置，阳极接正、阴极接负)时，二极管处于正向导通状态，二极管正电阻较小，正向电流较大。2．二极管加反向电压(反向偏置，阳极接负、阴极接正)时，二极管处于反向截止状态，二极管反秦曾煌《电工学·电子技术》考点精讲及复习思路—5—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。二极管电路的分析方法二极管电路分析若二极管是理想的：正向导通时正向管压降为零，相当于短路，反向截止时二极管电流为零，相当于断开。分析方法：将二极管从电路中断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。VVUD正(正向偏置)，二极管导通VVUD负(反向偏置)，二极管截止二极管应用电路分析取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。管)或－6．7V(硅管)两个二极管的阴极接在一起，取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。—6—UD2＞UD1∴D2优先导通，D1截止。流过D2的电流为D1承受反向电压为－6V二极管是理想的，试画出uo波形。二极管阴极电位为8V。o考点3：稳压管串联稳压电路稳压二极管秦曾煌《电工学·电子技术》考点精讲及复习思路—7—稳压管正常工作时加反向电压稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。使用时要加限流电阻 (1)稳定电压UZ稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。 (2)电压温度系数au环境温度每变化1℃引起稳压值变化的百分数。 (3)动态电阻ΔUZΔIZ (4)稳定电流IZ、最大稳定电流IZM (5)最大允许耗散功率稳压管典型应用串联稳压电路晶体管基本结构结构特点晶体管电流分配与放大原理电流分配和放大原理三极管具有电流放大作用的外部条件反偏从电位的角度看：发射结正偏集电结反偏发射结正偏秦曾煌《电工学·电子技术》考点精讲及复习思路—9—集电结反偏VC＜VB各电极电流关系及电流放大作用结果如下表：0晶体管的电流放大作用 (1)IE＝IB＋IC符合基尔霍夫定律 (2)IC>IB，IC必IE CIB把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。去控制一个较大电流的变化，是CCCS器件。 (4)要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置。电流方向和发射结与集电结的极性β电流关系βICE与IBE之比称为共发射极电流放大倍数 ICEIC－ICBOIBEIB＋ICBOIB集－射极穿透电流，温度个)ICEO个－忽略ICEO，有IC≈βIB(常用公式)晶体管共射特性曲线特性曲线即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。为什么要研究特性曲线： (1)直观地分析管子的工作状态 (2)合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的电路重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线测量晶体管特性的实验线路共发射极电路发射极是输入回路、输出回路的公共端输入特性曲线IB＝f(UBE)UCE＝常数正常工作时发射结电压：秦曾煌《电工学·电子技术》考点精讲及复习思路输出特性IC＝f(UCE)IB＝常数在不同的IB下，可得出不同的曲线，所以晶体管的输出特性曲线是一组曲线。3DG100晶体管的输出特性曲线共发射极电路晶体管有三种工作状态，对应于输出特性曲线三个工作区3DG100晶体管的输出特性曲线 (1)放大状态，工作于放大区在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。 (2)截止状态，工作于截止区IB＝0的曲线以下的区域称为截止区。集电结也处于反向偏置(UBC＜0)，此时， (3)饱和状态，工作于饱和区深度饱和时：UCE极与集电极之间如同一个开关的接通，其间电阻很小；当晶体管截晶体管三种工作状态的电压和电流秦曾煌《电工学·电子技术》考点精讲及复习思路晶体管结电压的典型值管型工作状态饱和放大截止开始截止可靠截止硅管(NPN)锗管(PNP)晶体管的参数晶体管的主要参数表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。1．电流放大系数bβ ICΔICIBΔIB直流电流放大系数βIBΔIB注意：β和b的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICE0较小的情况下，两者数值接近。由于晶体管的输出特性曲线是非线性的，只有在特性曲线的近于水平部分，IC随IB成正比变化，b值才可认为是基本恒定的。常用晶体管的b值在20~200之间。2．集－基极反向截止电流ICBOICBO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。温度个)ICBO个3．集－射极反向截止电流(穿透电流)ICEOICEO受温度的影响大。温度个)ICEO个，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。4．集电极最大允许电流ICM集电极电流IC上升会导致三极管的b值的下降，当b值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。当集—射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25℃、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。PCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。晶体管的安全工作区由三个极限参数可画出三极管的安全工作区温度对晶体管参数的影响1．温度每增加10℃，ICBO增大一倍。硅管优于锗管。本章总结1．半导体的导电特性2．二极管的特性、等效模型及其分析方法3．稳压管的特性及典型应用电路4．三极管的电流关系、伏安特性及工作状态分析。秦曾煌《电工学·电子技术》考点精讲及复习思路第十五章基本放大电路本章重点和难点重点：难点：微变等效电路分析法，放大电路的参数计算与性能分析，多级放大电路，差动放大电路共发射极基本电路TiCbiB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。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。二、共射放大电路的电压放大作用无输入信号(ui＝0)时o (1)无输入信号电压时，三极管各电极都是恒定的 UCE有输入信号(ui≠0)时秦曾煌《电工学·电子技术》考点精讲及复习思路o (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。 (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。三、放大电路具有电压放大作用的条件 (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。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。对直流信号电容C可看作开路(即将电容断开)直流通路用来计算静态工作点Q(IB、IC、UCE)对交流信号(输入信号ui的交流分量)，XC必0，C可看作短路。直流电压源对交流也可视为短路。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。静态：放大电路无信号输入(ui＝0)时的工作状态。静态分析：确定放大电路的静态值。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点的目的： (1)使放大电路工作在线性区； (2)使放大电路具有较大的不失真动态范围。六、静态分析—估算法秦曾煌《电工学·电子技术》考点精讲及复习思路BB当UBE<UCC时，IB≈根据电流放大作用BIB七、静态分析—图解法用作图的方法确定静态值优点：能直观地分析和了解静态值的变化对放大电路的影响。步骤：1．用估算法确定IB常数BRB—20—动态：放大电路有交流信号输入(ui士0)时的工作状态。分析对象：各极电压和电流的交流分量。所用电路：放大电路的交流通路。o1．动态分析—微变等效电路法微变等效电路：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，等效为线性元件。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。微变等效电路法：利用放大电路的微变等效电路分析计算放大电路电压放大倍数Au、输入电阻ri、输出电阻ro等。晶体管的微变等效电路可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输入特性在小范围内可近似线性化。回路(B、E之间)可用rbe等效代替，即由rbe来确定ube和ib之间的关系。对于小功率三极管：rbe一般为几百欧到几千欧。 (2)输出回路秦曾煌《电工学·电子技术》考点精讲及复习思路—21—rr输出特性在线性工作区是一组近似等距的平行直线。晶体管的电流放大系数β＝ΔICΔ晶体管的电流放大系数β＝ΔIC晶体管的输出回路(C、E之间)可用一受控电流源ic＝bib等效代替，即由b来确定ic和ib之间的关系。晶体三极管微变等效电路2．放大电路的微变等效电路将交流通路中的晶体管用晶体管微变等效电路代替即可得放大电路的微变等效电路。3．微变等效电路的相量模型当输入信号为正弦交流信号时，等效电路中的电压与电流可用相量表示。—22—R′R′共射放大电路的动态参数计算 (1)电压放大倍数·····Uo＝－IcR′L＝－βI··· r re式中的负号表示输出电压的相位与输入相反。 (2)输入电阻 (3)输出电阻秦曾煌《电工学·电子技术》考点精讲及复习思路—23—输出电阻是戴维宁等效电路的等效电阻，可用开短路法和外加电压源法求解。 (3)输出电阻··o (3)输出电阻···Uoc＝－IcR′L＝－β········· (1)静态工作点IB、IC及UCE； (2)画出微变等效电路； )输入电阻ri、ro及Au。—24—IB＝≈20μA IB＝≈20μARE直流通路解(2)微变等效电路 ro＝RC≈6kΩ βR′L βR′L动态分析—图解法交流负载线反映动态时电流iC和电压uCE的变化关系。秦曾煌《电工学·电子技术》考点精讲及复习思路—25—RLuCE－UCE＝－(iC－IC)R′L交流负载线经过静态工作点QR′nR′L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。若Q设置过高，晶体管进入饱和区工作，造成饱和失真。适当减小基极电流可消除失真。若Q设置过低，晶体管进入截止区工作，造成截止失真。适当增加基极电流可消除失真。如果Q设置合适，信号幅值过大也可产生失真，减小信号幅值可消除失真。—26—最大不失真输出信号动态范围在不产生非线性失真的情况小输出信号的最大允许变化范围L考点3：静态工作点的稳定温度对静态工作点的稳定在固定偏置放大电路中，当温度升高时，UBEJ、b个、ICBO个。 ＋(1＋(1＋β)ICBOBRB温度升高时，IC将增加，使Q点沿负载线上移。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。固定偏置电路的工作点Q点是不稳定的，为此需要改进偏置电路。当温度升高使IC增加时，能分压偏置电路稳定Q点的原理秦曾煌《电工学·电子技术》考点精讲及复习思路—27—若满足：I2>IBUI≈I≈RVB≈UCC基极电位基本恒定，不随温度变化。稳定Q点的原理RE静态工作点的计算RVB≈UCCIC≈IE＝IC≈IE＝REICIB≈β动态分析—28—阻容耦合放大电路由于存在级间耦合电容、发射极旁路电容及三极管的结电容等，它们的容抗随频率变化，故当信号频率不同时，放大电路的输出电压相对于输入电压的幅值和相位都将发生变化。频段：耦合电容和旁路电容容抗很小，可视作短路，极间电容和分布电容容抗很大，可视为开路。放大倍数与频率无关。低频段：耦合电容和旁路电容容抗较中频段大，不能忽略。极间电容和分布电容容抗较中频段更大，可视为开路。电路呈高通特性秦曾煌《电工学·电子技术》考点精讲及复习思路—29—高频段：耦合电容和旁路电容容抗较中频段更小，可视为短路。极间电容和分布电容容抗较中频段小，不能忽略。电路呈低通特性电路组成对交流信号而言，集电极是输入与输出回路的公共端，称为共集电极放大电路。因从发射极输出，所以称射极输出器。静态分析 动态分析微变等效电路—30—···Uo＝IeR′L＝(1＋β)IbR′L·····UiIbrbe＋IeR′L＝Ibrbe＋(1＋β)IbR′L· (1＋β)IbR′L(1＋β)ubrbebRLrbe＋(1＋β)R′LAu通常：(1＋β)RE>rbe＋R′sr≈o1＋βEErbe＋R′s (1＋β)R′Lurbe＋(1＋β)R′L秦曾煌《电工学·电子技术》考点精讲及复习思路—31—r≈orbe＋R′s1＋β (1)静态工作点IB、IE及UCE； (2)画出微变等效电路； (1)由直流通路求静态工作点。 ERE直流通路 (2)由微变等效电路求Au、ri、ro。—32—微变等效电路 (1＋β)R′L (1＋β)R′Lurbe＋(1＋β)R′Lkr3Ωr3Ωoβ60多级放大电路极间耦合方式耦合方式：两级放大电路之间的连接方式常用的耦合方式：直接耦合、阻容耦合和变压器耦合。阻容耦合放大电路两级之间通过耦合电容C2与下级输入电阻连接静态分析由于电容有隔直作用，所以每级放大电路的直流通路互不相通，每级的静态工作点互相独立，互不影响，可以各级单独计算。秦曾煌《电工学·电子技术》考点精讲及复习思路—33—···· ·Ui·R′L1UR′L1UrbeR′L2【例1】如图所示的两级电压放大电路， (1)计算前、后级放大电路的静态值(UBE＝0．6V)； (2)求放大电路的输入电阻和输出电阻； (3)求各级电压的放大倍数及总电压放大倍数。解(1)两级放大电路的静态值可分别计算。第一级是射极输出器： E E第二级是分压式偏置电路AA (2)计算ri和r0—34—微变等效电路ek (3)求各级电压的放大倍数及总电压放大倍数 差分放大电路直接耦合：将前级的输出端直接接后级的输入端。可用来放大缓慢变化的信号或直流量变化的信号。秦曾煌《电工学·电子技术》考点精讲及复习思路—35—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，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。危害：直接影响对输入信号测量的准确程度和分辨能力。严重时，可能淹没有效信号电压，无法分辨是有效信号电压还是漂移电压。抑制零漂是制作高质量直接耦合放大电路的一个重要的问题。由于不采用电容，所以直接耦合放大电路具有良好的低频特性。适合于集成化的要求，在集成运放的内部，级间都是直接耦合。差分放大电路是抑制零点漂移最有效的电路结构。差分放大原理电路两管静态工作点相同理想的情况下，电路结构完全对称零点漂移的抑制—36—当温度升高时)IC个)VCJ(两管变化量相等)信号输入 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。 即对差模信号有放大能力。 (3)比较输入ui1、ui2大小和极性是任意的。任何一对输入信号都可分解为共模分量和差模分量。差分放大电路放大两输入信号的差值。秦曾煌《电工学·电子技术》考点精讲及复习思路—37—典型差分放大电路RE制每个管子的漂移。RP零作用。静态分析 上式中前两项较第三项小得多略去，则IC≈IE≈E发射极电位ICEEI＝≈β2βRECCE动态分析—38—iicccuodβRCe当在两管的集电极之间接入负载电阻时 βR′L βR′L两输入端之间的差模输入电阻为ri＝2(RB＋rbe)两集电极之间的差模输出电阻为ro≈2RC单端输出时差分电路的差模电压放大倍数为即：单端输出差分电路的电压放大倍数只有双端输出差分电路的一半。实际输出电压即共模信号对输出有影响。共模抑制比量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力。AAKCMR＝，KCMR(dB)＝20lgAACCKCMR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考点8：互补推挽功率放大电路功率放大电路的作用：是放大电路的输出级，去推动负载工作。例如使扬声器发声、继电器动作、仪表指针偏转、电动机旋转等。对功率放大电路的基本要求 (1)在不失真的情况下能输出尽可能大的功率。 (2)由于功率较大，要求提高效率。ηt＝负载的交流信号功率／电源供给的直流功率↓甲类工作状态秦曾煌《电工学·电子技术》考点精讲及复习思路—39—晶体管在输入信号的整个周期都导通，静态IC较大，波形好，管耗大效率低。乙类工作状态晶体管只在输入信号的半个周期内导通，静态IC＝0，波形严重失真，管耗小效率高。甲乙类工作状态互补对称电路是集成功率放大电路输出级的基本形式。当它通过容量较大的电容与负载耦合TL电路。OTL电路采用单电源供电，OCL电路采用双电源供电。OTL原理电路 (1)特点两管均接成射极输出器；输出端有大电容；单电源供电。U2 (2)静态时(ui＝0)VA＝2U2电容两端的电压uC＝2 (3)动态时—40—设输入端在UCC／2直流基础上加入正弦信号。输入交流信号ui的正半周同时给电容充电输入交流信号ui的负半周若输出电容足够大，其上电压基本保持不变，则负载上得到的交流信号正负半周对称。 (4)交越失真当输入信号ui为正弦波时，输出信号在过零前后出现的失真称为交越失真。交越失真产生的原因由于晶体管特性存在非线性，ui＜死区电压晶体管导通不好。克服交越失真的措施采用各种电路以产生有不大的偏流，使静态工作点稍高于截止点，即工作于甲乙类状态。 (5)克服交越失真的OTL互补对称放大电路两个晶体管T1(NPN型)和T2(PNP型)的特性基本相同。秦曾煌《电工学·电子技术》考点精讲及复习思路—41—在输出功率较大时常采用复合管复合管的构成方式1方式2复合管的类型与复合管中第一只管子的类型相同复合管的电流放大系数b~b1b2OCL电路需用正负两路电源。其工作原理与OTL电路基本相同。—42—本章总结1．基本放大电路的静、动态分析是重点中的重点，尤其是直流通路估算法求静态工作点和微变等效电路分析法求动态参数一定要熟练掌握，灵活运用。2．共射放大电路和射极输出器的特点。3．多级放大电路等效为单级放大电路的方法4．分压式偏置电路稳定静态工作点的原理电路的分类，交越失真及其