電子技術基礎與應用（高等職業(yè)）全套教學課件

電子技術基礎與應用全套可編輯PPT課件目錄項目1半導體器件項目2基本放大電路項目3集成運算放大器項目4直流穩(wěn)壓電源項目5基本邏輯電路與組合邏輯電路項目6觸發(fā)器與時序邏輯電路項目7脈沖信號的產(chǎn)生與變換項目8數(shù)模與模數(shù)轉換器半導體器件項目1自二十世紀初真空二極管、真空三極管問世以來，電子學作為一門新興學科得到了迅速發(fā)展。1950年，第一只“PN結型晶體管”問世，開辟了電子器件的新紀元，引起了一場電子技術革命。直至今日，以二極管、三極管等晶體管為主的半導體器件仍是構成電子電路的基本元件。半導體器件由于其體積小、質量小、使用壽命長、耗電量小、可靠性強等優(yōu)點，在現(xiàn)代生產(chǎn)、生活中得到了廣泛的應用。本項目主要介紹二極管和三極管的基本知識。項目導讀項目導讀學習目標知識目標 能夠正確判斷二極管和三極管引腳的極性。 能夠正確測試二極管和三極管的伏安特性。技能目標 樹立民族自尊心、自豪感和文化自信心。 增強實現(xiàn)中華民族偉大復興的歷史使命感。素質目標

掌握半導體的基本知識。

掌握PN結的形成原理和單向導電性。

掌握二極管的結構、伏安特性和主要參數(shù)。

掌握三極管的結構、電流放大作用、伏安特性和主要參數(shù)。目錄任務1.1認識二極管任務1.2

認識三極管任務1.1認識二極管

任務引入二極管如下圖所示，它由管體和兩個引腳構成，其中兩個引腳分別為二極管的陽極和陰極。二極管具有單向導電性，二極管的導通和截止相當于開關的接通和斷開，它同三極管、電阻、電容和電感等一起，構成了形形色色的電子電路。任務引入請選擇合適的工具和器材，對二極管進行測試，判斷二極管引腳的極性，并通過逐點法繪制二極管的伏安特性曲線。本任務的知識與技能要求如下表所示。任務內容認識二極管學習程度識記理解應用學習任務半導體概述●

二極管的結構

●

二極管的伏安特性和主要參數(shù)

●

實訓任務測試二極管的伏安特性

●自我勉勵學習目標任務工單學生領取任務工單（詳見教材），并完成工單內容。1．知識準備3．任務實施2．工具和器材準備4．任務評價半導體器件都是由半導體制成的。因此，在介紹半導體器件前，需要先了解半導體的基本知識。1）半導體的基本特性根據(jù)導電性的不同，自然界的物質可分為導體、絕緣體和半導體三大類。半導體之所以會成為制造電子器件的主要材料，是因為它具有熱敏性、光敏性和摻雜性等基本特性。容易導電的物質稱為導體，如銅、鋁、銀等材料；很難導電的物質稱為絕緣體，如塑料、橡膠、陶瓷等材料；導電性介于導體和絕緣體之間、電阻率為的物質稱為半導體，如硅、鍺、硒及大多數(shù)金屬氧化物和硫化物等。1.1.1汽車發(fā)動機電控系統(tǒng)的發(fā)展相關知識1．半導體的基本知識相關知識（1）熱敏性。半導體的導電性可隨溫度的變化而顯著改變，利用這種特性可制成各種熱敏元件，如熱敏電阻和溫度傳感器等。（2）光敏性。半導體的導電性可隨光照的變化而出現(xiàn)顯著變化，利用這種特性可制成光電二極管、光電三極管和光敏電阻等。（3）摻雜性。半導體的導電性會因摻入微量雜質而出現(xiàn)很大變化，利用這種特性可制成二極管、三極管及各種場效應管等。2）本征半導體的結構特點本征半導體是指完全純凈的、具有晶體結構的半導體。在半導體器件中，用得最多的本征半導體材料是硅和鍺。將本征半導體材料提純并制成單晶體后，單晶體中的所有原子便基本上整齊排列了。本征半導體的結構如右圖所示。相關知識硅和鍺都是四價元素，其原子最外層軌道上有4個電子，稱為價電子。這兩種元素每個原子的4個價電子不僅受自身原子核的束縛，還與周圍相鄰的4個原子存在聯(lián)系，即每個原子的一個價電子與另一個原子的一個價電子組成了共價鍵。本征半導體在絕對零度（?275.15℃）且沒有外界影響的條件下，其價電子全部束縛在共價鍵中。當本征半導體在溫度升高或受到光照時，其價電子會從外界獲得一定能量，少數(shù)價電子將掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子，并在共價鍵中留下一個空位，這個空位稱為空穴。在本征半導體中，自由電子和空穴成對出現(xiàn)，兩者的數(shù)量總是相等。這種在熱或光的作用下，使本征半導體中產(chǎn)生自由電子和空穴的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，如右圖所示。相關知識當共價鍵中出現(xiàn)空穴時，在外電場或磁場的作用下，鄰近的價電子將會填補這個空穴，而這個價電子原來的位置又會留下新的空穴，然后其他價電子又可填補這個新的空穴。由于價電子參與導電的機理與自由電子有所不同，因此為了區(qū)別這兩種電子的運動，通常將空穴看作是一種帶正電荷的載流子，用空穴的運動代替價電子的運動，空穴所帶的電荷與價電子的電荷大小相等，極性相反。因此，本征半導體中存在兩種載流子——自由電子和空穴。3）雜質半導體的結構特點本征半導體雖然有自由電子和空穴兩種載流子，但由于數(shù)量極少，其導電性仍然很低。若在本征半導體中有選擇地摻入少量其他元素，將會使其導電性發(fā)生顯著變化。這些摻入的元素統(tǒng)稱為雜質，而在本征半導體中摻入雜質的半導體稱為雜質半導體。根據(jù)摻入雜質的不同，雜質半導體可分為N型半導體和P型半導體兩種。相關知識在本征半導體（硅或鍺）中摻入微量五價元素磷，可制成N型半導體。由于磷原子有5個價電子，當它與周圍的硅（或鍺）原子組成共價鍵時，磷原子多余的一個價電子很容易擺脫原子核的束縛而成為自由電子。每摻入一個磷原子都能提供一個自由電子，從而使半導體中自由電子的數(shù)目大大增加，這種半導體由于主要靠自由電子導電，因此稱為N型半導體（或電子型半導體），如右圖所示。在N型半導體中，自由電子是多數(shù)載流子（即多子），空穴是少數(shù)載流子（即少子）。在本征半導體（硅或鍺）中摻入少量三價元素硼，可制成P型半導體。由于硼原子只有3個價電子，當它與周圍的硅（或鍺）原子組成共價鍵時，硅（或鍺）原子最外層的軌道會因缺少一個價電子而出現(xiàn)一個空穴，相鄰的價電子很容易填補這個空穴，從而形成新的空穴。每摻入一個硼原子都能提供一個空穴，從而使半導體中空穴的數(shù)目大大增加，這種半導體由于主要靠空穴導電，因此稱為P型半導體（或空穴型半導體），如右圖所示。在P型半導體中，空穴是多子，自由電子是少子。中國第一支晶體管1956年11月，在北京中國科學院應用物理研究所的半導體器件實驗室里，中國第一支鍺合金結型晶體管誕生了。中國第一支晶體管研制成功，開創(chuàng)了我國在多領域以半導體器件代替電子管，以及以半導體器件開創(chuàng)新的科學領域的事業(yè)，吹響了“向科學進軍”的號角。近年來，中國半導體事業(yè)飛速發(fā)展，這與當年那批獻身中國半導體事業(yè)的前輩們的努力是分不開的。可以說，正是他們的拼搏奉獻，才為中國現(xiàn)代半導體技術的迅猛發(fā)展打下了堅實的基礎。（資料來源：/images/zhuanti/dqxdfh/gs07.html，有改動）砥節(jié)礪行1）多子的擴散運動在半導體的不同區(qū)域摻入五價元素磷或三價元素硼，相應地可使半導體形成P區(qū)和N區(qū)。由于P區(qū)的空穴多于自由電子，N區(qū)的自由電子多于空穴，因此在P區(qū)和N區(qū)的交界面附近將產(chǎn)生多子的擴散運動。相關知識2．PN結的形成P區(qū)的空穴向N區(qū)擴散，與N區(qū)的自由電子復合；N區(qū)的自由電子向P區(qū)擴散，與P區(qū)的空穴復合。上述這種擴散運動使N區(qū)失掉自由電子產(chǎn)生正離子，P區(qū)得到自由電子產(chǎn)生負離子，結果在交界面兩側由等量正、負離子形成了空間電荷區(qū)，如圖下圖所示。在這個區(qū)域內，由于多子已擴散到對方區(qū)域并被復合掉，好像耗盡了一樣，因此空間電荷區(qū)又稱為耗盡層。相關知識相關知識空間電荷區(qū)的形成，建立了由N區(qū)指向P區(qū)的內電場。顯然，內電場對多子的擴散運動起阻礙作用，因此空間電荷區(qū)又稱為阻擋層。2）少子的漂移運動空間電荷區(qū)的出現(xiàn)有助于內電場中少子的漂移運動。因此，在內電場作用下，N區(qū)的空穴向P區(qū)漂移，P區(qū)的自由電子向N區(qū)漂移，最終使空間電荷區(qū)變窄，內電場被削弱。3）動態(tài)平衡擴散運動與漂移運動是相互聯(lián)系又相互對立的，當兩者的運動達到動態(tài)平衡時，空間電荷區(qū)的寬度便基本穩(wěn)定下來了，這種具有穩(wěn)定寬度的空間電荷區(qū)稱為PN結。相關知識點撥擴散是指載流子（空穴或自由電子）由濃度高的一側向濃度低的一側運動；漂移是指載流子在電場的作用下做定向移動，空穴的移動方向與內電場的方向相同，自由電子的移動方向與內電場的方向相反。當PN結無外加電壓時，擴散運動和漂移運動處于動態(tài)平衡，流過PN結的電流為零。3．PN結的單向導電性相關知識當PN結有外加電壓時，PN結會呈現(xiàn)出單向導電性。通常，將外加在PN結上的電壓稱為偏置電壓，它可分為正向偏置電壓和反向偏置電壓兩種。1）正向偏置電壓當外加電壓的正極接PN結的P區(qū)、負極接PN結的N區(qū)時，該外加電壓稱為正向偏置電壓。此時的PN結處于正向偏置狀態(tài)，簡稱正偏。當PN結處于正向偏置狀態(tài)時，由于外加電源產(chǎn)生的外電場方向與PN結產(chǎn)生的內電場方向相反，因此多子的擴散運動會得到加強，少子的漂移運動會被削弱，擴散運動與漂移運動的平衡將被打破。在外電場的作用下，多子會中和一部分空間電荷，從而使整個空間電荷區(qū)變窄，并形成較大的擴散電流。該擴散電流稱為正向電流，其方向由P區(qū)指向N區(qū)。此時，PN結處于導通狀態(tài)。2）反向偏置電壓當外加電壓的正極接PN結的N區(qū)、負極接PN結的P區(qū)時，該外加電壓稱為反向偏置電壓。此時的PN結處于反向偏置狀態(tài)，簡稱反偏。當PN結處于反向偏置狀態(tài)時，由于外加電壓產(chǎn)生的外電場方向與PN結產(chǎn)生的內電場方向一致，因此少子的漂移運動會得到加強，多子的擴散運動會被削弱，從而使整個空間電荷區(qū)變寬。此時，主要由少子的漂移運動所形成的漂移電流，將超過多子擴散運動形成的擴散電流。該漂移電流稱為反向電流，其方向由N區(qū)指向P區(qū)。由于常溫下少子的數(shù)量很少，反向電流非常小，因此在近似分析時通常會忽略反向電流，認為此時的PN結不導電，PN結處于截止狀態(tài)。相關知識相關知識二極管可看作是PN結物化的器件，PN結上具有的特性均可在二極管上反映出來。二極管的結構可分為點接觸型、面接觸型和平面型三種。從二極管的P區(qū)引出的引腳稱為陽極，從N區(qū)引出的引腳稱為陰極。1.1.2二極管1．二極管的結構相關知識點接觸型二極管的特點是PN結面積小、結電容小、工作電流小，但其高頻性能好，一般用于高頻和小功率電路，也可作為數(shù)字電路中的開關元件；面接觸型二極管的特點是PN結面積大、結電容大、工作電流大，但其工作頻率較低，一般用于整流電路；平面型二極管的特點是PN結面積可大可小，結面積大的主要用于大功率整流電路，結面積小的可作為數(shù)字脈沖電路中的開關元件。雖然二極管的本質是一個PN結，但由于受到制作工藝的影響，因此二極管的實際特性與PN結的理論特性略有差別。二極管的伏安特性曲線如右圖所示。根據(jù)外加電壓極性的不同，其伏安特性曲線可分為正向特性和反向特性兩部分。2．二極管的伏安特性相關知識1）正向特性當二極管的正向偏置電壓較小時，二極管呈現(xiàn)較大的電阻，正向電流很小，幾乎為零。當正向偏置電壓達到某一臨界值時，二極管呈現(xiàn)很小的電阻，二極管正向導通，這一電壓稱為閾值電壓或死區(qū)電壓，用表示。二極管正向導通后，隨著正向偏置電壓的增大，通過其內部的正向電流急劇增大，正向電流與正向偏置電壓之間的關系基本上為一條指數(shù)曲線。2）反向特性當二極管的反向偏置電壓在一定臨界值內時，反向電流很小且基本不隨反向偏置電壓變化，這個電流稱為反向飽和電流。當反向偏置電壓超出這一臨界值后，反向電流急劇增大，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿，其所對應的電壓稱為反向擊穿電壓。普通二極管的反向擊穿電壓一般在幾十伏以上，而高反壓二極管的反向擊穿電壓可達幾千伏。3）溫度對二極管伏安特性的影響二極管的伏安特性對溫度非常敏感。隨著溫度的升高，二極管正向特性曲線向左移動，反向特性曲線向下移動。在室溫附近，溫度每升高1℃，二極管的正向電壓降會減小約2～2.5mV；溫度每升高10℃，二極管的反向電流會增大約1倍。相關知識1）最大整流電流最大整流電流是指二極管在長期工作時所允許通過的最大正向電流。在規(guī)定的散熱條件下，二極管的正向平均電流不能超過此值，否則二極管容易因過熱而損壞。2）最大反向工作電壓最大反向工作電壓是指二極管在工作時所允許的最大反向偏置電壓。若反向偏置電壓超過此值，則二極管可能會被擊穿。數(shù)值較大的二極管稱為高反壓二極管。3）反向電流反向電流是指二極管未擊穿時的反向電流。反向電流越小，二極管的單向導電性越好。反向電流受溫度的影響很大，它會隨著溫度的升高而逐漸增大。4）最高工作頻率最高工作頻率指加在二極管兩端的交流電壓所允許的最高頻率。在使用二極管時，若加在其兩端的交流電壓的頻率超過此值，則二極管的單向導電性將會降低甚至失去。最高工作頻率主要取決于PN結結電容的大小，結電容越大，最高工作頻率越低。任務1.2認識三極管任務引入三極管如下圖所示，它由1個管體和3個引腳構成，其中3個引腳分別為基極B、集電極C和發(fā)射極E。根據(jù)半導體組合方式的不同，三極管可分為NPN型和PNP型兩種。三極管是基本的半導體器件之一，它具有電流放大作用，是電子電路的核心元件。任務引入請選擇合適的工具和器材，對三極管進行測試，判斷三極管的類型和引腳的極性，并通過逐點法繪制三極管的伏安特性曲線。本任務的知識與技能要求如下表所示。任務內容認識三極管學習程度識記理解應用學習任務三極管的結構和電流放大作用●

三極管的伏安特性

●

三極管的主要參數(shù)

●

實訓任務測試三極管的伏安特性

●自我勉勵學習目標任務工單學生領取任務工單（詳見教材），并完成工單內容。1．知識準備3．任務實施2．工具和器材準備4．任務評價如下圖所示為三極管的結構，它由三層不同性質的半導體組合而成。根據(jù)半導體組合方式的不同，三極管可分為NPN型和PNP型兩類。1.2.1三極管的結構和電流放大作用相關知識1．三極管的結構無論是NPN型三極管還是PNP型三極管，它們均有3個區(qū)，即基區(qū)、集電區(qū)和發(fā)射區(qū)。這3個區(qū)分別引出3個引腳，即基極B、集電極C和發(fā)射極E。同時，在3個區(qū)的交界處有兩個PN結，即集電結和發(fā)射結。相關知識三極管的電流放大作用是由其內部載流子從發(fā)射區(qū)到集電區(qū)的運動中體現(xiàn)出來的。為保證其內部載流子能夠做這樣的定向運動，三極管需要滿足一定的內部結構條件和外部條件。其中，內部結構條件主要包括以下幾點。三極管的外部條件則是要保證外加電源的極性，使發(fā)射結處于正向偏置狀態(tài)，使集電結處于反向偏置狀態(tài)。2．三極管的電流放大作用（1）發(fā)射區(qū)很小，但摻雜濃度高。（2）基電區(qū)最薄且摻雜濃度最低（比發(fā)射區(qū)低2～3個數(shù)量級）。（3）集電結面積最大，且集電區(qū)的摻雜濃度低于發(fā)射區(qū)的摻雜濃度。相關知識下面通過一個電流放大實驗來說明三極管的電流放大作用。如下圖所示為三極管電流放大實驗電路，將電源的正、負極分別接三極管的基極B和發(fā)射極E，將電源的正、負極分別接三極管的集電極C和發(fā)射極E，從而在三極管的發(fā)射結施加正向電壓、集電結施加反向電壓。此時，調節(jié)電位器，則基極B中的電流、集電極C中的電流和發(fā)射極E中的電流都會發(fā)生變化，它們的測量數(shù)據(jù)如表1-11（詳見教材）所示。相關知識由表1-11可得出以下結論。（1）三極管各電極中電流的關系滿足

，其中

。該結果符合基爾霍夫電流定律，即流進三極管的電流等于流出三極管的電流。（2）

與

的比值基本為定值，當

增大時，

基本上也成比例增大。該比值稱為直流電流放大系數(shù)，用

表示。

可表征三極管的直流放大能力。（3）

和

的比值基本為定值，

的較小變化可使

出現(xiàn)較大變化。該比值稱為交流電流放大系數(shù)，用

表示。

可表征三極管的交流放大能力。王守武：中國半導體事業(yè)的拓荒者半導體器件物理學家、中科院院士王守武，被譽為中國半導體研究的“拓荒者”，在研究與開拓中國半導體材料、半導體器件、光電子器件及大規(guī)模集成電路等方面做出了重要貢獻。1950年，已經(jīng)在美國取得教職的王守武帶著妻女毅然返回祖國，在中科院應用物理研究所扎下根來。王守武回國前并未聯(lián)系國內的工作單位，從事機電專業(yè)研究的他按照國家的需要轉向了半導體研究，“當時只想為祖國做點貢獻，哪里需要就到哪里去。中科院讓我去，我就去了。”……詳見教材砥節(jié)礪行三極管的伏安特性可分為輸入特性和輸出特性兩部分，它們均可通過伏安特性曲線來分析。下面以共發(fā)射極放大電路為例，分別對三極管的輸入特性和輸出特性進行分析。三極管的輸入特性曲線和輸出特性曲線可通過如上圖所示的電路進行測繪。1.2.2三極管的伏安特性相關知識當為常數(shù)時，輸入電路（基極電路）中與之間的關系曲線即為輸入特性曲線，如下圖所示。1．輸入特性相關知識當時，集電極與發(fā)射極短接，三極管相當于兩個二極管并聯(lián)，即為外加在并聯(lián)二極管上的正向電壓，三極管的輸入特性曲線與二極管的正向特性曲線相似。當時，三極管的輸入特性曲線右移，這是因為此時集電結已反向偏置，其內電場已足夠大，可以把從發(fā)射區(qū)進入基區(qū)的絕大部分電子收集至集電區(qū)。由于此時即使再增加，只要不變，也不再明顯減小，因此三極管的輸入特性曲線可近似為同一條曲線。相關知識點撥由上圖可以看出，在三極管的輸入特性中也存在閾值電壓，只有當發(fā)射結外加電壓大于閾值電壓時，三極管才會產(chǎn)生基極電流。硅三極管的閾值電壓約為0.6V，鍺三極管的閾值電壓約為0.2V。當為常數(shù)時，輸出電路（集電極電路）中的與之間的關系曲線即為輸出特性曲線，如下圖所示。2．輸出特性相關知識三極管的輸出特性曲線可分為放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)3個區(qū)域，這3個區(qū)域分別對應三極管3種不同的工作狀態(tài)。相關知識1）放大區(qū)輸出特性曲線中近于水平的部分是放大區(qū)，三極管在這個區(qū)域處于放大狀態(tài)。在放大區(qū)，，對有很強的控制能力，幾乎不隨和負載的變化而變化。三極管處于放大狀態(tài)的電壓條件為：發(fā)射結正偏，集電結反偏。2）飽和區(qū)輸出特性曲線中相對于變化較小的區(qū)域是飽和區(qū)，三極管在這個區(qū)域處于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū)，

，不能控制，因此三極管不能起電流放大作用。此時，，隨的增加而迅速增大。的情況稱為臨界飽和狀態(tài)，該狀態(tài)在特性曲線對應點的軌跡稱為臨界飽和線，此時集電極與發(fā)射極之間的電壓稱為飽和壓降。三極管處于飽和狀態(tài)的電壓條件為：發(fā)射結正偏，集電結也正偏。3）截止區(qū)對應曲線下方的區(qū)域是截止區(qū)，三極管在這個區(qū)域處于截止狀態(tài)。此時，，，三極管不導通，同樣也不能起電流放大作用。三極管處于截止狀態(tài)的電壓條件為：發(fā)射結反偏，集電結也反偏。相關知識點撥三極管除了具有電流放大作用外，還具有開關作用。將三極管作為開關使用時，三極管的基極是控制極，當較大時，三極管處于飽和狀態(tài)，發(fā)射極E與集電極C之間的電阻很小，它們如同開關閉合；當較小或為零時，三極管處于截止狀態(tài)，發(fā)射極E與集電極C之間的電阻很大，它們如同開關斷開。相關知識三極管的參數(shù)是用來表征其性能和適用范圍的，是評價三極管質量及選擇三極管的主要依據(jù)。三極管的主要參數(shù)有以下幾個。1.2.3三極管的主要參數(shù)三極管的電流放大系數(shù)包括直流電流放大系數(shù)和交流電流放大系數(shù)。雖然二者的含義不同，但在實驗中發(fā)現(xiàn)，這兩個參數(shù)在放大區(qū)的值非常接近，可近似認為相等。1．電流放大系數(shù)相關知識1）集電極-基極反向飽和電流集電極-基極反向飽和電流是指發(fā)射極的電路處于斷開狀態(tài)時，集電極和基極之間的反向電流。集電極-基極反向飽和電流受溫度的影響較大，它會隨溫度的升高而增大。集電極-基極反向飽和電流越小，三極管的熱穩(wěn)定性越好。室溫下，小功率硅三極管的集電極-基極反向飽和電流在1μA以下，鍺三極管的集電極-基極反向飽和電流一般為幾微安到幾十微安。2）集電極-發(fā)射極穿透電流集電極-發(fā)射極穿透電流是指基極的電路處于斷開狀態(tài)時，由集電區(qū)穿過基區(qū)流入發(fā)射區(qū)的電流。當溫度升高時，集電極-發(fā)射極穿透電流比集電極-基極反向飽和電流增加得更快。集電極-發(fā)射極穿透電流對三極管的工作影響更大，是衡量三極管質量好壞的重要參數(shù)，其值越小越好。2．極間反向電流參數(shù)相關知識3．極限參數(shù)1）集電極最大允許電流三極管工作在放大區(qū)時，若集電極電流超過一定值，三極管的

值就會減小。三極管的值減小到正常值時的集電極電流稱為三極管的集電極最大允許電流。2）集電極-發(fā)射極反向擊穿電壓基極的電路處于斷開狀態(tài)時，外加在集電極和發(fā)射極之間的最大允許電壓。當大于集電極-發(fā)射極反向擊穿電壓時，會驟然大幅增大，說明三極管已被擊穿。3）集電極最大允許耗散功率集電極電流在流經(jīng)集電結時會產(chǎn)生熱量，使其溫度升高，從而引起三極管的參數(shù)發(fā)生變化。當三極管因受熱而出現(xiàn)的參數(shù)變化不超過允許值時，集電極所消耗的最大功率稱為集電極最大允許耗散功率，其計算公式為。相關知識以上三個極限參數(shù)可以共同確定三極管的安全工作區(qū)，如下圖所示。學習成果評價指導教師根據(jù)學生對本項目的實際學習成果對其進行評價，學生配合指導教師共同完成如下表所示的學習成果評價表。班級

組號

日期

姓名

學號

指導教師

學習成果/項目名稱半導體器件評價項目評價內容評價方式滿分/分評分/分知識

40%PN結的形成理論測試4

PN結的單向導電性4

二極管的結構2

二極管的伏安特性4

二極管的主要參數(shù)6

二極管的應用2

三極管的結構2

三極管的電流放大作用6

三極管的伏安特性4

三極管的主要參數(shù)6

學習成果評價評價項目評價內容評價方式滿分/分評分/分技能

40%判斷二極管引腳的極性實踐操作10

測試二極管的伏安特性10

判斷三極管引腳的極性10

測試三極管的伏安特性10

素養(yǎng)

20%積極參加教學活動，主動學習、思考、討論綜合評判6

認真負責，按時完成學習、實踐任務4

團結協(xié)作，與組員之間密切配合4

服從指揮，遵守課堂和實訓室紀律4

守正創(chuàng)新，自信自強2

合計100

自我評價

教師評價

謝謝基本放大電路項目2放大電路是電子電路中最基本的組成部分，它在生活中的應用隨處可見，電視機機頂盒、收音機、手機、路由器等電器的內部均用到了放大電路。放大電路利用三極管的電流放大作用，可以把微弱的輸入信號放大成振幅/功率較大的輸出信號。本項目主要介紹幾種基本放大電路及負反饋放大電路的基本知識，同時對功率放大電路進行簡要介紹。項目導讀項目導讀學習目標知識目標 能夠正確調試基本放大電路。 能夠正確調試負反饋放大電路。 能夠正確測試集成功率放大器的性能指標。技能目標 弘揚愛國奮斗精神，樹立建功立業(yè)信念。 厚植民族自豪感和科技自信心。素質目標

掌握放大電路的結構和分類。 掌握共發(fā)射極放大電路、分壓偏置放大電路、共集電極放大電路結構和多級放大電路分析方法。 掌握反饋的分類和負反饋放大電路的基本類型。 熟悉功率放大電路的工作原理和功率放大器的性能參數(shù)。目錄任務2.1

認識基本放大電路任務2.2

認識負反饋放大電路任務2.3

認識功率放大電路任務2.1認識基本放大電路任務引入在科學實驗和生產(chǎn)應用中，從傳感器獲取的信號通常較為微弱，只有將其放大才能得到可用的輸出信號，這就需要通過放大電路來實現(xiàn)。而為了保證放大電路正常工作，通常需要將放大電路設置在最佳靜態(tài)工作點。請選擇合適的工具和器材，連接如下圖所示電路，將其調至最佳靜態(tài)工作點，并測量其電壓放大倍數(shù)。任務引入本任務的知識與技能要求如下表所示。任務內容認識基本放大電路學習程度識記理解應用學習任務放大電路概述●

共發(fā)射極放大電路

●

分壓偏置放大電路和共集電極放大電路

●

多級放大電路●實訓任務調試基本放大電路

●自我勉勵學習目標任務工單學生領取任務工單（詳見教材），并完成工單內容。1．知識準備3．任務實施2．工具和器材準備4．任務評價放大電路主要由三極管（或場效應管）、電阻、電容和直流電源等構成，它用來將微弱的電信號（非電信號可以通過傳感器轉變成電信號）放大成振幅足夠大且與原電信號變化規(guī)律一致的信號，以便人們測量或供負載使用，如下圖所示。不同放大電路的應用場合及作用雖然不盡相同，但其信號放大的過程是相同的。2.1.1放大電路概述相關知識相關知識點撥放大電路將能量較小的輸入信號放大成能量較大的輸出信號，增加的能量是由直流電源通過放大電路轉換而來的，而不是放大電路本身產(chǎn)生的。下面主要介紹共發(fā)射極放大電路、分壓偏置放大電路、共集電極放大電路和多級放大電路等基本放大電路的相關知識。2.1.2共發(fā)射極放大電路相關知識1．共發(fā)射極放大電路的結構當三極管應用于放大電路時，通常將其一對端子作為輸入端，另一對端子作為輸出端。這樣，三極管便有一個端子是輸入電路和輸出電路的公共端。如果放大電路的輸入信號加到基極和發(fā)射之間，而輸出信號從集電極和發(fā)射極間輸出，則該放大電路稱為共發(fā)射極放大電路，如右圖所示。共發(fā)射極放大電路是最基本的放大電路，很多復雜電路都是由它組合或演變而成的。共發(fā)射極放大電路中各器件的作用和性能如表2-5（詳見教材）所示。相關知識靜態(tài)分析的目的主要是通過放大電路的靜態(tài)工作點，來確定三極管是否處在其伏安特性曲線的合適位置。共發(fā)射極放大電路處于靜態(tài)時，三極管基極電流、集電極電流和集電極-發(fā)射極電壓等直流分量在三極管伏安特性曲線上可確定為一個點，這個點稱為靜態(tài)工作點，用Q表示。由此可見，靜態(tài)工作點是由靜態(tài)電流流經(jīng)的通路（即直流通路）決定的。對共發(fā)射極放大電路進行靜態(tài)分析便是對其直流通路進行分析。在繪制直流通路時，需要將電容看作開路，將電感看作短路，將信號源看作短路（需要保留其內阻）。共發(fā)射極放大電路的直流通路如下圖所示。2．共發(fā)射極放大電路的靜態(tài)分析相關知識1）近似估算法由圖2-5可得（2-1）由于三極管處于放大狀態(tài)時，其發(fā)射結正偏，基本不變（硅三極管約為0.7V，鍺三極管約為0.3V）且一般比小得多，因此式（2-1）可變換為（2-2）根據(jù)三極管的電流放大作用，可得（2-3）（2-4）在輸入特性曲線上確定Q點的方法為：由直流通路求出靜態(tài)電流，在輸入特性曲線上找到與對應的點，該點即為輸入回路中的Q點，如右圖所示。相關知識2）圖解分析法利用三極管的輸入、輸出特性曲線，通過作圖對放大電路的性能指標進行分析的方法稱為圖解分析法。在共發(fā)射極放大電路的靜態(tài)分析中，圖解分析法主要用來確定其靜態(tài)工作點Q。相關知識在輸出特性曲線上確定Q點的方法為：在坐標系內繪制由方程所決定的直線，該直線由直流通路得出，且與集電極負載電阻有關，因此稱為直流負載線；直流負載線與三極管輸出特性曲線的交點即為輸出回路中的Q點，如右圖所示。

的值不同，靜態(tài)工作點在直流負載線上的位置也就不同。三極管工作狀態(tài)的要求不同，所需要的靜態(tài)工作點也不同，這可以通過改變的大小來實現(xiàn)。因此，很重要，通常將其稱為偏置電流，簡稱偏流。偏流的大小通常可通過改變基極偏置電阻的阻值來調整。相關知識動態(tài)是指放大電路在有交流輸入信號時的工作狀態(tài)。此時，放大電路中的電流和電壓都含有直流分量和交流分量。動態(tài)分析的目的是確定放大電路對信號的電壓放大倍數(shù)，并分析放大電路的輸入電阻和輸出電阻等。動態(tài)分析的基本方法有圖解分析法和微變等效電路分析法兩種。1）圖解分析法如下圖所示為共發(fā)射極放大電路有交流信號輸入時的圖解分析，從中可以得出以下結論。3．共發(fā)射極放大電路的動態(tài)分析相關知識相關知識（1）交流信號的傳輸過程為（即

）

→

→

→

（即

）（2）電壓和電流都含有直流分量和交流分量，即由于電容

具有隔直流的作用，

的直流分量不能到達輸出端，因此只有交流分量

能通過

而成為輸出電壓。（3）輸入電壓和輸出電壓的相位相反，即電路具有倒相作用；同時，輸出電壓比輸入電壓大得多，表明放大電路具有電壓放大功能。相關知識此外，對放大電路的一個基本要求就是輸出信號盡可能不失真。失真是指信號在傳輸過程中與原有信號相比發(fā)生偏差。在實際電路中，若因靜態(tài)工作點設置不恰當或輸入信號振幅過大等，而使放大電路的工作范圍超出了三極管伏安特性曲線的線性范圍，則會造成輸出信號失真，這種失真稱為非線性失真。非線性失真一般包括截止失真和飽和失真，如下圖所示。相關知識在上圖中，若靜態(tài)工作點Q設置得過低，則集電極電流太小，三極管的工作狀態(tài)接近截止區(qū)。此時，在輸入電壓的負半周三極管進入截止區(qū)工作，電流和電壓不能被正常放大，表現(xiàn)為

負半周和輸出電壓正半周的頂部被削平，從而出現(xiàn)失真，這種失真稱為截止失真。通過減小基極偏置電阻來增大

，可將靜態(tài)工作點適當上移以消除截止失真。在上圖中，若靜態(tài)工作點Q設置得過高，則集電極電流太大，三極管的工作狀態(tài)接近飽和區(qū)。此時，在輸入電壓的正半周三極管進入飽和區(qū)工作，電流和電壓不能被正常放大，表現(xiàn)為

正半周和輸出電壓負半周的頂部被削平，從而出現(xiàn)失真，這種失真稱為飽和失真。通過增大基極偏置電阻來減小

，可將靜態(tài)工作點適當下移以消除飽和失真。相關知識2）微變等效電路分析法放大電路的微變等效電路是把非線性元件三極管線性化，將其等效為一個線性元件，從而把以三極管為核心的放大電路等效為線性電路，以便用分析線性電路的方法來分析計算放大電路。三極管線性化的條件是三極管必須工作在小信號微變量情況下，即三極管必須工作在伏安特性曲線上的一個較小范圍內。只有滿足這一條件，才能把靜態(tài)工作點附近小范圍內的曲線看作直線。因此，微變等效電路分析法僅適用于輸入信號是低頻小信號的情況。（1）三極管的微變等效電路。如圖右圖所示為三極管的輸入特性曲線，它是非線性的。當輸入信號很小時，在靜態(tài)工作點Q附近的曲線可看作直線。當為常數(shù)時，有（2-5）相關知識稱為三極管的輸入電阻，它表明了三極管的交流輸入特性。在小信號微變量情況下，它是常數(shù)，一般為幾百歐到幾千歐，對交流信號而言是一個動態(tài)等效電阻。因此，三極管的基極和發(fā)射極之間可用等效代替。低頻小功率三極管的輸入電阻常用下式估算，即（2-6）其中，的單位為毫安（mA）。如右圖所示為三極管的輸出特性曲線。在放大區(qū)，該特性曲線為一組近似與橫軸平行的直線。當為常數(shù)時，有

（2-7）相關知識在小信號微變量作用下，為一常數(shù)。因此，三極管的輸出端可用一等效電流源代替。該等效電流源因其電流受電流控制而稱為受控源。為了區(qū)別于獨立電源，受控源用菱形符號表示。如下圖所示為三極管的微變等效電路。相關知識（2）共發(fā)射極放大電路的微變等效電路。在分析放大電路時，一般用交流通路來研究放大電路的動態(tài)性能。交流通路是指交流電流流經(jīng)的通路。分析交流通路時，耦合電容可看作短路，直流電源在其內阻忽略不計時也可看作短路。由三極管的微變等效電路和放大電路的交流通路即可得出共發(fā)射極放大電路的微變等效電路。相關知識（3）共發(fā)射極放大電路的電壓放大倍數(shù)。共發(fā)射極放大電路的電壓放大倍數(shù)是輸出電壓與輸入電壓的比值，即（2-8）

因此，式（2-8）可換算成（2-9）式中：

——交流等效負載電阻，負號表示輸入電壓與輸出電壓的相位相反。當共發(fā)射極放大電路開路時，有（2-10）可見，共發(fā)射極放大電路開路時的電壓放大倍數(shù)比接負載電阻時的大。負載電阻越大，電壓放大倍數(shù)越大。相關知識（4）共發(fā)射極放大電路的輸入電阻。共發(fā)射極放大電路的輸入電阻是其輸入端的等效電阻，為輸入電壓與輸入電流的比值，即

（2-11）由上圖可知（2-12）在實際中，的阻值比大得多。因此，共發(fā)射極放大電路的輸入電阻基本等于三極管的輸入電阻，該電阻很小。相關知識（5）共發(fā)射極放大電路的輸出電阻。共發(fā)射極放大電路的輸出電阻是其輸出端的等效電阻。實際求取時，將共發(fā)射極放大電路微變等效電路中的輸入信號源短路（即），輸出端負載開路，此時，，電流源相當于開路，則有（2-13）由于一般為幾千歐，因此共發(fā)射極放大電路的輸出電阻通常較大。2.1.3分壓偏置放大電路相關知識1．分壓偏置放大電路的靜態(tài)分析分壓偏置放大電路如下圖所示。它與共發(fā)射極放大電路的區(qū)別在于：三極管VT的基極連接有兩個基極偏置電阻，對直流電源的電壓進行分壓，從而使基極有了一定的電位；發(fā)射極串聯(lián)了電阻和電容。相關知識將所有電容全部斷開，可得到分壓偏置放大電路的直流通路，如右圖所示。由右圖可知。通常很小，若，則基極的電壓為（2-14）由式（2-14）可知，與三極管的參數(shù)無關，因此的變化不受溫度變化的影響。相關知識此外，由上圖還可知，，若使，則（2-15）由式（2-15）可知，與三極管的參數(shù)無關，因此的變化也不受溫度變化的影響。綜上所述，只要分壓偏置放大電路滿足和兩個條件，則其靜態(tài)工作電壓和靜態(tài)工作電流將主要由、、和決定，與三極管的參數(shù)幾乎無關，它們不受溫度變化的影響。對采用硅三極管的分壓偏置放大電路而言，在估算時，取、。相關知識如右圖所示為分壓偏置放大電路的交流通路，它與共發(fā)射極放大電路的交流通路相似，它們的等效電路也相似。其中，，輸入電阻、輸出電阻和電壓放大倍數(shù)的計算公式與共發(fā)射極放大電路的相同。2．分壓偏置放大電路的動態(tài)分析2.1.4共集電極放大電路相關知識共集電極放大電路如右圖所示。其中，交流信號從基極輸入，從發(fā)射極輸出，因此基于該電路制成的器件又稱為射極輸出器。1．共集電極放大電路的靜態(tài)分析如下圖所示為共集電極放大電路的直流通路。由該圖可知

即

相關知識由此可求得共集電極放大電路靜態(tài)工作點的電流為（2-16）（2-17）共集電極放大電路靜態(tài)工作點的電壓為（2-18）相關知識2．共集電極放大電路的動態(tài)分析共集電極放大電路的交流通路如圖及其微變等效電路如下圖所示，據(jù)此可分析其動態(tài)性能指標。相關知識1）電壓放大倍數(shù)由上圖可得

（2-19）因，故，兩者振幅相近，相位相同，因此|Au|小于1且接近于1。相關知識2）輸入電阻由上圖可得共集電極放大電路的輸入電阻為（2-20）共集電極放大電路的輸入電阻比較大，可達幾十千歐到幾百千歐。3）輸出電阻共集電極放大電路的輸出電阻為（此處不做推導）（2-21）其中，。共集電極放大電路的輸出電阻很小，一般只有幾歐到幾十歐。相關知識綜上所述，共集電極放大電路具有以下特點。（1）電壓放大倍數(shù)小于1且接近于1，輸出信號與輸入信號同相，具有電壓跟隨作用。（2）輸入電阻大，有利于減小共集電極放大電路對信號電流的分流。（3）輸出電阻小，具有較強的帶負載能力。（4）具有電流放大和功率放大作用。2.1.5多級放大電路相關知識上述放大電路都是單級放大電路，它們的放大倍數(shù)有限。在實際應用時，通常需要將多個單級放大電路連接起來，構成多級放大電路，對輸入信號進行連續(xù)放大，以滿足需要。多級放大電路的結構如下圖所示。其中，與信號源相連接的第一級放大電路稱為輸入級，與負載相連接的末級放大電路稱為輸出級，輸出級與輸入級之間的放大電路稱為中間級。相關知識（1）輸入級主要完成與信號源的銜接并對輸入信號進行放大。為使輸入信號盡量不受信號源內阻的影響，輸入級應具有較大的輸入電阻，通常采用大輸入電阻的放大電路，如共集電極放大電路等。（2）中間級用于將微弱的輸入電壓放大到足夠的振幅，即進行電壓放大。（3）輸出級用于對信號進行功率放大，以滿足輸出負載所需要的功率，并與負載的阻抗相匹配。由上圖可以看出，多級放大電路各級是串連的，前一級的輸出信號是后一級的輸入信號，后一級的輸入電阻是前一級的負載。因此，多級放大電路的電壓放大倍數(shù)等于各級電壓放大倍數(shù)的乘積，即（2-22）相關知識多級放大電路的輸入電阻等于從第一級放大電路的輸入端所對應的兩端電路的等效電阻，也就是第一級的輸入電阻，即（2-23）多級放大電路的輸出電阻等于從最后一級放大電路的負載兩端（不含負載）所對應的兩端電路的等效電阻，也就是最后一級的輸出電阻，即（2-24）半導體的先驅者——物理大師黃昆半導體學科隨著半導體產(chǎn)業(yè)和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其戰(zhàn)略意義日益凸顯。黃昆先生正是中國半導體學科的奠基人，是中國半導體學界的一代宗師。黃昆，浙江嘉興人，中國科學院院士、世界著名物理學家。20世紀40年代末，黃昆在歐洲物理學界聲名鵲起，而他卻更關注如何回國，以及能為祖國做什么。他曾設想在中國“組織一個真正獨立的物理中心”，……詳見教材砥節(jié)礪行任務2.2認識負反饋放大電路任務引入為了改善放大電路的工作性能，提高其輸出信號的質量，通常在放大電路中引入反饋，將輸出信號的一部分或全部以一定的方式回送到放大電路的輸入端，以對放大電路的輸入量進行調整。負反饋放大電路就是引入了交流負反饋的放大電路。本任務要求學生正確選擇工具和器材，連接如下圖所示的電路，判斷該電路負反饋的類型，測量該電路的輸入電阻和輸出電阻，并用示波器觀察輸出電壓的波形。任務引入本任務的知識與技能要求如下表所示。任務內容認識負反饋放大電路學習程度識記理解應用學習任務放大電路中的反饋

●

負反饋放大電路的基本類型

●

實訓任務調試負反饋放大電路

●自我勉勵學習目標任務工單學生領取任務工單（詳見教材），并完成工單內容。1．知識準備3．任務實施2．工具和器材準備4．任務評價2.2.1放大電路中的反饋相關知識1．反饋的基本概念反饋是指將放大電路輸出端的信號，通過一定的電路形式作用到放大電路的輸入端，對放大電路的輸入量進行調整的措施。放大電路不加反饋電路時的狀態(tài)稱為開環(huán)狀態(tài)，引入反饋后，整個系統(tǒng)變?yōu)殚]環(huán)狀態(tài)。反饋放大電路由基本放大電路和反饋電路構成，其結構如右圖所示。相關知識設反饋放大電路的開環(huán)電壓放大倍數(shù)為，閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為，反饋系數(shù)為，則有

經(jīng)整理，可得（2-25）在式（2-25）中，（）與閉環(huán)電壓放大倍數(shù)密切相關，因此它是衡量反饋程度的重要指標，稱為反饋深度。引入反饋后，反饋放大電路可根據(jù)輸出量的變化控制凈輸入量的大小，從而自動調節(jié)信號的放大過程，以改善放大電路的工作性能。相關知識2．反饋的分類反饋有多種分類方法：根據(jù)極性的不同，反饋可分為正反饋和負反饋兩種；根據(jù)信號成分的不同，反饋可分為直流反饋和交流反饋兩種；根據(jù)反饋量與輸出量關系的不同，反饋可分為電壓反饋和電流反饋兩種；根據(jù)反饋量與輸入量關系的不同，反饋可分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋兩種。相關知識1）正反饋與負反饋根據(jù)反饋對輸出量的影響可以區(qū)分反饋的極性。反饋使輸出量的變化增大，即使凈輸入量增大，則稱之為正反饋；反饋使輸出量的變化減小，即使凈輸入量減小，則稱之為負反饋。正反饋多用于振蕩電路和脈沖電路，而負反饋多用于改善放大電路的性能。2）直流反饋與交流反饋反饋信號中只有直流分量的反饋稱為直流反饋，直流反饋可分為直流正反饋和直流負反饋兩種，其中直流負反饋多用于穩(wěn)定靜態(tài)工作點，不常單獨使用。反饋信號中只有交流分量的反饋稱為交流反饋，交流反饋可分為交流正反饋和交流負反饋兩種，其中交流負反饋多用于改善放大電路的性能。實際中，反饋信號中既有直流分量又有交流分量，即同時存在交、直流反饋。3）電壓反饋與電流反饋在反饋放大電路中，如果反饋量取自基本放大電路輸出端的電壓，則該反饋稱為電壓反饋；如果反饋量取自基本放大電路輸出端的電流，則該反饋稱為電流反饋。4）串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋在反饋放大電路中，如果反饋量與輸入量在輸入回路中串聯(lián)，兩者以電壓方式相疊加，則該反饋稱為串聯(lián)反饋；如果反饋量與輸入量在輸入回路中并聯(lián)，兩者以電流方式相疊加，則該反饋稱為并聯(lián)反饋。正反饋與負反饋可采用瞬時極性法來判別，其具體判別方法如下。先假定輸入量在某一瞬時對地的極性，然后據(jù)此逐級判斷電路中各相關點電流的流向和電位的極性，從而得到輸出量的極性，最后根據(jù)輸出量的極性判斷出反饋量的極性。若反饋量使基本放大電路的凈輸入量增大，則引入的反饋是正反饋；若反饋量使基本放大電路的凈輸入量減小，則引入的反饋為負反饋。2.2.2負反饋放大電路的基本類型相關知識引入交流負反饋的放大電路通常稱為負反饋放大電路，它有四種基本類型，分別為電壓串聯(lián)負反饋放大電路、電壓并聯(lián)負反饋放大電路、電流串聯(lián)負反饋放大電路和電流并聯(lián)負反饋放大電路，其原理框圖如下圖所示。相關知識1．電壓串聯(lián)負反饋放大電路電壓串聯(lián)負反饋放大電路的輸入端和反饋電路的輸出端相串聯(lián)，反饋量取自輸出電壓，反饋量與輸入量以電壓的方式相疊加，即

。2．電壓并聯(lián)負反饋放大電路電壓并聯(lián)負反饋放大電路的輸入端和反饋電路的輸出端相并聯(lián)，反饋量取自輸出電壓，反饋量與輸入量以電流的方式相疊加，即

。3．電流串聯(lián)負反饋放大電路電流串聯(lián)負反饋放大電路的輸入端和反饋電路的輸出端相串聯(lián)，反饋量取自輸出電流，反饋量與輸入量以電壓的方式相疊加，即

。4．電流并聯(lián)負反饋放大電路電流并聯(lián)負反饋放大電路的輸入端和反饋電路的輸出端相并聯(lián)，反饋量取自輸出電壓，反饋量與輸入量以電流的方式相疊加，即

。任務2.3認識功率放大電路任務引入在很多電子裝置中，需要放大電路的輸出級能夠輸出一定的功率，以驅動某種負載，如驅動儀表的指針偏轉、驅動揚聲器發(fā)聲等，這種能夠向負載提供足夠功率的放大電路稱為功率放大電路，簡稱功放，而基于功率放大電路制成的集成電路則稱為集成功率放大器。本任務要求學生正確選擇工具和器材，連接如下圖所示的集成功率放大器測試電路，并測試該集成功率放大器的最大輸出功率和轉換效率。任務引入本任務的知識與技能要求如下表所示。任務內容認識功率放大電路學習程度識記理解應用學習任務功率放大器的基本知識

●

OCL電路的工作原理和性能參數(shù)

●

OTL電路的工作原理

●

實訓任務測試集成功率放大器

●自我勉勵學習目標任務工單學生領取任務工單（詳見教材），并完成工單內容。1．知識準備3．任務實施2．工具和器材準備4．任務評價功率放大電路應滿足以下要求。2.3.1功率放大電路概述相關知識1．功率放大電路應滿足的要求（1）具有足夠大的輸出功率。為了使功率放大電路獲得較大的輸出功率，往往要求其中的三極管工作在極限狀態(tài)。因此，在使用功率放大電路時，應考慮三極管的極限參數(shù)。（2）具有較高的轉換效率。功率放大電路的工作電壓高，工作電流大，因此功率放大電路應具有較高的轉換效率，以減少電能的損耗。（3）輸出信號的非線性失真要小。由于功率放大電路輸出電壓和輸出電流的振幅都很大，其中的三極管工作范圍較大，輸出信號將不可避免地產(chǎn)生非線性失真，而且功率越大，非線性失真越嚴重。一般情況下，測量系統(tǒng)和電聲設備中的功率放大電路要求非線性失真要盡量小，工業(yè)控制系統(tǒng)中的功率放大電路則以輸出大功率為目的，對非線性失真要求不高。根據(jù)三極管工作狀態(tài)的不同，功率放大電路可分為甲類、乙類和甲乙類三種，其靜態(tài)工作點如下圖所示?？梢钥闯?，甲類功率放大電路的轉換效率較低，而乙類和甲乙類功率放大電路雖然轉換效率較高，但其輸出信號的非線性失真比較嚴重。相關知識2．不同工作狀態(tài)的功率放大電路甲類功率放大電路的靜態(tài)工作點位于放大區(qū)，其靜態(tài)功耗大，轉換效率低，但失真較??；乙類功率放大電路的靜態(tài)工作點位于截止區(qū)，其靜態(tài)功耗接近于零，轉換效率高，但存在嚴重的失真；甲乙類功率放大電路的靜態(tài)工作點接近截止區(qū)，它的失真現(xiàn)象較乙類功率放大電路輕，且靜態(tài)功耗較甲類功率放大電路小，轉換效率高。OCL電路屬于乙類放大電路，其工作原理如下圖所示。其中，OCL電路正負電源的電壓絕對值相同；三極管是參數(shù)特性對稱一致的NPN型三極管和PNP型三極管，它們的基極連接在一起作為輸入端，發(fā)射極也連接在一起直接接負載。2.3.2OCL電路相關知識1．OCL電路的靜態(tài)分析OCL電路處于靜態(tài)時，由于兩個三極管的基極都未加偏置電壓，因此它們都不導通，電流為零，此時OCL電路工作于截止區(qū)，處于乙類工作狀態(tài)。此時，發(fā)射極的電位為零，負載上無電流通過。相關知識2．OCL電路的動態(tài)分析相關知識3．OCL電路的性能參數(shù)1）最大輸出功率OCL電路的輸出功率為

（2-26）式中：——輸出電壓

的峰值電壓。在理想條件下，負載獲得最大輸出電壓時，其峰值電壓接近電源電壓。因此，負載獲得的最大輸出功率為

（2-27）2）電源功率直流電源提供的功率為半個正弦波的平均功率，信號振幅越大，電流越大，電源功率也越大。電源功率為（此處不做推導）

（2-28）相關知識3）轉換效率OCL電路的轉換效率η為

（2-29）當電路輸出最大功率時，功率放大電路的轉換效率達到最大，即

（2-30）4）管耗在電源輸入的直流功率中，有一部分會通過三極管轉換為輸出功率，剩余部分則消耗在三極管上，形成三極管的管耗。顯然

（2-31）當時，有

（2-32）因此，單個三極管的為

（2-33）相關知識2.3.3OTL電路OTL電路屬于甲乙類功率放大電路，其工作原理如下圖所示。相關知識學習成果評價指導教師根據(jù)學生對本項目的實際學習成果對其進行評價，學生配合指導教師共同完成如下表所示的學習成果評價表。班級

組號

日期

姓名

學號

指導教師

學習成果/項目名稱基本放大電路評價項目評價內容評價方式滿分/分評分/分知識

40%放大電路的結構、作用和分類理論測試4

共發(fā)射極放大電路6

分壓偏置放大電路4

共集電極放大電路4

多級放大電路6

反饋的基本概念和類型2

負反饋放大電路4

OCL電路6

OTL電路2

集成功率放大器2

學習成果評價評價項目評價內容評價方式滿分/分評分/分技能

40%調試基本放大電路實踐操作12

調試負反饋放大電路16

測試集成功率放大器12

素養(yǎng)

20%積極參加教學活動，主動學習、思考、討論綜合評判6

認真負責，按時完成學習、實踐任務4

團結協(xié)作，與組員之間密切配合4

服從指揮，遵守課堂和實訓室紀律4

守正創(chuàng)新，自信自強2

合計100

自我評價

教師評價

謝謝集成運算放大器項目3集成電路采用半導體制造工藝，將大量電子器件及它們之間的連線都集中制作在一塊半導體芯片上，從而實現(xiàn)一定的功能。根據(jù)功能的不同，集成電路可分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路兩大類。集成運算放大器（簡稱集成運放）是由直接耦合的多級放大電路構成的高增益模擬集成電路，它因最初用于信號的運算處理而得名。集成運放具有體積小、質量小、價格低廉、使用可靠、通用性強等優(yōu)點，在信號采集與處理、自動控制等許多方面得到了廣泛應用。本項目主要介紹集成運放的結構、性能指標、理想模型和典型應用。項目導讀項目導讀學習目標知識目標 能夠正確測試集成運放的性能指標。 能夠正確應用集成運放。技能目標 弘揚不畏艱難、奮勇向前的工作作風。 堅定科技成才、技能報國的理想信念。素質目標

掌握集成運放的結構、性能指標、理想模型和工作特性。 掌握集成運放在信號運算電路中的典型應用。目錄任務3.1

認識集成運放任務3.2

了解集成運放的

典型應用任務3.1認識集成運放

任務引入集成運放的實物如下圖所示，它由1個芯片和若干引腳構成。集成運放的圖形符號如下圖所示。其中，“”表示信號從左向右傳輸，“”表示電壓放大倍數(shù)；方框內左邊的“+”“-”分別表示同相輸入端和反相輸入端，輸入電壓分別用和表示；方框內右邊的“+”表示輸出端，輸出電壓用表示。集成運放的性能指標有很多，常用的主要有輸入失調電壓、輸入失調電流、開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)和共模抑制比等。請選擇合適的工具和器材，對集成運放的性能指標進行測試。任務引入本任務的知識與技能要求如下表所示。任務內容認識集成運放學習程度識記理解應用學習任務集成運放概述

●

集成運放的主要性能指標●

集成運放的理想模型和工作特性

●

實訓任務測試集成運放的性能指標

●自我勉勵學習目標任務工單學生領取任務工單（詳見教材），并完成工單內容。1．知識準備3．任務實施2．工具和器材準備4．任務評價集成運放是一種具有很高放大倍數(shù)的多級放大電路，也是發(fā)展最早、應用最廣的一種模擬集成電路。集成運放的結構主要有圓殼式、雙列直插式和扁平式三種，其外形如下圖所示。3.1.1集成運放概述相關知識1．集成運放的結構集成運放電路主要由四部分構成，即輸入級、中間級、輸出級和電源電路，如下圖所示。相關知識2．集成運放電路的結構輸入級一般由一個差分放大電路構成，用于提高整個電路的輸入電阻和共模抑制比中間級主要是基本放大電路，用于獲得較大的電壓放大倍數(shù)輸出級為準互補輸出級電路，其輸出電阻小，可使整個電路具有較強的帶負載能力電源電路用于為各級電路提供電能。集成運放主要有以下性能指標。3.1.2集成運放的性能指標相關知識1．開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)

是指無外加反饋回路時集成運放的差模電壓放大倍數(shù)。

該值一般在

和

之間，由于數(shù)值較大，因此常用分貝（dB）表示。

的分貝值一般為100～140dB。2．差模輸入電阻差模輸入電阻

是指輸入差模信號時的輸入電阻。

很大，一般大于

，有的可達100MW。3．開環(huán)輸出電阻開環(huán)輸出電阻是指集成運放開環(huán)時的動態(tài)輸出電阻。很小，一般為幾歐到幾十歐。4．共模抑制比共模抑制比

是指集成運放工作在線性區(qū)時，其開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)與共模電壓放大倍數(shù)之比的絕對值，即

。

的值很大，常用分貝（dB）表示，其分貝值一般在100dB以上。相關知識5．最大差模輸入電壓最大差模輸入電壓

是指不會使PN結反向擊穿的最大電壓，當輸入電壓超過這個電壓時，集成運放電路的輸入級某側的三極管將會出現(xiàn)發(fā)射結反向擊穿的現(xiàn)象，從而損壞集成運放。6．最大共模輸入電壓最大共模輸入電壓是指集成運放所能承受的共模輸入電壓的最大值，當輸入電壓超過這個電壓時，集成運放中的三極管將偏離放大區(qū)，將顯著減小。7．輸入失調電壓及其溫度漂移在實際應用中，當集成運放的輸入電壓為零時，輸出電壓并不為零，為了使輸出電壓也為零，需要在集成運放兩輸入端加上額外的電壓進行補償，該補償電壓便是輸入失調電壓。的值越小越好。的溫度漂移是指集成運放在規(guī)定的溫度范圍內工作時，隨溫度的變化率。是衡量集成運放電壓漂移特性的重要指標，其值越小越好。相關知識8．輸入失調電流及其溫度漂移輸入失調電流反映了集成運放電路的對稱程度。當時，為集成運放兩輸入端電流之差的絕對值。的溫度漂移是指集成運放在規(guī)定的溫度范圍內工作時，隨溫度的變化率。是衡量集成運放電流漂移特性的重要指標。和的值同樣是越小越好。9．轉換速率轉換速率用于衡量集成運放在大信號作用時對信號變化速度的適應能力，它是集成運放在大信號作用下輸出電壓的最大變化率，即10．供電電壓范圍集成運放允許的最小和最大安全工作電源電壓（、），稱為集成運放的供電電壓范圍。11．功耗功耗是指集成運放在規(guī)定的溫度范圍內工作時，可以安全耗散的功率。相關知識3.1.3集成運放的理想模型集成運放的理想模型稱為理想集成運放，它將集成運放的各項性能指標理想化，以便在其分析應用的過程中抓住主要因素、簡化分析過程。理想集成運放的性能指標主要有以下特點。（1）開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)。（2）差模輸入電阻。（3）開環(huán)輸出電阻。（4）共模抑制比。（5）輸入失調電壓、輸入失調電流及它們的溫度漂移均為零。（6）當輸入為零時，輸出恒為零。相關知識3.1.4集成運放的工作特性集成運放的工作特性主要是指其輸出電壓與輸入電壓之間的關系，它可通過傳輸特性曲線來分析。如右圖所示為集成運放的傳輸特性曲線。其中，BC段為集成運放工作的線性區(qū)，AB段和CD段為集成運放工作的非線性區(qū)（又稱飽和區(qū)）。由于集成運放的電壓放大倍數(shù)極高，因此BC段十分接近縱軸。在理想情況下，可認為BC段與縱軸重合。此時，用段表示集成運放工作在線性區(qū)，段和段表示集成運放工作在非線性區(qū)。當工作在線性區(qū)時，集成運放可看作一個線性放大元件，其輸出電壓和輸入差值電壓之間的關系是線性關系，即（3-1）由于集成運放的，而是有限值，因此可認為

（3-2）這種特性稱為“虛短”，即兩個輸入端之間的電壓近似為零，相當于短路，但不是真正的短路。相關知識1．線性區(qū)的工作特性由于集成運放的，因此可認為兩個輸入端的電流近似為零，即（3-3）這種特性稱為“虛斷”，即輸入端相當于斷路，但又不是真正的斷路。利用“虛短”和“虛斷”這兩個特性，分析各種運算及處理電路的線性工作情況將十分簡便。相關知識當處于開環(huán)狀態(tài)或同相輸入端與輸出端之間有通路（正反饋）時，集成運放工作在非線性區(qū)。2．非線性區(qū)的工作特性相關知識點撥在非線性區(qū)內，集成運放的“虛短”特性不存在。此時，若反相輸入端與同相輸入端不等，則輸出電壓為正、負飽和值（或），即

時，時，此外，當集成運放工作在非線性區(qū)時，兩個輸入端的輸入電流也為零。謝希德：一生心懷祖國的“斗士”在復旦大學和廈門大學的校園里，謝希德的塑像被置于顯著位置，對其身份的介紹包括中國科學院院士、復旦大學原校長、我國半導體物理學的開拓者之一、我國表面物理學的先驅者和奠基人之一等。1952年，謝希德終于回到朝思暮想的祖國，在復旦大學執(zhí)教。從1952年到1956年，她先后主講了六門基礎課和專業(yè)課，且都編寫了教材和講義?！斠娊滩捻乒?jié)礪行任務3.2