汽车电工电子基础教学课件作者张军单元八

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1、单元八 晶体管的应用,汽车工程学院,晶体管的结构,8.1,目录,8.1 晶体管的结构,一、晶体管的结构,晶体管的基本结构,半导体三极管简称晶体管，具有放大和开关作用,集电区,基 区,发射区,B 基极,E 发射极,C集电极,PN结,PN结,N,发射结,集电结,P,N,各区特点：,基 区：厚度很薄（几个微米），且杂质浓度很低,集电区：收载流子，面积较大,发射区：半导体杂质掺杂浓度大,晶体管分类,N,P,N,P,N,P,根据三层半导体组合方式,根据基片材料分：锗管、硅管,二、 电流放大原理,电流放大原理验证试验,结论：,1）IE=IC+IB ，三个电流符合基尔霍夫电流定律 2）基极微小电流变化时，集

2、电极电流将发生较大变化。,IE,IC,IB,EB,RB,RC,EC,晶体管内部载流子运动,发射区向基区扩散载流子，形成 发射极电流IE,P,N,N,基区中电子的扩散与复合,形成 复合电流IB,集电区收集载流子，形成 集电极电流IC,晶体管内部电流分配关系,共基极直流电流放大系数, IC/IE,又有： IE=IC+IB,所以：,然后令：,即：,其中称为共发射极直流电流放大系数，数值一般在20 200,三、 三极管伏安特性曲线,晶体管极间电压和电极电流的关系用伏安特性曲线来表示，由于晶体管有输入、输出两个回路，故其有两组特性曲线，即：输入特性曲线和输出特性曲线。,输入特性曲线,输入特性关系表达式为

3、： IB=f（UBE）,1.UCE=0时,2.UCE=1时,结论 1）输入特性是非线性的，与二极管正向伏安特性相似 2）输入特性也有一段死区，锗管约为0.1V ，硅管为0.5V,输出特性曲线,输出特性关系表达式为：,IC=f（UCE）,1）放大区,2）饱和区,3）截止区,UceUbe,IB=0,结论：晶体管工作放大区，具有电流放大作用 晶体管工作在截止区和饱和区, 具有开关作用。,四、 三极管主要参数,三极管参数可用来表征管子性能的优劣和使用范围，是合理选择和正确使用三极管的依据,少一个重要参数,三极管 特性参数,1）电流放大系数,电流放大系数表示三极管的电流放大能力。由于制造工艺的离散性，同

4、一型号的三极管的值也有很大差别。一般在20200之间 。,直流电流放大系数,=IC/IB,在静态情况下：,交流电流放大系数,在动态情况下：,=ic/ ib IC/IB,直流电流放大系数和交流放大系数意义不同，但通常在输出特性曲线近于平行等距并且 ICE0较小的情况下，两者数值近，所以，在近似估算时，可以不作严格区分。,三极管 极限参数,1）集电极最大允许电流ICM,2）集射极反向击穿电压UCE(BR),3）集电极最大损耗功率PCM,ICM达到一定数值,基极开路，允许加在集射极之间的最大电压,总结：要使三极管安全可靠的工作，需满足以下条件：,ICICM UCEUCE(BR) ICUCMPCM,小

5、结,1.晶体管的基本结构,2.晶体管的放大原理,3.晶体管特性曲线,4.习题 课后习题第二题,8.2共发射极放大电路,一、 电路组成,（c）,晶体管放大电路的基本要求是电路中的晶体管应处于放大工作状态，即其发射结应加正向电压，集电结加反向电压。,各电路元件作用：,1）晶体管T：放大元件 起电流放大作用,2）耦合电容C1、C2，隔断 直流、传输交流信号,3）集电极直流电源UCC ，其一：保证晶体管发射结正向偏 置，集电结反向偏置，以使晶体管具有放大作用；其二： 提供放大电路能源,4）集电极负载电阻RC、基极偏置电阻RB,二、 电路的静态分析,晶体管交流放大电路是交、直流共存的电路，在直流电源UC

6、C及交流输入信号ui的作用下，电路中既有直流，也有交流。 1.交流输入信号 ui=0时的情况 2. ui0时的情况，这时电路中既有直流，也有交流，处于放大工作状态。,为了便于分析，我们对放大电路各级电压、电流的符号作如下的规定，见下表,共射极放大电路,直流通路,直流通路画法：交流电源短路，保留其内阻，电容相当于开路,估算电路中的电压和电流,由IB可求得：,UCE=UCC-ICRC,由IB、IC、UCE这三个静态值，可在晶体管的特性曲线上找到一个对应点，这个点称为晶体管的静态工作点，常用字符Q表示,例：,设UCC =12V ，RC=3k，RB =240k，=40 试计算电路中的IB、IC和UCE

7、,共射极放大电路,解：,图解法确定静态工作点,所谓图解法，是利用晶体管的特性曲线，通过作图来分析放大 电路工作性能的方法,以上例所列数据来分析,输出回路的电压方程式为,UCE=UCC-ICRC=12-3IC,1.这是一个直线方程，此直线在Y右图横轴上的截距ON应为IC =0，UCE=UCC=12V 在纵轴上的截距 OM 应为,2.直线斜率为,此线表示了放大电路输出回路直流电压UCE和直流电流IC之间的关系，故称为直流负载线。,静态工作点Q的位置是否合适对放大电路的工作性能有很大影响。Q的位置可以用改变IB数值的方法来调整。,IB,IB,三、电路的动态分析,动态分析就是分析交流信号在电路中放大、

8、传输的情况，可采用函数解析法和微变等效电路法。,函数解析法,设输入的信号电压ui是正弦交流电压，即ui =Umsint ，有：,uBE= UBE+ Ube= UBE+Umsint iB= IB+ ib= IB+ Ibmsint iC= IC+ ic= IC+ Icmsint,u0= UCE-iCRC=UCE+uce= UCE+Ucem sint 其中uce=-iCRC,结论 脉动直流。 电压uBE的极性始终不变，从而保证发射结始终处于正向偏置，而集电结始终处于反向偏置，晶体管总是在放大工作状态。 ib、ic 与输入信号电压ui相位相同，而 uce 、u0 则与ui相位相反。输出电压u0与输入电

9、压ui相位相反，这是共发射极放大电路的重要特点。,微变等效电路，就是把非线性元件晶体管组成的放大电路等效为一个线性电路 。在小信号条件下，在静态工作点附近可以把晶体管特性曲线近似看成一条直线，这样就可以把晶体管电路等效为线性电路来分析。,微变等效电路法,输入端,低频小功率管,输出端,故ic受ib控制，所以可以等效为一个电流源,结合以上两个方面，有：,画微变等效电路步骤,c 微变等效电路,b交流通路,a 共射放大电路,以下图为例的微变等效电路求动态指标,图8-25,电压放大系数 放大电路的电压放大倍数定义为其输出电压与输入电压的比值。,式中,输入电阻Ri 输入电阻是从放大器的输入端看进去的等效电

10、阻，定义为输入电 压 与电流 的比值 用符号 表示。,RBrbe,ri,输出电阻 输出电阻从放大电路的输出端看进去的等效电阻，用ro表示,例 在下图电路中， ，UBE. 求：(1)静态工作点参数IBQ、ICQ、UCEQ、Uo值； (2)计算 动态指标u、ri、ro的值。,画出上图直流通路有：,画出微变等效电路有,四、 工作点与波形关系,饱和失真,图8-30,截止失真,不稳定原因： 1、温度变化对ICEO的影响 2、温度变化对UBE的影响 3、温度变化对的影响,五、静态工作点的稳定,分压式偏置共射极放大电路(稳定静态工作点）,（1）电路的基本特点 I1=I2+IB I2IB VB与晶体管的参数无

11、关，当UCC、RB1、RB2均固定不变时，VB能保持稳定不变。,图8-32,（2）利用发射极电阻RE产生反映IC变化的电位VE ，VE作用于输 入偏置电路，能自动调节IB，使IC保持不变 UBE=VB-VE=VB-IERE VBUBE VB不变 RE也不变，则 IC和IE也能稳定不变。以上可知，只要满足上述两个条件，则VB、IC和IE均与晶体管的参数无关，不受温度变化的影响，保持静态工作点不变。 调节过程,调节过程,静态工作点：,UCE=UCC-ICRC-IEREUCC-IC(RC+RE ),8.3共集电极放大电路,一、电路组成,这种电路结构的特点是发射极电路中接有电阻RE，而集电极则直接接到

12、电源UCC上，输出电压从发射极（对地）取出，故称为射极输出器。,直流通路,UCC,交流通路,其输入信号vi从基极与地（集电极）之间接入；而输出信号vo从发射极与地(集电极）之间取出，集电极是输入与输出的公共端，故这种电路称为共集电极放大电路。,二、工作原理,1.静态分析,UCC=IBRB +UBE +IERE,=IBRB +UBE+（1+）IBRE,UCE=UCC-IERE,UCC-ICRE,2.动态分析,ui=ube+u0,因ube很小,射极输出器不具有电压放大作用，但它的发射极电流Ie=（1+）Ib，故有电流放大和功率放大作用。,射极输出器具有电压跟随作用，所以又叫做射极跟随器。,1）电压

13、放大倍数,2）输入电阻,当,，,时，,其中,ri=RB（l+）RE,通常RB阻值很大（几十千欧至几百千欧），同时（1+）RE也比共发射极电路的输入电阻（ ）大得多。可见，射极输出器的输入电阻很高，可达几十千欧以至几百千欧。,3）输出电阻,射极输出器中有u0,因此，它的等效内阻（即输出电阻）很低，在几十欧至几百欧之间，比共射放大电路的低得多。可以证明，一般情况下，射极输出器的输出电阻可按下式估算：,ui，,当ui的大小一定时，不论负载怎么,变化，u0基本保持不变，这表,明射极输出器具有恒压输出的,特性，即近似于一个恒压源。,综上所述，射极输出器虽然电压放大倍数小于1 而接近 1 ，但其输入电阻高

14、，可减小放大器从信号源（或前级）取用的信号电流；同时，输出电阻低，可减小负载变动对放大倍数的影响。它因具有这些优点，故获得广泛的应用。,8.4 多级放大电路,一、概述,放大器往往是多级放大器。其中前面几级称为前置级，主要用作电压放大，以将微弱的输入电压放大到足够的幅度，然后推动功率放大级（末级及末前级）工作，以输出负载所需要的功率。在多级放大器中，每两个单级放大器之间的连接方式叫耦合。通常采用的耦合方式有阻容耦合、变压器耦合和直接耦合三种方式。,基本要求：,（1）各个级连接以后，要保证各级放大电路的静态工作点互不影响。 （2）在信号逐级传递过程中，要尽量减小失真。 （3）尽量减少信号电压在耦合

15、电路上的损失。,在多级放大器的前置放大级中，一般采用阻容耦合方式；在功率输出级中，一般采用变压器耦合方式；而在直流（或极低频）放大器中，常采用直接耦合方式。本节讨论的是阻容耦合放大器。,二、阻容耦合放大器,1.电路的组成及工作,2多级放大电路电压放大倍数的计算,放大倍数通常是指中频段范围内电路的增益。在小信号情况下，放大电路处于线性工作状态，各项参数均为常数，则多级放大电路也可以用微变等效电路表示,在多级放大电路中，前一级的输出，就是后一级的输入。因此，多级放大电路的电压放大倍数就等于各单级放大电路电压放大倍数的乘积,即：,Au =Au1.Au2Aun,多级放大电路的输入电阻即为其第一级（输入级）的输入电阻，ri=ril；多级放大电路的输出电阻，即为其最后一级（输出级）的输出电阻，r0=r0n。,例子P141,8.5 汽车中的应用,一、汽车电子电路中的晶体管放大电路,晶体管的最主要的性能是放大。在汽车电子电路中，主要用来对微弱信号进行放大,汽车电气线路搭铁(短路)检测器,二、晶体管开关电路在汽车电子电路中的应用,利用晶体管饱和导通和截止之间状态转换，将晶体管作为一个电子开关使用，这样的电路一般称为晶体管开关电路。晶体管开关电路在汽车电路中的应用相当广泛，主要用于电子调压器、电子点火器以及各种信号报警电路中，作为电子开关使用。,1.汽车发电机电压调压器,2.电子