調(diào)光電路與光強監(jiān)控電路設(shè)計

1、電路與電子線路基礎(chǔ)課外設(shè)計制作中期報告 題 目(C)： 調(diào)光電路與光強監(jiān)控電路設(shè)計 組 號： 4 任課教師： 組 長： 成 員： 成 員： 成 員： 成 員： 聯(lián)系方式： 二零一三年 十月 七日一、實驗方案1.實驗目的a.學習光敏電阻、電解電容器、整流二極管、發(fā)光二極管、三極管、運算放大器、電壓比較器等器件的工作原理及應用背景知識。b.設(shè)計白熾燈調(diào)光電路和光強監(jiān)控電路。c.掌握給定功能的電路系統(tǒng)的設(shè)計方法。2.實驗器材a.白熾燈泡帶燈座1只；光敏電阻3只；發(fā)光二極管10只，標準“洞洞板”3塊；b.常規(guī)電阻、電容、二極管、三極管、運算放大器、電壓比較器等若干。3.主要器材及原理介紹a.常規(guī)電阻

2、電阻（Resistance，通常用“R”表示），在物理學中表示導體對電流阻礙作用的大小。導體的電阻越大，表示導體對電流的阻礙作用越大。不同的導體，電阻一般不同，電阻是導體本身的一種特性。電阻將會導致電子流通量的變化，電阻越小，電子流通量越大，反之亦然。而超導體則沒有電阻。 電阻元件的電阻值大小一般與溫度，材料，長度，還有橫截面積有關(guān)，衡量電阻受溫度影響大小的物理量是溫度系數(shù)，其定義為溫度每升高1時電阻值發(fā)生變化的百分數(shù)。 電阻的主要物理特征是變電能為熱能，也可說它是一個耗能元件，電流經(jīng)過它就產(chǎn)生內(nèi)能。電阻在電路中通常起分壓、分流的作用。對信號來說，交流與直流信號都可以通過電阻。 導體的電阻通常

3、用字母R表示，電阻的單位是歐姆（ohm），簡稱歐，符號是（希臘字母，讀作Omega)，1=1V/A。比較大的單位有千歐（k）、兆歐（M）。它們的換算關(guān)系是：1T=1000G；1G=1000M；1M=1000K；1K=1000 電阻的計算公式有： 串聯(lián)等效電阻：R=R1+R2+Rn 并聯(lián)等效電阻：1/R=1/R1+1/R2+1/Rn，兩個電阻并聯(lián)時也表示為R=R1·R2/(R1+R2） 電阻的定義式：R=U/I 電阻的決定式：R=L/S(表示電阻的電阻率，是由其本身性質(zhì)決定，L表示電阻的長度，S表示電阻的橫截面積) 本實驗中電阻的識別采用色環(huán)法?，F(xiàn)介紹用色環(huán)法識別電阻。 帶有四個色環(huán)的

4、其中第一、二環(huán)分別代表阻值的前兩位數(shù)；第三環(huán)代表倍率；第四環(huán)代表誤差?？焖僮R別的關(guān)鍵在于根據(jù)第三環(huán)的顏色把阻值確定在某一數(shù)量級范圍內(nèi)，例如是幾點幾K、還是幾十幾K的，再將前兩環(huán)讀出的數(shù)”代”進去，這樣就可很快讀出數(shù)來。2 （1）熟記第一、二環(huán)每種顏色所代表的數(shù)?？蛇@樣記憶：棕1，紅2，橙3，黃4，綠5，藍6，紫7，灰8，白9，黑0。這樣連起來讀，多復誦幾遍便可記住。記準記牢第三環(huán)顏色所代表的 阻值范圍，這一點是快識的關(guān)鍵。具體是：金色：乘以10的負一次方 黑色：乘以10的零次方 棕色：乘以10的一次方 紅色：乘以10的二次方 橙色：乘以10的三次方 黃色：乘以10的四次方 綠色：乘以10的五次

5、方 藍色：乘以10的六次方 紫色：乘以10的七次方 灰色：乘以10的八次方 白色：乘以10的九次方從數(shù)量級來看，整體上可把它們劃分為三個大的等級，即：金、黑、棕色是歐姆級的；紅橙、黃色是千歐級的；綠、藍色則是兆歐級的。這樣劃分一下是為了便于記憶。（3）當?shù)诙h(huán)是黑色時，第三環(huán)顏色所代表的則是整數(shù)，即幾，幾十，幾百 k等，這是讀數(shù)時的特殊情況，要注意。例如第三環(huán)是紅色，則其阻值即是整幾k的。（4）記住第四環(huán)顏色所代表的誤差，即：金色為5%；銀色為10%；無色為20%。b.光敏電阻 光敏電阻又稱光導管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長的光

6、照射下，其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導電，在外加電場的作用下作漂移運動，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。 光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化）。常用的光敏電阻器硫化鎘光敏電阻器，它是由半導體材料制成的。光敏電阻器對光的敏感性（即光譜特性）與人眼對可見光（0.40.76）m的響應很接近，只要人眼可感受的光，都會引起它的阻值變化。設(shè)計光控電路時，都用白熾燈泡（小電珠）光線或自然光線作控制光源，使設(shè)計大為簡化。光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應。在半導體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗

7、的管殼里就構(gòu)成光敏電阻，為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導體。通常采用涂敷、噴涂、燒結(jié)等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內(nèi)，以免受潮影響其靈敏度。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對將復合，光敏電阻的阻值也就恢復原值。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過，受到一定波長的光線照射時，電流就會隨光強的增大而變大，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也加交流電壓。半導體的導電能力取決于半導體導帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少。根據(jù)光敏電

8、阻的光譜特性，可分為三種光敏電阻器：紫外光敏電阻器、紅外光敏電阻器、可見光光敏電阻器。 光敏電阻屬半導體光敏器件，除具靈敏度高，反應速度快，光譜特性及r值一致性好等特點外，在高溫，多濕的惡劣環(huán)境下，還能保持高度的穩(wěn)定性和可靠性，可廣泛應用于照相機，太陽能庭院燈，草坪燈，驗鈔機，石英鐘，音樂杯，禮品盒，迷你小夜燈，光聲控開關(guān)，路燈自動開關(guān)以及各種光控玩具，光控燈飾，燈具等光自動開關(guān)控制領(lǐng)域。 光敏電阻的主要參數(shù)是： （1）光電流、亮電阻。光敏電阻器在一定的外加電壓下，當有光照射時，流過的電流稱為光電流，外加電壓與光電流之比稱為亮電阻，常用“100LX”表示。 （2）暗電流、暗電阻。光敏電阻在一定

9、的外加電壓下，當沒有光照射的時候，流過的電流稱為暗電流。外加電壓與暗電流之比稱為暗電阻，常用“0LX”表示。 （3）靈敏度。靈敏度是指光敏電阻不受光照射時的電阻值（暗電阻）與受光照射時的電阻值（亮電阻）的相對變化值。 （4）光譜響應。光譜響應又稱光譜靈敏度，是指光敏電阻在不同波長的單色光照射下的靈敏度。若將不同波長下的靈敏度畫成曲線，就可以得到光譜響應的曲線。 （5）光照特性。光照特性指光敏電阻輸出的電信號隨光照度而變化的特性。從光敏電阻的光照特性曲線可以看出，隨著的光照強度的增加，光敏電阻的阻值開始迅速下降。若進一步增大光照強度，則電阻值變化減小，然后逐漸趨向平緩。在大多數(shù)情況下，該特性為非

10、線性。 （6）伏安特性曲線。伏安特性曲線用來描述光敏電阻的外加電壓與光電流的關(guān)系，對于光敏器件來說，其光電流隨外加電壓的增大而增大。 （7）溫度系數(shù)。光敏電阻的光電效應受溫度影響較大，部分光敏電阻在低溫下的光電靈敏較高，而在高溫下的靈敏度則較低。 （8）額定功率。額定功率是指光敏電阻用于某種線路中所允許消耗的功率，當溫度升高時，其消耗的功率就降低。 光敏電阻可以如此分類：按半導體材料分：本征型光敏電阻、摻雜型光敏電阻。后者性能穩(wěn)定，特性較好，故大都采用它。根據(jù)光敏電阻的光譜特性，可分為三種光敏電阻器：1.紫外光敏電阻器：對紫外線較靈敏，包括硫化鎘、硒化鎘光敏電阻器等，用于探測紫外線。2.紅外光

11、敏電阻器：主要有硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛。銻化銦等光敏電阻器，廣泛用于導彈制導、天文探測、非接觸測量、人體病變探測、紅外光譜，紅外通信等國防、科學研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。3.可見光光敏電阻器：包括硒、硫化鎘、硒化鎘、碲化鎘、砷化鎵、硅、鍺、硫化鋅光敏電阻器等。主要用于各種光電控制系統(tǒng)，如光電自動開關(guān)門戶，航標燈、路燈和其他照明系統(tǒng)的自動亮滅，自動給水和自動停水裝置，機械上的自動保護裝置和“位置檢測器”，極薄零件的厚度檢測器，照相機自動曝光裝置，光電計數(shù)器，煙霧報警器，光電跟蹤系統(tǒng)等方面。光敏電阻常用硫化鎘（CdS）制成。它分為環(huán)氧樹脂封裝和金屬封裝兩款，同屬于導線型（DIP型），環(huán)氧樹脂封裝光敏電阻

12、按陶瓷基板直徑分為3mm、4mm、5mm、7mm、11mm、12mm、20mm、25mm。c.電解電容器 電解電容器，又稱電容器隔膜紙，它在電解電容器的陽極和陰極鋁箔之間起隔離、絕緣作用。電解電容器紙的質(zhì)量越好，越能滿足電容器耐壓、低阻抗、損耗小的要求。電解電容器是指在鋁、鉭、鈮、鈦等金屬的表面采用陽極氧化法生成一薄層氧化物作為電介質(zhì)，以電解質(zhì)作為陰極而構(gòu)成的電容器。 電解電容器的內(nèi)部有儲存電荷的電解質(zhì)材料，分正、負極性，類似于電池，不可接反。正極為粘有氧化膜的金屬基板，負極通過金屬極板與電解質(zhì)（固體和非固體）相連接。 無極性（雙極性）電解電容器采用雙氧化膜結(jié)構(gòu)，類似于兩只有極性電解電容器將兩

13、個負極相連接后構(gòu)成，其兩個電極分別為兩個金屬極板（均粘有氧化膜）相連，兩組氧化膜中間為電解質(zhì)。有極性電解電容器通常在電源電路或中頻、低頻電路中起電源濾波，退耦、信號耦合及時間常數(shù)設(shè)定、隔直流等作用。無極性電解電容器通常用于音響分頻器電路、電視機S校正電路及單相發(fā)動機的起動電路。 電解電容器的工作電壓為4V、6.3V、10V、16V、25V、35V、50V、63V、80V、100V、160V、200V、300V、400V、450V、500V，工作溫度為-55°+155（4500V）、，特點是容量大、體積大、有極性，一般用于直流電路中作濾波、整流。目前最常用的電解電容器有鋁電解電容器和鉭

14、電解電容器。電容器的主要特性參數(shù)如下：1. 標稱電容量和允許偏差 標稱電容量是標志在電容器上的電容量。 電容器的基本單位是法拉（F），但是，這個單位太大，在實地標注中很少采用。 其它單位關(guān)系如下： 1F=1000mF 1mF=1000F 1F=1000nF 1nF=1000pF 電容器實際電容量與標稱電容量的偏差稱誤差，在允許的偏差范圍稱精度。 精度等級與允許誤差對應關(guān)系：00（01）-±1%、0（02）-±2%、-±5%、-±10%、-±20%、-（+20%-10%）、-（+50%-20%）、-（+50%-30%）。一般電容器常用、級，電解電

15、容器用、級，根據(jù)用途選取。2.額定電壓額定電壓是在最低環(huán)境溫度和額定環(huán)境溫度下可連續(xù)加在電容器的最高直流電壓有效值，一般直接標注在電容器外殼上，如果工作電壓超過電容器的耐壓，電容器擊穿，造成不可修復的永久損壞。3. 絕緣電阻直流電壓加在電容上，并產(chǎn)生漏電電流，兩者之比稱為絕緣電阻。當電容較小時，絕緣電阻主要取決于電容的表面狀態(tài)，容量大于0.1f時，絕緣電阻主要取決于介質(zhì)的性能。絕緣電阻越大越好。4.損耗 電容在電場作用下，在單位時間內(nèi)因發(fā)熱所消耗的能量叫做損耗。各類電容都規(guī)定了其在某頻率范圍內(nèi)的損耗允許值，電容的損耗主要由介質(zhì)損耗，電導損耗和電容所有金屬部分的電阻所引起的。在直流電場的作用下，

16、電容器的損耗以漏導損耗的形式存在，一般較小，在交變電場的作用下，電容的損耗不僅與漏導有關(guān)，而且與周期性的極化建立過程有關(guān)。5. 頻率特性隨著頻率的上升，一般電容器的電容量呈現(xiàn)下降的規(guī)律。電解電容器有如下用途： 1.隔直流：作用是阻止直流通過而讓交流通過。 2.旁路（去耦）：為交流電路中某些并聯(lián)的元件提供低阻抗通路。 3.耦合：作為兩個電路之間的連接，允許交流信號通過并傳輸?shù)较乱患夒娐贰?4.濾波：這個對DIY而言很重要，顯卡上的電容基本都是這個作用。 5.溫度補償：針對其它元件對溫度的適應性不夠帶來的影響，而進行補償，改善電路的穩(wěn)定性。 6.計時：電容器與電阻器配合使用，確定電路的時間常數(shù)。

17、7.調(diào)諧：對與頻率相關(guān)的電路進行系統(tǒng)調(diào)諧，比如手機、收音機、電視機。 8.整流：在預定的時間開或者關(guān)半閉導體開關(guān)元件。 9.儲能：儲存電能，用于必須要的時候釋放。例如相機閃光燈，加熱設(shè)備等等。d.整流二極管整流二極管(rectifier diode)是一種用于將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姷陌雽w器件。通常它包含一個PN結(jié)，有陽極和陰極兩個端子。P區(qū)的載流子是空穴，N區(qū)的載流子是電子，在P區(qū)和N區(qū)間形成一定的位壘。外加使P區(qū)相對N區(qū)為正的電壓時，位壘降低，位壘兩側(cè)附近產(chǎn)生儲存載流子，能通過大電流，具有低的電壓降（典型值為0.7V）,稱為正向?qū)顟B(tài)。若加相反的電壓,使位壘增加，可承受高的反向電壓，流過很

18、小的反向電流（稱反向漏電流），稱為反向阻斷狀態(tài)。整流二極管具有明顯的單向?qū)щ娦?。整流二極管可用半導體鍺或硅等材料制造。硅整流二極管的擊穿電壓高，反向漏電流小，高溫性能良好。通常高壓大功率整流二極管都用高純單晶硅制造（摻雜較多時容易反向擊穿）。這種器件的結(jié)面積較大，能通過較大電流（可達上千安），但工作頻率不高，一般在幾十千赫以下。整流二極管主要用于各種低頻半波整流電路，如需達到全波整流需連成整流橋使用。 整流二極管一般為平面型硅二極管，用于各種電源整流電路中。 選用整流二極管時，主要應考慮其最大整流電流、最大反向工作電流、截止頻率及反向恢復時間等參數(shù)。 普通串聯(lián)穩(wěn)壓電源電路中使用的整流二極管，對

19、截止頻率的反向恢復時間要求不高，只要根據(jù)電路的要求選擇最大整流電流和最大反向工作電流符合要求的整流二極管即可。例如，1N系列、2CZ系列、RLR系列等。開關(guān)穩(wěn)壓電源的整流電路及脈沖整流電路中使用的整流二極管，應選用工作頻率較高、反向恢復時間較短的整流二極管（例如RU系列、EU系列、V系列、1SR系列等）或選擇快恢復二極管。還有一種肖特基整流二極管。整流二極管的常用參數(shù)如下： （1）最大平均整流電流IF：指二極管長期工作時允許通過的最大正向平均電流。該電流由PN結(jié)的結(jié)面積和散熱條件決定。使用時應注意通過二極管的平均電流不能大于此值，并要滿足散熱條件。例如1N4000系列二極管的IF為1A。 （2

20、）最高反向工作電壓VR：指二極管兩端允許施加的最大反向電壓。若大于此值，則反向電流(IR)劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，從而引起反向擊穿。通常取反向擊穿電?VB)的一半作為(VR)。例如1N4001的VR為50V，1N4002-1n4006分別為100V、200V、400V、600V和800V，1N4007的VR為1000V。 （3）最大反向電流IR：它是二極管在最高反向工作電壓下允許流過的反向電流，此參數(shù)反映了二極管單向?qū)щ娦阅艿暮脡摹Ｒ虼诉@個電流值越小，表明二極管質(zhì)量越好。 （4）擊穿電壓VR：指二極管反向伏安特性曲線急劇彎曲點的電壓值。反向為軟特性時，則指給定反向漏電流條件下的電壓值

21、。 （5）最高工作頻率fm：它是二極管在正常情況下的最高工作頻率。主要由PN結(jié)的結(jié)電容及擴散電容決定，若工作頻率超過fm，則二極管的單向?qū)щ娦阅軐⒉荒芎芎玫伢w現(xiàn)。例如1N4000系列二極管的fm為3kHz。 （6）反向恢復時間trr：指在規(guī)定的負載、正向電流及最大反向瞬態(tài)電壓下的反向恢復時間。 （7）零偏壓電容C0：指二極管兩端電壓為零時，擴散電容及結(jié)電容的容量之和。值得注意的是，由于制造工藝的限制，即使同一型號的二極管其參數(shù)的離散性也很大。手冊中給出的參數(shù)往往是一個范圍，若測試條件改變，則相應的參數(shù)也會發(fā)生變化，例如在25°C時測得1N5200系列硅塑封整流二極管的IR小于10uA

22、，而在100°C時IR則變?yōu)樾∮?00uA。e.發(fā)光二極管 發(fā)光二極管簡稱為LED。由鎵（Ga）與砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二極管，當電子與空穴復合時能輻射出可見光，因而可以用來制成發(fā)光二極管。在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。磷砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光。發(fā)光二極管是一種能發(fā)光的半導體電子元件。這種電子元件早在1962年出現(xiàn)，早期只能發(fā)出低光度的紅光，之后發(fā)展出其他單色光的版本，時至今日能發(fā)出的光已遍及可見光、紅外線及紫外線，光度也提高到相當?shù)墓舛取６猛疽灿沙鯐r作為指示燈、顯示板等；隨著技術(shù)的不斷進步，發(fā)光二極管已被廣泛的應

23、用于顯示器、電視機采光裝飾和照明。發(fā)光二極管是半導體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個PN結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦?。當給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當電子和空穴復合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。 發(fā)光二極管的反向擊穿電壓約5伏。它的正向伏安特性曲線很陡，使用時必須串聯(lián)限流電阻以控制通過管子的電流。限流電阻R可用下式計算： R

24、=（EUF）/IF式中E為電源電壓，UF為LED的正向壓降，IF為LED的一般工作電流。與小白熾燈泡和氖燈相比，發(fā)光二極管的特點是：工作電壓很低（有的僅一點幾伏）；工作電流很小（有的僅零點幾毫安即可發(fā)光）；抗沖擊和抗震性能好，可靠性高，壽命長；通過調(diào)制通過的電流強弱可以方便地調(diào)制發(fā)光的強弱。由于有這些特點，發(fā)光二極管在一些光電控制設(shè)備中用作光源，在許多電子設(shè)備中用作信號顯示器。把它的管心做成條狀，用7條條狀的發(fā)光管組成7段式半導體數(shù)碼管，每個數(shù)碼管可顯示09，10個阿拉伯數(shù)字以及A，b，C，d，E，F(xiàn)等部分字母（必須區(qū)分大小寫）。 LED的光學參數(shù)中重要的幾個方面就是：光通量、發(fā)光效率、發(fā)光強

25、度、光強分布、波長。 1.發(fā)光效率和光通量 發(fā)光效率就是光通量與電功率之比。發(fā)光效率代表了光源的節(jié)能特性，這是衡量現(xiàn)代光源性能的一個重要指標。 2.發(fā)光強度和光強分布 LED發(fā)光強度是表征它在某個方向上的發(fā)光強弱，由于LED在不同的空間角度光強相差很多，隨之而來我們研究了LED的光強分布特性。這個參數(shù)實際意義很大，直接影響到LED顯示裝置的最小觀察角度。比如體育場館的LED大型彩色顯示屏，如果選用的LED單管分布范圍很窄，那么面對顯示屏處于較大角度的觀眾將看到失真的圖像。而且交通標志燈也要求較大范圍的人能識別。 3.波長對于LED的光譜特性我們主要看它的單色性是否優(yōu)良，而且要注意到紅、黃、藍、

26、綠、白色LED等主要的顏色是否純正。因為在許多場合下，比如交通信號燈對顏色就要求比較嚴格，不過據(jù)觀察我國的一些LED信號燈中綠色發(fā)藍，紅色的為深紅，從這個現(xiàn)象來看我們對LED的光譜特性進行專門研究是非常必要而且很有意義的。 發(fā)光二極管還可分為普通單色發(fā)光二極管、高亮度發(fā)光二極管、超高亮度發(fā)光二極管、變色發(fā)光二極管、閃爍發(fā)光二極管、電壓控制型發(fā)光二極管、紅外發(fā)光二極管和負阻發(fā)光二極管等。 LED的控制模式有恒流和恒壓兩種，有多種調(diào)光方式，比如模擬調(diào)光和PWM調(diào)光，大多數(shù)的LED都采用的是恒流控制，這樣可以保持LED電流的穩(wěn)定，不易受VF的變化，可以延長LED燈具的使用壽命。f.三極管 半導體三極

27、管又稱“晶體三極管”或“晶體管”。在半導體鍺或硅的單晶上制備兩個能相互影響的PN結(jié)，組成一個PNP（或NPN）結(jié)構(gòu)。中間的N區(qū)（或P區(qū)）叫基區(qū)，兩邊的區(qū)域叫發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，這三部分各有一條電極引線，分別叫基極B、發(fā)射極E和集電極C，是能起放大、振蕩或開關(guān)等作用的半導體電子器件。 三極管的基本結(jié)構(gòu)是兩個反向連結(jié)的PN結(jié)面，可有PNP和NPN兩種組合。三個接出來的端點依序稱為發(fā)射極（emitter,E）、基極（base,B）和集電極（collector,C），名稱來源和它們在三極管操作時的功能有關(guān)。圖中也顯示出 NPN與PNP三極管的電路符號，發(fā)射極特別被標出，箭號所指的即為n型半導體， 和二極體

28、的符號一致。在沒接外加偏壓時，兩個pn接面都會形成耗盡區(qū)，將中性的p型區(qū)和n型區(qū)隔開。三極管的電特性和兩個pn結(jié)面的偏壓有關(guān)，工作區(qū)間也依偏壓方式來分類，這里 我們先討論最常用的所謂”正向活性區(qū)”（forward active），在此區(qū)EB極間的pn結(jié)面維持在正向偏壓，而BC極間的pn結(jié)面則在反向偏壓，通常用作放大器的三極管都以此方式偏壓。EB接面的空乏區(qū)由于正向偏壓會變窄，載體看到的位障變小，射極的空穴會注入到基極，基極的電子也會注入到射極；而BC接面的耗盡區(qū)則會變寬，載體看到的位障變大，故本身是不導通的。三極管和兩個反向相接的pn二極管有什么差別呢？其間最大的不同部分就在于三極管的兩個接面

29、相當接近。以上述之偏壓在正向活性區(qū)之PNP三極管為例，射極的空穴注入基極的n型中性區(qū)，馬上被多數(shù)載體電子包圍遮蔽，然后朝集電極方向擴散，同時也被電子復合。當沒有被復合的空穴到達BC接面的耗盡區(qū)時，會被此區(qū)內(nèi)的電場加速掃入集電極，空穴在集電極中為多數(shù)載體，很快借由漂移電流到達連結(jié)外部的歐姆接點，形成集電極電流IC。IC的大小和BC間反向偏壓的大小關(guān)系不大?；鶚O外部僅需提供與注入空穴復合部分的電子流IBrec，與由基極注入射極的電子流InBE（這部分是三極管作用不需要的部分）。InBE在射極與與電 洞復合，即InBE=IErec。射極注入基極的空穴流大小是由EB接面間的正向偏壓大小來控制，和二極體

30、的情形類似，在啟動電壓附近，微小的偏壓變化，即可造成很大的注入電流變化。更精確的說，三極管是利用VEB（或VBE）的變化來控制IC，而且提供之IB遠比IC小。NPN三極管的操作原理和PNP三極管是一樣的，只是偏壓方向，電流方 向均相反，電子和空穴的角色互易。PNP三極管是利用VEB控制由射極經(jīng)基極，入射到集電極的空穴，而NPN三極管則是利用VBE控制由射極經(jīng)基極、入射到集電極的電子。三極管在數(shù)字電路中的用途其實就是開關(guān)，利用電信號使三極管在正向活性區(qū)（或飽和區(qū)）與截止區(qū)間切換，就開關(guān)而言，對應開與關(guān)的狀態(tài)，就數(shù)字電路而言則代表0與1（或1與0）兩個二進位數(shù)字。若三極管一直維持偏壓在正向活性區(qū)，

31、在發(fā)射極與基極間微小的電信號（可以是電壓或電流）變化，會造成射極與集電極間電流相對上很大的變化，故可用作信號放大器。 晶體三極管（以下簡稱三極管）按材料分有兩種：鍺管和硅管。而每一種又有NPN和PNP兩種結(jié)構(gòu)形式，但使用最多的是硅NPN和鍺PNP兩種三極管，（其中，N表示在高純度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在電壓刺激下產(chǎn)生自由電子導電，而p是加入硼取代硅，產(chǎn)生大量空穴利于導電）。兩者除了電源極性不同外，其工作原理都是相同的，下面僅介紹NPN硅管的電流放大原理。對于NPN管，它是由2塊N型半導體中間夾著一塊P型半導體所組成，發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，而集電區(qū)與基區(qū)形成的PN結(jié)稱

32、為集電結(jié)，三條引線分別稱為發(fā)射極e、基極b和集電極c。當b點電位高于e點電位零點幾伏時，發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài)，而C點電位高于b點電位幾伏時，集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，集電極電源Ec要高于基極電源Ebo。在制造三極管時，有意識地使發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子濃度大于基區(qū)的，同時基區(qū)做得很薄，而且，要嚴格控制雜質(zhì)含量，這樣，一旦接通電源后，由于發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（電子）及基區(qū)的多數(shù)載流子（空穴）很容易地越過發(fā)射結(jié)互相向?qū)Ψ綌U散，但因前者的濃度基大于后者，所以通過發(fā)射結(jié)的電流基本上是電子流，這股電子流稱為發(fā)射極電流了。由于基區(qū)很薄，加上集電結(jié)的反偏，注入基區(qū)的電子大部分越過集電結(jié)進入集電區(qū)而形成集電極電流

33、Ic，只剩下很少（1-10%）的電子在基區(qū)的空穴進行復合，被復合掉的基區(qū)空穴由基極電源Eb重新補給，從而形成了基極電流Ibo.根據(jù)電流連續(xù)性原理得：Ie=Ib+Ic，這就是說，在基極補充一個很小的Ib，就可以在集電極上得到一個較大的Ic，這就是所謂電流放大作用，Ic與Ib是維持一定的比例關(guān)系，即：1=Ic/Ib。式中：1稱為直流放大倍數(shù)，集電極電流的變化量Ic與基極電流的變化量Ib之比為：= Ic/Ib。式中稱為交流電流放大倍數(shù)，由于低頻時1和的數(shù)值相差不大，所以有時為了方便起見，對兩者不作嚴格區(qū)分，值約為幾十至一百多。三極管是一種電流放大器件，但在實際使用中常常利用三極管的電流放大作用，通過

34、電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷悍糯笞饔谩?NPN三極管放大時管子內(nèi)部的工作原理如下： 1.發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子（形成發(fā)射極電流）發(fā)射結(jié)施加正向電壓且摻雜濃度高，所以發(fā)射區(qū)多數(shù)自由電子越過發(fā)射結(jié)擴散到基區(qū)，發(fā)射區(qū)的自由電子由直流電源補充，從而形成了發(fā)射極電流。（同時，基區(qū)的多數(shù)載流子也會擴散到發(fā)射區(qū)，成為發(fā)射極電流的一部分。由于基區(qū)很薄，且摻雜濃度較低，因此由基區(qū)多數(shù)空穴形成的電流可以忽略不計） 2.自由電子在基區(qū)和空穴復合，形成基區(qū)電流，并繼續(xù)向集電區(qū)擴散自由電子進入基區(qū)后，先在靠近發(fā)射結(jié)的附近密集，漸漸形成電子濃度差，在濃度差的作用下，促使電子流在基區(qū)中向集電結(jié)擴散，被集電結(jié)電場拉入集電區(qū)形成集電極電流。也

35、有很小一部分電子（因為基區(qū)很?。┡c基區(qū)的空穴復合（基區(qū)中的空穴由直流電源補充），擴散的電子流與復合電子流之比例決定了三極管的放大能力。 3.集電區(qū)收集自由電子，形成集電極電流由于集電結(jié)加反向電壓且面積很大，這個反向電壓產(chǎn)生的電場力將阻止集電區(qū)電子向基區(qū)擴散，同時將擴散到集電結(jié)附近的電子拉入集電區(qū)從而形成集電極主電流Icn。另外集電區(qū)的少數(shù)載流子（空穴）也會產(chǎn)生漂移運動，流向基區(qū)形成反向飽和電流，用Icbo來表示，其數(shù)值很小，但對溫度卻異常敏感。 4.三極管工作狀態(tài) NPN型，當B與E之間電壓Vbe>0.5V時，如果三個管腳電壓關(guān)系是Vc>Vb>Ve，則會處於放大狀態(tài)；如果是V

36、b>Vc>Ve則會處於飽和狀態(tài)(相當于開關(guān))；如果此時Ve>Vc則仍會處於截止狀態(tài)。 PNP型，當B和E之間電壓Veb>0.5V時，如果三個管腳電壓關(guān)系是Ve>Vb>Vc，則會處於放大狀態(tài)；如果是Ve>Vc>Vb則會處於飽和狀態(tài)(相當於開關(guān));如果此時Vc>Ve則仍會處於截止狀態(tài)。注：三極管放大狀態(tài)時，導通能力大小由基極電流Ib決定，因此三極管是電流控制型元件。g.運算放大器 運算放大器（簡稱“運放”）是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。由于早期應用于模擬計算機中，用以實現(xiàn)數(shù)學運算，故得名“運算

37、放大器”。運放是一個從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實現(xiàn)，也可以實現(xiàn)在半導體芯片當中。隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，大部分的運放是以單芯片的形式存在。運放的種類繁多，廣泛應用于電子行業(yè)當中。運算放大器最早被設(shè)計出來的目的是將電壓類比成數(shù)字，用來進行加、減、乘、除的運算，同時也成為實現(xiàn)模擬計算機（analog computer）的基本建構(gòu)方塊。然而，理想運算放大器的在電路系統(tǒng)設(shè)計上的用途卻遠超過加減乘除的計算。今日的運算放大器，無論是使用晶體管（transistor）或真空管（vacuum tube）、分立式（discrete）元件或集成電路（integrated circuits）元件，運

38、算放大器的效能都已經(jīng)逐漸接近理想運算放大器的要求。早期的運算放大器是使用真空管設(shè)計，現(xiàn)在則多半是集成電路式的元件。但是如果系統(tǒng)對于放大器的需求超出集成電路放大器的需求時，常常會利用分立式元件來實現(xiàn)這些特殊規(guī)格的運算放大器。 運放如圖有兩個輸入端a（反相輸入端），b（同相輸入端）和一個輸出端o。也分別被稱為倒向輸入端非倒向輸入端和輸出端。當電壓U-加在a端和公共端（公共端是電壓為零的點，它相當于電路中的參考結(jié)點。）之間，且其實際方向從a 端高于公共端時，輸出電壓U實際方向則自公共端指向o端，即兩者的方向正好相反。當輸入電壓U+加在b端和公共端之間，U與U+兩者的實際方向相對公共端恰好相同。為了區(qū)

39、別起見，a端和b 端分別用"-"和"+"號標出，但不要將它們誤認為電壓參考方向的正負極性。電壓的正負極性應另外標出或用箭頭表示。 一般可將運放簡單地視為：具有一個信號輸出端口（Out）和同相、反相兩個高阻抗輸入端的高增益直接耦合電壓放大單元，因此可采用運放制作同相、反相及差分放大器。 運放的供電方式分雙電源供電與單電源供電兩種。對于雙電源供電運放，其輸出可在零電壓兩側(cè)變化，在差動輸入電壓為零時輸出也可置零。采用單電源供電的運放，輸出在電源與地之間的某一范圍變化。 運放的輸入電位通常要求高于負電源某一數(shù)值，而低于正電源某一數(shù)值。經(jīng)過特殊設(shè)計的運放可以允許輸入電位在從負電源到正電源的整個區(qū)間變化，甚至稍微高于正電源或稍微低于負電源也被允許