电工学第六章

安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（首页）科室:教务科授课时间：课程名称煤矿电工学学时分配总学时:57讲授:课程类别必修课(√)选修课()公选课()实验:授课专业井下电钳工授课班级50班课堂讨论:任课教师徐雪颖职称习题课:2选用教材煤炭工业出版社机动:教学目的要求教学重点难点重点:晶体二极管和三极管；体管低频小信号放大器难点:功率、直流、集成运算器放大器；正弦波振荡器参考书目学校审阅意见负责人年月日安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（内页）授课章节第六章晶体管放大和振荡电路教学目的了解半导体基本知识，晶体二极管、三极管；掌握功率、直流、集成运算器放大器等。重点与难点教学重点晶体二极管、三极管教学难点掌握功率、直流、集成运算器放大器教学方法讲授法、讲练结合教学手段口述教学过程时间分配教学内容学时数半导体基本知识1晶体二极管、三极管2功率、直流、集成运算器放大器2正弦波振荡器1教学过程设计复习提问讲授新课组织教学课堂小结引入新课布置作业实验无思考题及作业题课后习题教后感安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（附页）教学内容教法提示及备注第一节半导体基本知识一、半导体的导电性我们把自然界中导电能力介于导体和绝缘体之间的一类物质称为半导体。常见的半导体材料有硅和锗。1.本征半导体纯净的、不含任何杂质的半导体称为本征半导体，它是制造半导体器件的基本材料。以硅为例说明其内部结构特征。2.杂质半导体的导电性能由于本征半导体在常温下载流子的浓度很低，导电能力差。若在本征半导体中掺入微量的（杂质）元素，其导电能力会发生显著变化。这种掺有杂质的半导体称为杂质半导体。1）N型半导体在硅（或锗）晶体中掺入微量的五价元素，如磷等，由于每个磷原子最外层有5个价电子，其中4个价电子分别与相邻的4个硅原子组成4个共价键，多余的1个价电子处在共价键之外，只受自身磷原子核吸引，这种吸引力比较微弱，在室温下即可挣脱原安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（附页）教学内容教法提示及备注2）P型半导体在硅晶体中掺入微量的三价元素，如硼等，由于硼原子最外层只有3个价电子，当它与周围的硅原子组成共价键时，因为缺少一个价电子而形成一个空位。由于掺入的每个硼原子都能提供一个空穴载流子，其浓度远大于由于热激发而产生的自由电子数，所以空穴成为多数载流子，自由电子成为少数载流子。这种半导体主要依靠空穴载流子导电，所以称为空穴型半导体或P型半导体。由于空间电荷区中N区带正电，P区带负电，正负电荷在交界面附近形成内电场，其方向由N区指向P区。内电场方向与多子扩散运动的方向相反，一方面它将阻碍多子的扩散，另一方面促使了P区和N区中的少子的漂移运动。显然，漂移作用和扩散作用是相反的，形成动态平衡。2.PN结的单向导电性1）外加正向电压PN结导通将P区接电源正极，N区接电源负极，此时，加在PN结上的电压叫正向电压，或叫正向偏置。第页安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（附页）教学内容教法提示及备注第二节晶体二极管一、晶体二极管的结构和分类晶体二极管简称为二极管，是一种最简单的电子器件。它内部结构中有一个PN结，由P区引出的电极称为阳极，N区引出的电极称为阴极。晶体二极管的分类：根据PN结的结构特点，二极管可分为点接触型和面接触型两大类。按照不同的功能和用途，二极管可分为：普通二极管；整流二极管；开关二极管；稳压二极管。根据制作材料来分，有硅二极管和锗二极管。二、晶体二极管的伏安特性和主要参数1.二极管的伏安特性二极管最重要的性能就是单向导电性。这种特性可通过二极管的电流随两端电压而变化的伏安特性来表示。1）正向区当二极管两端外加正向电压U较小时，由于外电场还不足以克服PN结内电场对多子扩散的阻碍作用，二极管的正向电流几乎为零；当正向电压增大第页安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（附页）教学内容教法提示及备注到某一值以后，PN结的内电场被大大削弱，于是正向电流随着外加电压的增长呈指数规律迅速上升。工作在正向区的二极管，在电路中相当于一个开关的导通（闭合）状态。2）反向区当二极管的两端外加反向电压小于一定值时，二极管的反向电流很小，且不随反向电压的变化而变化。2）反向击穿区若反向电压继续增大，反向电流突然上升，即二极管发生了反向击穿现象，此时所对应的反向电压称为反向击穿电压。2.二极管的主要参数1）最大整流电流它表示二极管长期工作时，所允许流过的最大正向平均电流。2）最高反向工作电压它是指允许加在二极管上的最大反向电压的峰值。三、晶体二极管的简易判别在使用二极管时，必须注意极性不能接错，否则第页安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（附页）教学内容教法提示及备注电路不仅不能正常工作，甚至可能烧毁管子和其他元件。因此，在使用前需要判别它的正、负极和质量。可以根据二极管的单向导电性，用万用表很方便地来简单判断管子的质量和管脚的极性。1.判断二极管的极性用万用表R×100档或R×1K档，测量二极管的正反向电阻。若二极管是好的，总会测得一大一小两个阻值。由于万用表的红表笔接表内电池负极，黑笔接表内电池正极，而二极管正向偏置时阻值较小，当测得阻值较小时，黑表笔所接的是二极管正极，红表笔所接的是二极管负极；反之，当测得阻值很大时，红表笔所接的是二极管正极，而黑表笔接的是二极管的负极。2.判断二极管的好坏：用万用表测二极管正反向电阻，若正向电阻值是几十到几百欧，反向电阻值在几百千欧以上，可以认为二极管是好的；若正反向电阻无穷大，说明管子内部已断路；若反向电阻很小，说明管子内部已短路；若反向电阻比正向电阻大得不多，说明管子质量不佳。第页安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（附页）教学内容教法提示及备注第三节晶体三极管一、三极管的基本结构三极管是在一块P型或N型半导体芯片上制作出两个PN结形成的。根据P型和N型半导体的组合方式不同，三极管分为NPN型和PNP型两种类型。三极管内部有两个PN结分别叫集电结和发射结，它把三极管分为三个区：集电区、基区和发射区；从三个区分别引出三个电极：集电极c、基极b和发射极e。为了实现三极管的放大作用，在制造工艺上具有如下特点：1.基区做得很薄，且掺杂浓度很低。2.发射区掺杂浓度非常高。3.3.集电区掺杂浓度较低，其掺杂浓度比发射区小得多，但集电区的几何面积做得很大，以利于散热。4.二、三极管的电流放大原理为了是三极管工作在放大状态，需要在发射结上加正向电压，集电结上加反向电压。三极管之所以具有电流放大能力，是因为它有特第页安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（附页）教学内容教法提示及备注（1）反向饱和电流：是指三极管的发射极开路，集电结反向偏置时，c与b极间出现的反向漏电流，它是由集电区的少子和基区漂移形成的。（2）穿透电流：是指三极管基极开路时，c与e极间产生的电流。3）极限参数极限参数是保证三极管安全工作的依据。第页安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（附页）教学内容教法提示及备注第四节晶体管低频小信号放大器所谓放大器（亦称放大电路），就是把微弱的电信号（电压或电流）转变为较强的电信号的电子电路。在电子设备中，放大器的用途十分广泛。晶体管放大器主要有交流放大器和直流放大器两大类。而交流放大器又有低频和高频之分。本节主要介绍低频小信号电压放大器。一、低频放大器的工作原理1、共射基本放大器的组成由NPN型三极管组成的共射极接法的基本电压放大器如图6-21所示。整个放大器分成输入回路和输出回路两部分。放大器的输入端接输入信号Us；输出端接负载。由于图中三极管的发射极是输入和输出回路公共端，故称为共射极放大器。现将电路中各元件的作用分述如下：三极管V：具有电流放大作用，是放大器中的核心器件。基极偏置电阻Rb：其作用是向三极管的基极提供合适的偏流，并向发身结提供必须的正偏电压。例如：收音机和电视机，需要将天线收到的微弱信号加以放大，使扬声器发出宏亮的声音，使电视屏显示出清晰的图像。第页安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（附页）教学内容教法提示及备注集电极电阻Rc：其作用是把三极管电流放大作用以电压放大的形式表现出来。耦合电容C1和C2：它们分别接在放大器的输入端和输出端。由于电容对直流电呈现的阻抗较大，对交流电呈现的阻抗较小，即具有“隔直流通交流”的特点，一方面可避免放大器输入端和信号源之间，输出端与负载之间直流电的相互影响；另一方面又保证了输入和输出的交流信号畅通地进行传输。基极回路直流电源Eb和集电极回路直流电源Ec：它们的作用是给三极管发射结提供正偏电压UBE，给集电结提供反偏电压UCE，使三极管处于放大工作状态。Ec同时又作为整个放大器的能源。实际运用中，可将图6-21电路改变成图6-22a形式，即基极回路不再使用单独的电源，而是通过Rb直接取自集电极电源Ec来获得直流基极电压的。此外，画图时往往活力电源的图形符号，而用电位的极性及数值来表示，如图6-22b所示。2、共射基本放大器的工作原理我们知道，在保证三极管发射结正偏、集电结反偏第页安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（附页）教学内容教法提示及备注这一条件琥，三极管基极电源Ib发生微小的变化ΔIb会引起Ic较大的变化ΔIc，而且在放大过程中，集电极电源的直流电转变为交流电输出。3、放大器的图解分析法为了进一步理解放大器的性能和工作原理，下面以三极管的特性曲线为基础，用作图的方法去分析放大器的工作情况，即放大器的图解分析法。1）静态情况下的图解分析放大器在静态时，电路中电流和电压都是直流量，所以静态分析是根据其直流通路进行的。直流通路是指静态时，放大器的输入回路和输出回路的直流电流通过的路径。由于电容器对直流相当于断开，所以画直流通路时，将有电容器的支路断开，其它不变。现以图6－24a所示共射基本放大器为例进行分析，其直流通路如图6－24b所示。二、稳定工作点的偏置电路对于共射极基本放大器，当电源电压和偏置电阻值确定后，I也就基本不变了，故又称之为固定偏置电路。第页安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（附页）教学内容教法提示及备注第五节功率放大器在实际应用中，往往要利用放大后的信号去驱动某种负载工作，例如，扬声器的发音，电动机的转动，仪表指针的偏转等。为了控制这些负载，不仅要求放大器有较大的电压输出，而且要求有较大的电流输出，也就是要求有较大的功率输出。这种以供给负载足够大的信号功率为目的的放大器，通常称为功率放大器。为了获得较高的输出功率和效率，随着功放电路的不断改进，近年来无输出变压器的互补对称式功率放大器得到越来越广泛的应用。这些电路具有非线性失真小、频带宽和易于集成化等优点。因此，这里主要介绍两种常用的典型功率放大电路。一、OTL功率放大电路1、电路组成及工作原理图6－38是OTL功率放大器的典型电路。V1和V2管是一对导电类型不同、特性配对一致的功放管。从连接方式看，V1和V2上下对称；两管都接成射极输出，并通过一只大电容C按至负载；两管第页安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（附页）教学内容教法提示及备注都工作在乙类状态（三极管的静态工作点设置在横轴上）。从导电特性看，V1管是NPN型，它在信号的正半周导通；V2管是PNP型，它在信号的负半周导通。由于两管工作性能对称，互为补偿，所以OTL电路又称为互补对称功放电路。电路工作原理如下：在电路工作前，首先调整静态工作点，选取合适的R1、R2值，使发射极电位Ue＝Ec，以保证V1和V2的输出波形对称。当输入信号Ui为正半周时，V1管处于正向偏置，寻通；V2管处于反向偏置，截止。输出电流Ic1经电源正极→V1→C→RL，回到电源负极，在负载RL上得到放大的正半周输出信号。同理，当输入信号Ui为负半周时，V2管寻通，V1管截止。输出电流Ic2由电容C正极→V2→RL，回到电容C负极，则在负载RL上得到放大的负半周输出信号。由此可见，在信号正负半周变化的过程中，尽管三极管V1、V2工作在乙类状态，但由于两管管型第页U0UiUiIbIb·rbe+Ie·ReIbIb·rbe+（1+β）Ib·ReIbrbe1+βrbe1+β安阳鑫龙煤业（集团）技工学校教案（附页）教学内容教法提示及备注相反，参数对称，组成了一对互补