电工电子技术--模电部分

模块二模拟电路技术任务1整流器设计与装调任务2三极管放大电路设计与装调任务3集成运算放大电路设计与装调任务4功率放大电路设计与装调模块二模拟电路技术1、能识别二极管，判断其类型，并能用万用表检测二极管的好坏；2、能正确选择二极管、电容等元件；3、能对整流器电路进行装调与检修。任务1整流器设计与装调模块二模拟电路技术任务提出日常使用的手机、电视机等离不开电子技术设备，不能由交流电源直接提供电源，它们需要的是电压大小不同而又非常稳定的直流电压，所以就需要将交流电网220V的电压变换成直流电压才能供上述电子设备使用。这个把将交流电变为脉动直流电的过程称为整流。任务分析整流器就是能将交流电变成直流电的一种装置。将交流电转化为直流电的最简单的方法就是整流，而导体二极管可以方便的实现这一目标。而滤波最常见的方法就是用滤波元件如电容或者电感来进行滤波。所以本任务主要就是要能设计一能实现降压、整流和滤波的完整电路，满足输出12V直流电压的设计要求。模块二模拟电路技术相关知识一、二极管元件1．半导体基础知识导体：一般为金属，金属中有大量的自由电子，在电场的作用下，自由电子能定向移动，这就形成电流。绝缘体：橡胶、塑料、陶瓷、云母等，这些材料中几乎没有自由电子。半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间，如硅Si,锗Ge,磷化铟InP等。N型半导体：在本征半导体中，掺入5价元素（如砷），多子为自由电子。P型半导体：在本征半导体中，掺入3价元素，多子为空穴。模块二模拟电路技术2．PN结的形成通过现代工艺，把一块本征半导体的一边形成P型半导体，另一边形成N型半导体，于是这两种半导体的交界处就会形成一个具有特殊性能的薄层，称为P—N结。PN结具有单向导电性，是构成各种半导体器件的核心部分。3．二极管内部结构半导体二极管是由一个PN结加上引线和管壳构成的。它们都有两个电极，接在P区的引出线为正极（或阳极），接在N区的引出线为负极（或阴极）。模块二模拟电路技术图2-1-6二极管的结构、符号及外形4．二极管电路特性二极管最重要的性质是：它具有单向导电性，即正向导通，反向截止。图2-1-7二极管伏安特性曲线模块二模拟电路技术二、桥式整流电路1．桥式整流基本构成图2-1-9桥式整流电路模块二模拟电路技术2．桥式整流电压波形(a)输入电压波形图(b)输出电压波形图(c)流过二极管的电流波形图(d)二极管承受的反向电压波形图图2-1-10单相桥式整流电路模块二模拟电路技术三、滤波电路1、桥式整流电压波形利用整流电路得到的直流电压和电流，由于其脉动性较大，只适用于如电解、电镀、充电等对电压平滑性要求不高的场合，不适用于如电子仪器、自动控制装置及音像设备等对电压平滑性要求较高的负载电路。因此，可在整流电路的后面增加滤波电路，通过滤波作用，将脉动的直流电变为平滑的直流电供负载使用。2、滤波电路的组成和原理滤波电路主要由储能元件组成。可分为电容滤波、电感滤波和复式滤波等不同电路。模块二模拟电路技术图2-1-11桥式整流电容滤波电路滤波电路由电容器C组成，利用电容器能储存电能功能和在电流有界的情况下，电容器两端的电压不能突变的特点，能使脉动的直流电变为平滑的直流电。模块二模拟电路技术3、滤波输出电压值确定根据经验，一般桥式和全波整流电路的整流器的输出电压取值如下：UO≈1.2U2（2-1-7）注意：当桥式整流电容滤波电路负载开路时，UO≈1.4U2。图2-1-12带载时桥式整流滤波电路输出电压波形图模块二模拟电路技术四、整流器中元件选择原则1、整流二极管的选择正向平均电流为：（2-1-8）最大反向工作电压为：（2-2-9)电容滤波电路中，在接通电源的瞬间，C两端电压为零，充电电流很大，使二极管受到电流冲击，容易损坏。所以，在选择整流二极管时，要留有足够的电流裕量。01＞2FII22RMUU模块二模拟电路技术2．电容的选择滤波电容C的大小取决于放电回路的时间常数，RLC愈大，输出电压脉动就愈小。通常取RLC为脉动电压中最低次谐波周期的（3～5）倍，即：桥式和全波整流电容滤波电路半波整流电容滤波电路式中T为交流电源电压的周期。352LTRC（～）35LRC（～）T模块二模拟电路技术五、实验电路板（面包板）面包板即“集成电路实验板”，就是一种插件板。每条金属簧片上有5个插孔，因此插入这5个孔内的导线就被金属簧片连接在一起。簧片之间在电气上彼此绝缘。插孔间及簧片间的距离均与双列直插式（DIP）集成电路管脚的标准间距2.54mm相同，因而适于插入各种数字集成电路。图2-1-13面包板模块二模拟电路技术六、电路设计12V输出电压整流器的基本电路结构包括降压电路、桥式整流电路和滤波电路，其电路结构如图:图2-1-14整流器电路图模块二模拟电路技术1、整流二极管的选择根据整流器的电路结构，要获得12V的直流电压输出，那在滤波电路的输出电压根据公式UO≈1.2U2，可得整流的输出电压为U2=10V,整流二极管承受的最大反向电压为15V以上。整流二极管的平均正向电流IF＞IO=0.3A，所以可以选择普通的整流二极管1N4001即可。2、电容的选择根据公式RLC≥（3～5），根据工频50Hz，则T=0.02ms，取负载RL=20Ω，则C≈2000μF，通常来讲可以选择CD-25V-3300uF的电解电容。模块二模拟电路技术3、变压器的选择根据桥式整流的电压计算公式：UO=d=0.9U2和IO=IL=0.9可得变压器的输出电压U变压器为11V，可采用220V/16V的变压器。模块二模拟电路技术任务实施一、工具器材准备1．元件准备：整流二极管1N4001共四个，电解电容CD-25V-3300uF一个，12欧姆电阻一个。2．数字万用表。3．220V/16V变压器一个。4．实验电路板（面包板）。模块二模拟电路技术二、电路制作1、核对元件数量表、规格和型号2、二极管的检测3、电解电容的检测4、元器件预加工5、电路装配模块二模拟电路技术三、整流电路的调试1、准备好220V/16V变压器一个，检查电路板，确认没有问题之后通电；2、用万用表的交流档测量变压器的输出电压，看是否是15V左右，如果没有读数或读数相差较大，则断电后检查变压器的通断和型号是否正确；3、在变压器输出值正确之后再外接20Ω的负载一个，用万用表的直流档测量桥式整流的输出电压，看是否是10V左右。如不是，则检查一下四个二极管的连接有没有问题；4、用万用表的直流档测电容滤波后的输出电压，看是否是12V左右，如不是，再检查一下电容的好坏和负载的阻值是否有误。模块二模拟电路技术任务评价序号考核内容评分标准配分得分1测试仪器准备准备好测试仪器并会使用102器件准备会准备器件并会检测器件153电路设计会用给定与非门器件设计三人表决器电路304电路连接会根据设计电路搭建电路205电路调试会分析故障并排除简单故障206工作总结会根据操作进行总结5合计总分100评分标准返回模块二模拟电路技术1、能识别三极管的三个极，并能熟练检测判断其好坏2、会正确设置基本放大电路的工作点3、在电路通电后能分析判断三极管是否正常工作4、基本放大电路的安装、调试与检修任务2三极管放大电路设计与装调模块二模拟电路技术任务提出自然采集的电信号都比较微弱，比如语言信号、无线电信号等，微弱的电信号不适合于后继电路的传输，故要将小信号进行放大。本设计任务就是设计一个电压放大电路，能将微弱的小信号放大，并且能很好地与后面的后继电路匹配。信号源负载放大电路模块二模拟电路技术任务分析共发射极放大电路通常可以放置在整个放大电路之前做前置放大，但是通常其输出电阻的阻值较大，而为了改善电路性能，一般要在后面跟一个共集电极的放大电路，即电压跟随器，将两个放大电路连接起来，即可满足这个任务设计要求。模块二模拟电路技术相关知识一、三极管类型和电路特性1．三极管类型三极管的管芯由三层不同类型的掺杂半导体组合而成，按掺杂半导体的不同组合，分别称为NPN型和PNP型，两种类型的三极管的结构示意图及电路符号如图2-2-1所示。(a)NPN型结构示意图与电路符号(b)PNP型结构示意图与电路符号图2-2-1三极管结构示意图与电路符号模块二模拟电路技术2．三极管构成特点三极管是主要用于实现放大作用的器件，为保证其放大作用，在制作时其结构特点为：（1）发射区掺杂浓度大，是高浓度掺杂区；（2）基区浓度低并且很薄（其厚度一般在几个微米至几十个微米）；（3）集电区掺杂浓度低，且集电结面积大。模块二模拟电路技术3．三极管实物图如图2-2-2为几种实际三极管器件的外形图。(a)金属封装小功率管（b)塑封管(c)金属封装大功率管图2-2-2常见三极管的外形模块二模拟电路技术4．三极管基本电路特性三极管的b、c、e三个电极的电流关系为：集电极电流IC与基极电流IB的比值基本为定值，用β表示两个电流的比值，则有：ECBIIICBII模块二模拟电路技术5、三极管的伏安特性曲线三极管的特性曲线是指三极管的各电极间电压和电流之间关系的曲线，分为输入特性和输出特性曲线。1）输入特性曲线模块二模拟电路技术2）输出特性曲线通常将输出特性曲线划分成三个区域：截止区、放大区和饱和区，即三极管的三种工作状态。模块二模拟电路技术二、共射极基本放大电路（做前置放大）1．共射极基本放大电路构成整个电路分为输入回路和输出回路两部分：输入信号源（us和内阻Rs）加在基极和发射极之间，与C1、RB、UBB共同构成输入回路；输出信号uo由集电极和发射级之间取出，与RC、UCC、C2和RL共同构成输出回路。(a)双电源供电的共射组态放大电路(b)单电源供电的共射组态放大电路(c)共射组态放大电路的习惯画法模块二模拟电路技术2．共射极基本放大电路工作原理模块二模拟电路技术3．共射极基本放大电路直流通路和交流通路由于放大电路中的iB、iC、uCE都是交直流叠加量，而直流量是由直流电源及偏置电阻决定的，不随输入信号而改变；交流输入信号的变化只影响交流量。因此，根据叠加原理，在分析放大电路时，可以采用将交、直流信号分开的办法来分析。一个放大电路通常要从直流通路和交流通路两方面来进行分析。模块二模拟电路技术4．共射极基本放大电路直流通路放大电路中只考虑直流电源的作用，交流输入信号为零时的状态，称为静态。静态时电流的流通路径称为直流通路。静态分析的任务就是确定静态工作点Q，即确定静态时的IB、IC和UCE，习惯上常用IBQ、ICQ和UCEQ来表示Q的值。40uA500K20BCCBBECCBQRURUUI2mA2000uA40uA50BQCQII10V5220CCQCCCEQRIUU直流通路模块二模拟电路技术5．共射极基本放大电路的动态分析在放大电路中只考虑交流输入信号的作用，直流电源为零时的状态，称为动态。动态时电流的流通路径称为交流通路。(a)共射放大电路(b)交流通路动态分析的主要任务是确定放大电路的动态性能，包括放大电路的基本性能指标电压放大倍数Au、输入电阻Ri和输出电阻Ro，输出动态范围，失真情况等。模块二模拟电路技术（1）放大倍数A放大倍数是衡量放大电路放大能力的指标，它定义为输出信号与输入信号之比。电压放大倍数定义为：iouuuA模块二模拟电路技术（2）输入电阻Ri输入电阻Ri是指从放大电路输入端看进去的等效电阻，是衡量放大电路对信号源影响程度的指标。因为放大电路与信号源相连，放大电路的输入电阻就相当于信号源的负载，Ri的定义为：iiiiuR模块二模拟电路技术（3）输出电阻Ro在电路分析理论中将输出电阻Ro定义为负载开路、输入信号源电压us为零时，放大电路的输出端口呈现等效交流电阻，即在输出端加一个交流电压uo，在uo作用下产生输出电流io.LS0oooRuiuR，模块二模拟电路技术三极管的微变等效电路主要是将非线性的三极管元件在微小输入信号的激励下可等效为线性元件，这样可以方便电路的等效变换。①基极和发射极之间的等效三极管的输入端等效动态输入电阻rbe为:)()()(26)1()1(''