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1、電工與電子技術(shù)第一章 直流電路第一節(jié) 電路的組成第二節(jié) 電路的基本物理量第三節(jié) 電路的基本元件第四節(jié) 電阻的連接方式第五節(jié) 電功與電功率第六節(jié) 電容返回第一節(jié) 電路的組成 電流流過(guò)的回路叫做電路。在人們的日常生活和生產(chǎn)實(shí)踐中，電路無(wú)處不在。從電視機(jī)、電冰箱、計(jì)算機(jī)到自動(dòng)化生產(chǎn)線，都體現(xiàn)了電路的存在。最簡(jiǎn)單的電路由電源負(fù)載和導(dǎo)線、開(kāi)關(guān)等元件組成。電路處處連通叫做通路。只有通路，電路中才有電流通過(guò)。電路某一處斷開(kāi)叫做斷路或者開(kāi)路。電路某一部分的兩端直接接通，使這部分的電壓變成零，叫做短路。 電路由電源、負(fù)載、連接導(dǎo)線和輔助設(shè)備四大部分組成。實(shí)際應(yīng)用的電路都比較復(fù)雜，因此，為了便于分析電路的實(shí)質(zhì)，通

2、常用符號(hào)表示組成電路實(shí)際原件及其連接線，即畫(huà)成所謂電路圖。其中導(dǎo)線和輔助設(shè)備合稱(chēng)為中間環(huán)節(jié)。 1.電源 電源是提供電能的設(shè)備。電源的功能是把非電能轉(zhuǎn)變成電能。例如，電池是把化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能;發(fā)電機(jī)是把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。由于非電能的種類(lèi)很多，轉(zhuǎn)變成電能的方式也很多，所以，目前實(shí)用的電源類(lèi)型也很多，最常用的電源是干電池、蓄電池和發(fā)電機(jī)等。下一頁(yè)返回第一節(jié) 電路的組成2.負(fù)載在電路中使用電能的各種設(shè)備統(tǒng)稱(chēng)為負(fù)載。負(fù)載的功能是把電能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问侥?。例，電爐把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?電動(dòng)機(jī)把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，等等。通常使用的照明器具、家用電、機(jī)床等都可稱(chēng)為負(fù)載。3.導(dǎo)線 連接導(dǎo)線用來(lái)把電源、負(fù)載和其他輔助設(shè)備

3、連接成一個(gè)閉合回路，起著傳輸電能的作用。 4.輔助設(shè)備 輔助設(shè)備是用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的控制、分配、保護(hù)及測(cè)量等作用的。輔助設(shè)備包括各種開(kāi)關(guān)、熔斷器及測(cè)量?jī)x表等。 最簡(jiǎn)單的電路實(shí)例是圖1一1所示的手電筒電路。為了便于對(duì)電路進(jìn)行分析和計(jì)算，常把實(shí)際元件加以近似化、理想化，在一定條件下忽略其次要性質(zhì)，用足以表征其主要特征的“模上一頁(yè)下一頁(yè)返回第一節(jié) 電路的組成型”來(lái)表示，即用理想元件來(lái)表示。例如，“電阻元件”就是電阻器、電烙鐵、電爐等實(shí)際電路元件的理想元件，稱(chēng)為模型。因?yàn)樵诘皖l電路中，這些實(shí)際元件所表現(xiàn)的主要特征是把電能轉(zhuǎn)化為熱能。用“電阻元件”這樣一個(gè)理想元件來(lái)反映消耗電能的特征。同樣，在一定條件下，

4、“電感元件”是線圈的理想元件，“電容元件”是電容器的理想元件。 圖1一2是圖1一1所示實(shí)際電路的電路模型。上一頁(yè)返回第二節(jié) 電路的基本物理量研究電路的基本規(guī)律，首先應(yīng)掌握電路中的基本物理量，電流、電壓和電功率。 一、電流 電流在實(shí)用上有兩個(gè)含義:第一，電流表示一種物理現(xiàn)象，即電荷有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)就形成電流。第二，電流的大小用電流強(qiáng)度來(lái)表示，而電流強(qiáng)度是指在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體截面積的電荷量，其單位是安培(庫(kù)/秒)，簡(jiǎn)稱(chēng)安，用大寫(xiě)字母A表示。但電流強(qiáng)度多簡(jiǎn)稱(chēng)電流。所以電流又代表一個(gè)物理量，這是電流的第二個(gè)含義。 電流的真實(shí)方向和正方向是兩個(gè)不同的概念，不能混淆。習(xí)慣上總是把正電荷運(yùn)動(dòng)的方向，作為電流的

5、方向，這就是電流的實(shí)際方向或真實(shí)方向，它是客觀存在，不能任意選擇，在簡(jiǎn)單電路中，電流的實(shí)際方向能通過(guò)電源或電壓的極性很容易地確定下來(lái)。下一頁(yè)返回第二節(jié) 電路的基本物理量 但是，在復(fù)雜直流電路中，某一段電路里的電流真實(shí)方向很難預(yù)先確定，在交流電路中，電流的大小和方向都是隨時(shí)間變化的。這時(shí)，為了分析和計(jì)算電路的需要，引入了電流參考方向的概念，參考方向又叫假定正方向，簡(jiǎn)稱(chēng)正方向。 所謂正方向，就是在一段電路里，在電流兩種可能的真實(shí)方向中，任意選擇一個(gè)作為參考方向(即假定正方向)。當(dāng)實(shí)際的電流方向與假定的正方向相同時(shí)，電流是正值;當(dāng)實(shí)際的電流方向與假定正方向相反時(shí)，電流就是負(fù)值。 電流主要分為兩類(lèi):一

6、類(lèi)為大小和方向均不隨時(shí)間變化的電流為恒定電流，簡(jiǎn)稱(chēng)直流(簡(jiǎn)寫(xiě)DC)，用大寫(xiě)字母1表示。另一類(lèi)為大小和方向均隨時(shí)間變化的電流為變化電流，用小寫(xiě)字母i或i(t)表示。其中一個(gè)周期內(nèi)電流的平均值為零的變動(dòng)電流稱(chēng)為交變電流，簡(jiǎn)稱(chēng)交流(簡(jiǎn)寫(xiě)AC)，也用i表示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第二節(jié) 電路的基本物理量 幾種常見(jiàn)的電流波形如圖1一3所示，圖1一3(a)為直流，圖1一3(b),(c)為交流。 在分析電路時(shí)，對(duì)復(fù)雜電路由于無(wú)法確定電流的實(shí)際方向，或電流的實(shí)際方向在不斷地變化，而引入了“參考方向”的概念。 參考方向是一個(gè)假想的電流方向。在分析電路前，需先任意規(guī)定未知電流的參考方向，并用實(shí)線箭頭標(biāo)于電路圖上，如圖1

7、一4所示，圖中方框表示一般二端元件。特別注意:圖中實(shí)線箭頭和電流符號(hào)i缺一不可。 若計(jì)算結(jié)果(或已知)i0，則電流的實(shí)際方向與電流的參考方向一致;若i0時(shí)，該電壓的實(shí)際極性與所標(biāo)的參考極性相同;當(dāng)u 0，所標(biāo)參考極性與實(shí)際極性相同。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第二節(jié) 電路的基本物理量 (2)圖1一6(b),B點(diǎn)為高電位，因u=一12V 0，但圖中沒(méi)有標(biāo)出參考極性。 當(dāng)元件上的電流參考方向是從電壓的參考高電位指向參考低電位時(shí)，稱(chēng)為關(guān)聯(lián)參考方向，反之稱(chēng)為非關(guān)聯(lián)參考方向，如圖1一7所示。 三、電功率 在物理學(xué)中，用電功率表示消耗電能的快慢，電功率用尸表示，它的單位是Watt，符號(hào)是W。電流在單位時(shí)間內(nèi)做的功叫做

8、電功率。以燈泡為例，電功率越大，燈泡越亮。在電路分析中，通常用電流i與電壓u的乘積來(lái)描述功率。 在u、i關(guān)聯(lián)參考方向下，元件上吸收的功率定義為上一頁(yè)下一頁(yè)返回第二節(jié) 電路的基本物理量在u、i非關(guān)聯(lián)參考方向下，元件上吸收的功率為 不論u、i是否是關(guān)聯(lián)參考方向，若P0，則該元件吸收(或消耗)功率;若P0，表明電流的實(shí)際方向與參考方向相同;當(dāng)電流在負(fù)半周時(shí)，i 0，則稱(chēng)u比i在相位上超前角，或者說(shuō)i比u滯后角。因此相位差是描述兩個(gè)同頻率正弦量之間的相位關(guān)系即到達(dá)某個(gè)值的先后次序的一個(gè)特征量。我們規(guī)定其絕對(duì)值不超過(guò)180,即| |180。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第一節(jié) 正弦交流電的基本概念當(dāng)=o，即兩個(gè)同頻率

9、正弦量的相位差為零，這樣兩個(gè)正弦量將同時(shí)到達(dá)零值或峰值。我們稱(chēng)這兩個(gè)正弦量為同相，波形如圖2一5(a)所示。 當(dāng)=，即兩個(gè)同頻率正弦量的相位差為180，這樣一個(gè)正弦量達(dá)到正峰值時(shí)，另一個(gè)正弦量剛好在負(fù)的峰值，我們稱(chēng)這兩個(gè)正弦量反相，波形如圖2-5(b)所示。四、正弦量的相量表示法一個(gè)正弦量可以表示為根據(jù)此正弦量的三要素，可以作一個(gè)復(fù)數(shù)讓它的模為Um，幅角為wt + ，即上一頁(yè)下一頁(yè)返回第一節(jié) 正弦交流電的基本概念 上式J= ，為虛數(shù)單位，這一復(fù)數(shù)的虛部為一正弦時(shí)間函數(shù)，正好是已知的正弦量，所以一個(gè)正弦量給定后，總可以作出一個(gè)復(fù)數(shù)使其虛部等于這個(gè)正弦量。由于正弦交流電路中的電壓、電流都是同頻率的

10、正弦量，故角頻率這一共同擁有的要素在分析計(jì)算過(guò)程中可以忽略，只在結(jié)果中補(bǔ)上即可。這樣在分析計(jì)算過(guò)程中，只需考慮最大值和初相兩個(gè)要素，故表示正弦量的復(fù)數(shù)可簡(jiǎn)化成 上式為正弦量的極坐標(biāo)式，我們就把這一復(fù)數(shù)稱(chēng)為相量，以“U，表示，并習(xí)慣上把最大值換成有效值，即上一頁(yè)下一頁(yè)返回第一節(jié) 正弦交流電的基本概念 在表示相量的大寫(xiě)字母上打點(diǎn)“”是為了與一般的復(fù)數(shù)相區(qū)別，這就是正弦量的相量表示法。 需要強(qiáng)調(diào)的是，相量只表示正弦量，并不等于正弦量;只有同頻率的正弦量其相量才能相互運(yùn)算，才能畫(huà)在同一個(gè)復(fù)平面上。畫(huà)在同一個(gè)復(fù)平面上表示相量的圖稱(chēng)為相量圖。例2一3已知正弦電壓、電流為寫(xiě)出u和i對(duì)應(yīng)的相量，并畫(huà)出相量圖。

11、解u的相量為i的相量為相量圖如圖2一6所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第一節(jié) 正弦交流電的基本概念例2一4已知試用相量計(jì)算u1+u2，并畫(huà)相量圖。解正弦量u1和u2對(duì)應(yīng)的相量分別為它們的相量和上一頁(yè)下一頁(yè)返回第一節(jié) 正弦交流電的基本概念對(duì)應(yīng)的解析式相量圖如圖2一7所示。 五、相量形式的基爾霍夫定律 基爾霍夫定律是電路的基本定律，不僅適用于直流電路，而且適用于交流電路。它是闡明集總參數(shù)電路中流人和流出節(jié)點(diǎn)的各電流間以及沿回路的各段電壓間的約束關(guān)系的定律。1845年由德國(guó)物理學(xué)家G. R.基爾霍夫提出。在正弦交流電路中，所有電壓、電流都是同頻率的正弦量.它們的瞬時(shí)值和對(duì)應(yīng)的相量都簿守基爾霍夫定律。上一頁(yè)下一

12、頁(yè)返回第一節(jié) 正弦交流電的基本概念 例2 -5圖2-8所示電路中，已知電流表A1,A2的讀數(shù)均是5A，試求電路中電流表A的讀數(shù)。解設(shè)兩端電壓圖(a)中電壓、電流為關(guān)聯(lián)參考方向，電阻上的電流與電壓同相，故電感上的電流滯后電壓90，故根據(jù)相量形式的KCL得即電流表A的讀數(shù)為7. 07A。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第一節(jié) 正弦交流電的基本概念圖(b)中電流與電壓為關(guān)聯(lián)參考方向，電容上的電流超前電壓90，故電感上的電流滯后電壓90，故根據(jù)相量形式的KCL得即電流表A的讀數(shù)為0.上一頁(yè)下一頁(yè)返回第一節(jié) 正弦交流電的基本概念六、RLC串聯(lián)電路的分析 正弦量用相量表示后，正弦交流電路的分析和計(jì)算就可以根據(jù)相量形式的基

13、爾霍夫定律用復(fù)數(shù)進(jìn)行，直流電路中學(xué)習(xí)過(guò)的方法、定律都可以應(yīng)用于正弦交流電路。 圖2 -9所示電路是由電阻R、電感L和電容C串聯(lián)組成的電路，流過(guò)各元件的電流都是i。電壓、電流的參考方向如圖2一9所示。1.電壓與電流的相量關(guān)系設(shè)電路中電流i=im sinwt，對(duì)應(yīng)的相量為上一頁(yè)下一頁(yè)返回第一節(jié) 正弦交流電的基本概念 復(fù)阻抗Z是關(guān)聯(lián)參考方向下，電壓相量與電流相量之比。但是復(fù)阻抗不是正弦量，因此，只用大寫(xiě)字母Z表示，而不加黑點(diǎn)。Z的實(shí)部R為電路的電阻，虛部X為電路的電抗。 復(fù)阻抗也可以表示成極坐標(biāo)形式。其中上一頁(yè)下一頁(yè)返回第一節(jié) 正弦交流電的基本概念 |z|是復(fù)阻抗的模，稱(chēng)為阻抗，它反映了RLC串聯(lián)電

14、路對(duì)正弦電流的阻礙作用，阻抗的大小只與元件的參數(shù)和電源頻率有關(guān)，而與電壓、電流無(wú)關(guān)。是復(fù)固叻乞的幅角，稱(chēng)為阻抗角。它也是關(guān)聯(lián)參考方.向下電路的端電壓u與電流i的相位差。上述表明，相量關(guān)系式包含著電壓和電流的有效值關(guān)系式和相位關(guān)系式。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第一節(jié) 正弦交流電的基本概念2.電路的三種情況上一頁(yè)下一頁(yè)返回第一節(jié) 正弦交流電的基本概念(3)阻性電路(諧振電路)當(dāng)XL =Xc時(shí)，UL = Uc，相量圖如圖2一11(c)所示，電壓U與電流1同相，= 0，電路呈電阻性。我們把電路的這種特殊狀態(tài)，稱(chēng)為諧振。 由圖2一10可以看出，電感電壓UL和電容電壓Uc的相量和(UL + Uc = Ux)與電阻電

15、壓Ue以及總電壓U構(gòu)成一個(gè)直角三角形，稱(chēng)為電壓三角形。由電壓三角形可以看出，總電壓的有效值與各元件電壓的有效值的關(guān)系是相量和而不是代數(shù)和。這正體現(xiàn)了正弦交流電路的特點(diǎn)。把電壓三角形三條邊的電壓有效值同時(shí)除以電流的有效值1，就得到一個(gè)和電壓三角形相似的三角形，它的三條邊分別是電阻R、電抗X和阻抗IZI，所以稱(chēng)它為阻抗三角形，如圖2一11所示。由于阻抗三角形三條邊代表的不是正弦量，所畫(huà)的三條邊是線段而不是相量。關(guān)于阻抗的一些公式都可以由阻抗三角形得出，它可以幫助我們記憶公式。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第一節(jié) 正弦交流電的基本概念 例2一6在RL串聯(lián)電路中，已知R =6,XL= 8，外加電壓U=110L600

16、V，求電路的電流I、電阻的電壓UR和電感的電壓UL，并畫(huà)相量圖。解電路的復(fù)阻抗相量圖如圖2一12所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第一節(jié) 正弦交流電的基本概念 例2 -7在電子技術(shù)中，常利用RC串聯(lián)作移相電路，如圖2一13(a)所示。已知輸入電壓頻率f =1 000Hz, C =0. 025uF。需輸出電壓ui在相位上滯后輸入電壓ui為30，求電阻R。解設(shè)以電流1為參考相量，作相量圖，如圖2-13(b)所示。已知輸出電壓Uo(即Uc)滯后于輸入電壓隊(duì)為30，則電壓隊(duì)與電流1的相位差中=一60。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第一節(jié) 正弦交流電的基本概念 由本例可見(jiàn)，相量圖在解題中的重要作用。因此，應(yīng)畫(huà)出簡(jiǎn)單電路的相量圖，

17、并通過(guò)相量圖求解簡(jiǎn)單問(wèn)題。RL串聯(lián)電路和RC串聯(lián)電路均視為RLC串聯(lián)電路的特例。在RLC串聯(lián)電路中 由此推廣，R,L,C單一元件也可看成RLC串聯(lián)電路的特例。這表明，RLC串聯(lián)電路中的公式對(duì)單一元件也同樣適用。例2一8在RLC串聯(lián)電路中，已知R =15,XL =20,Xc =5。電源電壓u =30sin(wt +30)V。求此電路的電流和各元件電壓的相量，并畫(huà)出相量圖。 上一頁(yè)下一頁(yè)返回第一節(jié) 正弦交流電的基本概念解電路的復(fù)阻抗上一頁(yè)下一頁(yè)返回第一節(jié) 正弦交流電的基本概念3.功率 在RLC串聯(lián)電路中，既有耗能元件，又有儲(chǔ)能元件，所以電路既有有功功率又有無(wú)功功率。電路中只有電阻元件消耗能量，所以

18、電路的有功功率就是電阻上消耗的功率。由電壓三角形可知上一頁(yè)下一頁(yè)返回第一節(jié) 正弦交流電的基本概念上式為RLC串聯(lián)電路的有功功率公式，它也適用于其他形式的正弦交流電路，具有普遍意義。 電路中的儲(chǔ)能元件不消耗能量，但與外界進(jìn)行著周期性的能量交換。由于相位的差異，電感吸收能量時(shí)，電容釋放能量，電感釋放能量時(shí)，電容吸收能量，電感和電容的無(wú)功功率具有互補(bǔ)性。所以，RLC串聯(lián)電路和電源進(jìn)行能量交換的最大值就是電感和電容無(wú)功功率的差值，即RLC串聯(lián)電路的無(wú)功功率為由電壓三角形可知上一頁(yè)下一頁(yè)返回第一節(jié) 正弦交流電的基本概念上式為RLC串聯(lián)電路的無(wú)功功率計(jì)算公式。它也適用于其他形式的正弦交流電路。 我們把電路

19、的總電壓有效值和總電流有效值的乘積，稱(chēng)為電路的視在功率，用符號(hào)S表示，它的單位是伏安(VA)，在電力系統(tǒng)中常用千伏安(kVA)視在功率表示電源提供的總功率，也用視在功率表示交流設(shè)備的容量。通常所說(shuō)變壓器的容量就是指視在功率。 將電壓三角形的三條邊同時(shí)乘以電流有效值1，又能得到一個(gè)與電壓三角形相似的三角形。它的三條邊分別表示電路的有功功率P、無(wú)功功率Q和視在功率S，這個(gè)三角形就是功率三角形，如圖2一15所示。P與S的夾角稱(chēng)為功率因數(shù)角。至此，角有三個(gè)含義，即電壓與電流的相位差、阻抗角和功率因數(shù)角，三角合一。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第一節(jié) 正弦交流電的基本概念為了表示電源功率被利用的程度，我們把有功功率與

20、視在功率的比值稱(chēng)為功率因數(shù)，用cos表示，即對(duì)于同一個(gè)電路，電壓三角形、阻抗三角形和功率三角形都相似，所以上一頁(yè)下一頁(yè)返回第一節(jié) 正弦交流電的基本概念從上式可以看出，功率因數(shù)取決于電路元件的參數(shù)和電源的頻率。 上述關(guān)于功率的有關(guān)公式雖然是由RLC串聯(lián)電路得出的，但也適用于一般正弦交流電路，具有普遍意義。例2 -9圖2一16所示電路中，已知電源頻率為50Hz電壓表讀數(shù)為100V，電流表讀數(shù)為1A，功率表讀數(shù)為40W求R和L的大小。解電路的功率就是電阻消耗的功率，由P=I2R得電路的阻抗上一頁(yè)下一頁(yè)返回第一節(jié) 正弦交流電的基本概念由于所以感抗則電感例2一10 RC串聯(lián)電路接到 的電源上，電流解電壓

21、、電流相量分別為上一頁(yè)下一頁(yè)返回第一節(jié) 正弦交流電的基本概念復(fù)阻抗上一頁(yè)下一頁(yè)返回第一節(jié) 正弦交流電的基本概念例2一11 RLC串聯(lián)電路，接在 的電源上，已知R=8，L= 20mH，C=125 uF, 求電流i、有功功率、無(wú)功功率、視在功率。解復(fù)阻抗上一頁(yè)下一頁(yè)返回第一節(jié) 正弦交流電的基本概念無(wú)功功率七、感性負(fù)載與電容器的并聯(lián) 常采用在感性負(fù)載兩端并聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娙萜鞯姆椒ㄌ岣吒行载?fù)載電路的功率因數(shù)，這種方法不會(huì)改變負(fù)載原有的工作狀態(tài)，但可利用電容和電感之間無(wú)功功率的互補(bǔ)性，減少電源與負(fù)載間交換的無(wú)功功率，從而提高電路的功率因數(shù)。 電容器C常稱(chēng)作補(bǔ)償電容。感性負(fù)載與電容器并聯(lián)電路如圖2一17(a)

22、所示，圖2一17(b)是其相量圖。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第一節(jié) 正弦交流電的基本概念上一頁(yè)下一頁(yè)返回第一節(jié) 正弦交流電的基本概念并聯(lián)電容器前后電路消耗的有功功率是相等的，所以并聯(lián)電容器前并聯(lián)電容器后由相量圖2一17 (b)可知上一頁(yè)下一頁(yè)返回第一節(jié) 正弦交流電的基本概念又因 代人上式可得上一頁(yè)返回第二節(jié) 電阻元件交流電路分析 一、電阻元件上電壓和電流的相量關(guān)系 圖2一18所示為一個(gè)純電阻的交流電路，電壓和電流的瞬時(shí)值仍然服從歐姆定律。在關(guān)聯(lián)參考方向下，根據(jù)歐姆定律電壓和電流的關(guān)系為若通過(guò)電阻的電流為則電壓上式中即上述兩個(gè)正弦量對(duì)應(yīng)的相量為下一頁(yè)返回第二節(jié) 電阻元件交流電路分析兩相量的關(guān)系為此式就是電

23、阻元件上電壓與電流的相量關(guān)系式。由復(fù)數(shù)知識(shí)可知，式(2一18)包含著電壓與電流的有效值關(guān)系和相位關(guān)系，即通過(guò)以上分析可知，在電阻元件的交流電路中電壓與電流是兩個(gè)同頻率的正弦量;電壓與電流的有效值關(guān)系為U=Rl;在關(guān)聯(lián)參考方向下，電隊(duì)上的電壓與電流同相位。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第二節(jié) 電阻元件交流電路分析圖2一19(a),(b)所示分別是電阻元件上電壓與電流的波形圖和相量圖。二、電阻元件上的功率在交流電路中，電壓與電流瞬時(shí)值的乘積叫做瞬時(shí)功率，用小寫(xiě)的字母P表示，在關(guān)聯(lián)參考方向下正弦交流電路中電阻元件的瞬時(shí)功率 從式中可以看出p0，因?yàn)閡,i參考方向一致，相位相同，任一瞬間電壓與電流的值同為正或同為負(fù)

24、，所以瞬時(shí)功率P恒為正值，表明電阻元件總是消耗能量，是一個(gè)耗能元件。電阻元件上瞬時(shí)功率隨時(shí)間變化的波形如圖2一20所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第二節(jié) 電阻元件交流電路分析 通常所說(shuō)的功率并不是瞬時(shí)功率，而是瞬時(shí)功率在一個(gè)周期內(nèi)的平均值，稱(chēng)為平均功率，簡(jiǎn)稱(chēng)功率，用大寫(xiě)字母P表示正弦交流電路中電阻元件的平均功率 上式與直流電路功率的計(jì)算公式在形式上完全一樣，但這里的U和1是有效值，P是平均功率。 一般交流電器上所標(biāo)的功率，都是指平均功率。由于平均功率反映了元件實(shí)際消耗的功率，所以又稱(chēng)為有功功率。例如燈泡的功率為60W，電爐的功率為1 000W等都指的是平均功率。上一頁(yè)返回第三節(jié) 電感元件交流電路分析 一

25、、電感元件 電感是用絕緣導(dǎo)線(例如漆包線、紗包線等)繞制而成的電磁感應(yīng)元件，也是電子電路中常用的元器件之一，相關(guān)產(chǎn)品如共膜濾波器等。其在電路中的圖形符號(hào)如圖2 -21所示。 電感元件的電感量簡(jiǎn)稱(chēng)電感。電感的符號(hào)是大寫(xiě)字母L。電感的SI單位為亨利(簡(jiǎn)稱(chēng)亨)，用符號(hào)H表示。實(shí)際應(yīng)用中常用毫亨(mH)和微亨(wH)等。 我們常將電感元件也簡(jiǎn)稱(chēng)電感，這樣“電感”一詞既代表電感元件，也代表電感參數(shù)。下一頁(yè)返回第三節(jié) 電感元件交流電路分析 二、電壓與電流的相量關(guān)系 圖2 - 22所示電路是一個(gè)純電感的交流電路，選擇電壓與電流為關(guān)聯(lián)參考方向，則電壓與電流的關(guān)系為設(shè)電流 由 上式得上一頁(yè)下一頁(yè)返回第三節(jié) 電感

26、元件交流電路分析兩正弦量對(duì)應(yīng)的相量分別為兩相量的關(guān)系上式就是電感元件上電壓與電流的相量關(guān)系式。由復(fù)數(shù)知識(shí)可知，它包含著電壓與電流的有效值關(guān)系和相位關(guān)系，即上一頁(yè)下一頁(yè)返回第三節(jié) 電感元件交流電路分析通過(guò)以上分析可知，在電感元件的交流電路中電壓與電流是兩個(gè)同頻率的正弦量;電壓與電流的有效值關(guān)系為U=XLI;在關(guān)聯(lián)參考方向下，電壓在相位上超前電流90。圖2一23(a),(b)分別為電感元件上電壓與電流的波形圖和相量圖。 把有效值關(guān)系式U=XLI與歐姆定律U=RI相比較，可以看出，XL具有電阻R的單位歐姆，也同樣具有阻礙電流的物理特性，故稱(chēng)XL為感抗。 感抗XL與電感L,頻率f成正比。當(dāng)電感一定時(shí)，

27、頻率越高，感抗越大。因此，電感線圈對(duì)高頻電流的阻礙作用大，對(duì)低頻電流的阻礙作用小，而對(duì)直流沒(méi)有阻礙作用，相當(dāng)于短路，因此直流(f=0)情況下，感抗為。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第三節(jié) 電感元件交流電路分析 當(dāng)電感兩端的電壓U及電感L一定時(shí)，通過(guò)的電流I及感抗XL隨頻率I變化的關(guān)系曲線如圖2一24所示。三、電感元件的功率在電壓與電流參考方向一致時(shí)，電感元件的瞬時(shí)功率為 上式說(shuō)明，電感元件的瞬時(shí)功率也是隨時(shí)間變化的正弦函數(shù)，其頻率為電源頻率的兩倍，振幅為UI，波形如圖2 - 25所示。在第一個(gè)1/4周期內(nèi)電流由0上升到最大值，電感儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量也隨著電流由零達(dá)到最大值，這個(gè)過(guò)程瞬時(shí)功率為正值，表明電感從電源

28、吸取電能。第二個(gè)1/4周期內(nèi)，電流從最大值減小到。，這個(gè)過(guò)程瞬時(shí)功率為負(fù)值，表明電感釋放能量。后兩個(gè)1/4周期與上述分析一致。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第三節(jié) 電感元件交流電路分析 電感元件的平均功率為電感是儲(chǔ)能元件，它在吸收和釋放能量的過(guò)程中并不消耗能量，所以平均功率為零。 為了描述電感與外電路之間能量交換的規(guī)模，引人瞬時(shí)功率的最大值，并稱(chēng)之為無(wú)功功率，用QL表示，即上一頁(yè)下一頁(yè)返回第三節(jié) 電感元件交流電路分析 QL也具有功率的單位，但為了和有功功率區(qū)別，把無(wú)功功率的單位定義為乏(Var) 。 應(yīng)該注意:無(wú)功功率QL反映了電感與外電路之間能量交換的規(guī)模，“無(wú)功”不能理解為“無(wú)用”，這里“無(wú)功”二字的實(shí)

29、際含義是交換而不消耗。以后學(xué)習(xí)變壓器、電動(dòng)機(jī)的工作原理時(shí)就會(huì)知道，沒(méi)有無(wú)功功率，它們無(wú)法工作。 例2一12在電壓為220V,頻率為50Hz的電源上，接人電感L = 0. 0255 H的線圈(電阻不計(jì))，試求: (1)線圈的感抗XL。 (2)線圈中的電流I。 (3)線圈的無(wú)功功率QL。 (4)若線圈接在f = 5000 Hz的信號(hào)源上，感抗為多少?上一頁(yè)下一頁(yè)返回第三節(jié) 電感元件交流電路分析 例2一13 L=5mH的電感元件，在關(guān)聯(lián)參考方向下，設(shè)通過(guò)的電流1 =1 0A，兩端的電壓U=1101時(shí)為降壓變壓器;當(dāng)KIB，而且當(dāng)調(diào)節(jié)電位器RP使IB有一微小變化時(shí)，會(huì)引起Ic較大的變化，這表明基極電流

30、(小電流)控制著集電極電流(大電流)，所以晶體管是一個(gè)電流控制器件，這種現(xiàn)象稱(chēng)為晶體管的電流放大作用。三、晶體管的特性曲線 晶體管的特性曲線是用來(lái)表示晶體管各極電壓和電流之間的相互關(guān)系的，它反映了晶體管的性能，是分析放大電路的重要依據(jù)。最常用的是共發(fā)射極接法時(shí)的輸入特性曲線和輸出特性曲線。 1.輸入特性曲線輸入特性曲線是指當(dāng)集射電壓UCE為某一常數(shù)時(shí)，輸入回路中的基射電壓UBE與基極電流IB之間的關(guān)系曲線，用函數(shù)式表示為上一頁(yè)下一頁(yè)返回第三節(jié) 半導(dǎo)體三極管 圖6一13所示為某晶體管的輸入特性曲線，可分為兩種情況:UCE = 0時(shí)，C,E間短接，IB和UBE的關(guān)系，就是發(fā)射結(jié)和集電結(jié)兩個(gè)正向二極

31、管并聯(lián)的伏安特性。UCE增大時(shí)，輸入特性曲線右移，這說(shuō)明UCE對(duì)輸入特性有影響，特性曲線右移表明，同樣的UBE ,IB將減小。圖6-13畫(huà)出了UCE 1 V時(shí)的輸入特性曲線。UCE愈大，曲線愈向右移，但從UCE大于一定值(一般當(dāng)USE 1 V )后，曲線基本重合，因此只需測(cè)試一條UCE 1V的輸入特性曲線?？梢钥闯?，晶體管的輸入特性曲線是非線性的，且有一段死區(qū)，只有在發(fā)射結(jié)外加電壓大于死區(qū)電壓時(shí)，晶體管才會(huì)出現(xiàn)IB。硅管的死區(qū)電壓約為0. 5 V，鍺管為0. 1一0. 2V。晶體管導(dǎo)通時(shí)，其發(fā)射結(jié)電壓上一頁(yè)下一頁(yè)返回第三節(jié) 半導(dǎo)體三極管變化不大，硅管為0. 6一0. 7V，鍺管約為0. 3 V

32、。這是檢查放大電路中晶體管是否正常的重要依據(jù)，若檢查結(jié)果與上述數(shù)值相差較大，可直接判斷管子有故障存在。 2.輸出特性曲線 輸出特性曲線是在基極電流IB一定的情況下，晶體管輸出回路中集射電壓UCE與集電極電流，IC之間的關(guān)系曲線，用函數(shù)式表示為 圖6一14為某晶體管的輸出特性曲線。在不同的幾下，可得出不同的曲線，所以晶體管的輸出特性曲線是一曲線簇。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第三節(jié) 半導(dǎo)體三極管 當(dāng)IB一定時(shí)，在UCE超過(guò)一定數(shù)值(約1V)以后，UCE繼續(xù)增大時(shí)，IC不再有明顯的增加，此時(shí)晶體管具有恒流特性。當(dāng)IB增大時(shí)，相應(yīng)的Ic也增大，曲線上移，而且IC比IB大得多。通常把晶體管的輸出特性曲線分為四個(gè)區(qū)

33、域: (1)截止區(qū) IB = 0時(shí)的曲線的以下區(qū)域稱(chēng)為截止區(qū)。IB = 0時(shí)，Ic = ICEO(在表6一1中，ICEO 10uA )。對(duì)于NPN型硅管UBE 0. 5 V時(shí)，已開(kāi)始截止，但是為了截止可靠，常使UBE0o即發(fā)射結(jié)零偏或反偏，集電結(jié)也反向偏置。 (2)放大區(qū)輸出特性曲線的近似水平部分是放大區(qū)。在該區(qū)域內(nèi)，管壓降UCE已足夠大，發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置，Ic與IB成正比關(guān)系，即IB有一個(gè)微小變化，Ic將按比例發(fā)生較大的變化，這既體現(xiàn)了晶體管的電流放大作用，也體現(xiàn)了基極電流對(duì)集電極電流的控制作用。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第三節(jié) 半導(dǎo)體三極管 (3)飽和區(qū)飽和區(qū)是對(duì)應(yīng)于UCE較小的區(qū)域(

34、UCE U(BR)CE。將可能導(dǎo)致晶體管損壞。 (3)發(fā)射極一基極反向擊穿電壓U(BR)EBO U(BR)EBO是指集電極開(kāi)路時(shí)，允許加在發(fā)射極、基極之間的最高反向電壓，一般為幾伏至幾十伏。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第三節(jié) 半導(dǎo)體三極管 (4)集電極最大允許功耗PCM晶體管正常工作時(shí)，由于集電結(jié)所加反向電壓較大，集電極電流Ic也較大，因UCBUCE，故將UCEIc作為集電極的功率損耗。根據(jù)管子工作時(shí)允許的最高溫度，定出了集電極最大允許功率損耗PCM。晶體管在使用中應(yīng)保證UCEIc PCM。根據(jù)PCM值，可在輸出特性曲線上畫(huà)出一條PCM線，稱(chēng)之為允許管耗線，如圖6一16所示。使用時(shí)，Pc超過(guò)極限值是不允許

35、的。上一頁(yè)返回第四節(jié) 場(chǎng)效應(yīng)晶體管 場(chǎng)效應(yīng)晶體管，簡(jiǎn)稱(chēng)場(chǎng)效應(yīng)管。由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，也稱(chēng)為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件。具有輸入電阻高(1 00 000 0001 000 000 000、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒(méi)有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挕岱€(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)者。場(chǎng)效應(yīng)管可應(yīng)用于放大。由于場(chǎng)效應(yīng)管放大器的輸入阻抗很高，因此藕合電容可以容量較小，不必使用電解電容器。 場(chǎng)效應(yīng)管可以用作電子開(kāi)關(guān)。場(chǎng)效應(yīng)管很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換。常用于多級(jí)放大器的輸入級(jí)作阻抗變換。場(chǎng)效應(yīng)管可以用作可變電阻。場(chǎng)效應(yīng)管可以方便地用作恒流源

36、。下一頁(yè)返回第四節(jié) 場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)管分結(jié)型、絕緣柵型(MOS)兩大類(lèi)。按溝道材料:結(jié)型和絕緣柵型各分N溝道和P溝道兩種;按導(dǎo)電方式:耗盡型與增強(qiáng)型，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管均為耗盡型，絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管既有耗盡型的，也有增強(qiáng)型的。 場(chǎng)效應(yīng)晶體管可分為結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管和MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管，而MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管又分為N溝耗盡型和增強(qiáng)型;P溝耗盡型和增強(qiáng)型四大類(lèi)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第四節(jié) 場(chǎng)效應(yīng)晶體管 一、絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及符號(hào) 絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管是由金屬、氧化物和半導(dǎo)體組成的，因此又稱(chēng)為金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，簡(jiǎn)稱(chēng)MOS管。MOS管可分為增強(qiáng)型與耗盡型兩種類(lèi)型，每一種又分為N溝道和P溝道，即NMOS管和

37、PMOS管。 圖6一17(a)所示為N溝道增強(qiáng)型MOS管結(jié)構(gòu)示意圖。它是在P型硅薄片(作襯底)上制成兩個(gè)摻雜濃度高的N區(qū)(用N+表示)，用鋁電極引出作為源極S和漏極D，硅片表面覆蓋一層薄薄的二氧化硅絕緣層，在源極S和漏極D之間的絕緣層上再?lài)娡恳粚咏饘黉X作為柵極G，襯底也引出一個(gè)電極，通常與源極相連，這樣就得到了一個(gè)MOS管。由于柵極與源極、漏極以及襯底之間是絕緣的，故是絕緣柵型器件。圖6一17(b)是增強(qiáng)型N溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的圖形符號(hào)，箭頭向內(nèi)表示N溝道。若采用N型硅作襯底，源極、漏極為P+型，則導(dǎo)電溝道為P溝道，其符號(hào)與N溝道類(lèi)似，只是箭頭方向朝外。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第四節(jié) 場(chǎng)效應(yīng)晶體管

38、 上述增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管只有在外電場(chǎng)的作用下才有可能形成導(dǎo)電溝道，如果在制造時(shí)就使它具有一個(gè)原始導(dǎo)電溝道，這種絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管稱(chēng)為耗盡型。N溝道耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖和圖形符號(hào)如圖6一18所示。二、絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的特性場(chǎng)效應(yīng)晶體管的基本特性可以由它的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線來(lái)詳細(xì)描述。1. N溝道增強(qiáng)型MOS管特性 (1)轉(zhuǎn)移特性某增強(qiáng)型NMOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖6一19(a)所示。它是描述當(dāng)UDS保持不變時(shí)，UGS對(duì)ID的控制關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)UGS UGS(th)保持不變時(shí)，漏源電壓UDS變化會(huì)引起漏極電流ID的變化，它們之間的關(guān)系稱(chēng)為輸出特性，圖6一1

39、9(b)為某增強(qiáng)型NMOS管的輸出特性曲線。從圖中可以看出，場(chǎng)效應(yīng)晶體管可分為以下三個(gè)工作區(qū):可變電隊(duì)區(qū)在該區(qū)域，UDS相對(duì)較小時(shí)，可不考慮UDS對(duì)溝道的影響，于是UGS一定時(shí)，溝道電阻也一定，故ID與UDS之間基本上是線性關(guān)系。UGS越大，溝道電阻越小，故曲線越陡。在這個(gè)區(qū)域中，溝道電隊(duì)由UGS決定，故稱(chēng)為可變電隊(duì)區(qū)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第四節(jié) 場(chǎng)效應(yīng)晶體管恒流區(qū)(飽和區(qū))圖6一19所示曲線近似水平的部分即為恒流區(qū)，它表示當(dāng)UDS UGS- UGS(th)時(shí)，輸出電壓UGS與漏極電流ID之間的關(guān)系。該區(qū)的特點(diǎn)是ID幾乎不隨UDS的變化而變化，ID已趨于飽和，具有恒流性質(zhì)，所以這個(gè)區(qū)域又稱(chēng)飽和區(qū)。

40、但I(xiàn)D受UGS的控制。UGS增大，溝道電隊(duì)減小，ID隨之增加。 .截止區(qū)當(dāng)UGS UGS(th)時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管工作在截止區(qū)，此時(shí)，漏極電流ID極小，幾乎不隨UDS變化。 另外，UDS較大時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管的ID會(huì)急劇增大，如無(wú)限流措施，管子將被損壞，該區(qū)域叫擊穿區(qū)，此時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管已不能正常工作。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第四節(jié) 場(chǎng)效應(yīng)晶體管2. N溝道耗盡型MOS管特性與增強(qiáng)型相比，由于它的結(jié)構(gòu)有所改變，因而使其控制特性有明顯變化。在UDS為常數(shù)的條件下，當(dāng)UGS= 0時(shí)，漏、源極間已經(jīng)導(dǎo)通，流過(guò)的是原始導(dǎo)電溝道的漏極電流IDSS。當(dāng)UGSUBEQ時(shí)，則可將UBEQ略去，即根據(jù)晶體管的電流放大特性可

41、得再根據(jù)圖7一9所示的直流通路可得上一頁(yè)下一頁(yè)返回第二節(jié) 晶體管放大電路 2.動(dòng)態(tài)分析 動(dòng)態(tài)分析主要確定放大電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻等。 有輸入信號(hào)時(shí)，晶體管的各個(gè)電流和電壓瞬時(shí)值都含有直流分，量和交流分量，而所謂放大，只考慮其中的交流分量。動(dòng)態(tài)分析最基本的方法是微變等效電路法。 (1)晶體管的微變等效電路微變等效電路法又稱(chēng)小信號(hào)分析法，它將晶體管在靜態(tài)工作點(diǎn)附近進(jìn)行線性化，然后用一個(gè)線性模型來(lái)等效，如圖7一10所示。 (2)特性與分析我們從共射極接法的晶體管輸入特性和輸出特性?xún)煞矫鎭?lái)分析。由圖7一10(b)可以看出晶體管的輸入特性曲線是非線性的，但在輸入小信號(hào)時(shí)，選擇合適的Q點(diǎn)

42、，則Q點(diǎn)附近的工作段可近似為直線。當(dāng)UCE為常數(shù)時(shí)，UBE與IB之比為上一頁(yè)下一頁(yè)返回第二節(jié) 晶體管放大電路 式中，rbe稱(chēng)為晶體管的輸入電阻。在小信號(hào)工作條件下，Tbc是一個(gè)常數(shù)，因此晶體管的輸入電路可用rbc來(lái)等效，如圖7一10(d)所示。 低頻小功率的rbe可用下式估算:式中，rbe稱(chēng)為晶體管的輸入電阻()；IBQ、ICQ、IEQ分別是基極、集電極、發(fā)射極電流的靜態(tài)值(mA )。 圖7一10(c)所示是晶體管輸出特性曲線，在線性工作區(qū)是一組近似等距離平行的直線。當(dāng)UCE為常數(shù)時(shí)，Ic與IB之比為上一頁(yè)下一頁(yè)返回第二節(jié) 晶體管放大電路 值就是晶體管共射極電流放大系數(shù)。在小信號(hào)工作條件下，是

43、一個(gè)常數(shù)，它代表晶體管的電流控制作用，晶體管輸出回路用受控恒流源ic=iB來(lái)代替，如圖7一10(d)所示。在電子技術(shù)手冊(cè)中常用hfe來(lái)代表。 (3)放大電路的微變等效電路由晶體管微變等效電路和放大電路的交流通路可得出放大電路的微變等效電路。圖7一11(a)所示是放大電路的交流通路。對(duì)交流分量而言，C1,C2可視為短路，直流電源也可視為短路，然后把交流通路中的晶體管用其微變等效電路代替，即得到放大電路的微變等效電路，如圖7一11(b)所示。等效電路中的電壓、電流都是交流分量。如果輸入信號(hào)是正弦信號(hào)，則可用相量來(lái)表示，如圖7一11(b)所示。 上一頁(yè)下一頁(yè)返回第二節(jié) 晶體管放大電路(4)交流參數(shù)的

44、計(jì)算電壓放大倍數(shù)Au 放大電路輸出電壓與輸入電壓的比值叫作電壓放大倍數(shù)，定義為由圖7一11(b)可得上一頁(yè)下一頁(yè)返回第二節(jié) 晶體管放大電路式中，負(fù)號(hào)表示輸出電壓與輸入電壓反相。如果電路中輸出端開(kāi)路(RL=)輸入電阻ri 放大電路對(duì)信號(hào)源(或前一級(jí)放大電路)而言，是一個(gè)負(fù)載，可以用一個(gè)動(dòng)態(tài)電隊(duì)來(lái)等效，這個(gè)動(dòng)態(tài)電隊(duì)就是放大電路的輸入電阻ri 。其定義為上一頁(yè)下一頁(yè)返回第二節(jié) 晶體管放大電路輸出電阻ro 放大電路對(duì)負(fù)載(或后一級(jí)放大電路)而言，是一個(gè)信號(hào)源，其內(nèi)隊(duì)即為放大電路的輸出電阻ro ，它也是一個(gè)動(dòng)態(tài)電隊(duì)。在輸入信號(hào)短路Ui =0,(當(dāng)Ui為信號(hào)源US和內(nèi)阻Rs時(shí)，只令Us = 0，保留Rs)

45、和輸出端開(kāi)路(RL=)的條件下，在輸出端加上電壓U，若產(chǎn)生的電流為I，則 在放大電路中，一般要求輸出電阻ro盡量小一些，以利于放大電路向負(fù)載提供更大的電流，提高放大電路的帶負(fù)載能力。由圖7-11(b)可得上一頁(yè)下一頁(yè)返回第二節(jié) 晶體管放大電路 例7一1 圖7一12所示為共射放大電路，試畫(huà)出它的直流通路，求靜態(tài)工作點(diǎn)，畫(huà)出它的微變等效電路，計(jì)算其電壓放大倍數(shù)、輸入輸出電阻。解(1)放大電路的直流通路如圖7一13(a)所示，其靜態(tài)工作點(diǎn)如下:上一頁(yè)下一頁(yè)返回第二節(jié) 晶體管放大電路(2)放大電路的微變等效電路如圖7一13(b)所示，其交流參數(shù)如下:上一頁(yè)下一頁(yè)返回第二節(jié) 晶體管放大電路 四、靜態(tài)工作

46、點(diǎn)穩(wěn)定的分壓式偏置電路 基本共射極放大電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電壓和電流放大作用都比較大，缺點(diǎn)是靜態(tài)工作點(diǎn)不穩(wěn)定。 靜態(tài)工作點(diǎn)不穩(wěn)定的原因很多，如電源電壓波動(dòng)、電路參數(shù)變化、晶體管老化等，但主要原因是晶體管特性參數(shù)(UBE 、.ICBO)隨溫度變化造成的。 例如，當(dāng)溫度升高時(shí)，對(duì)于同樣的IBQ輸出特性曲線將上移。嚴(yán)重時(shí)，將使晶體管進(jìn)入飽和區(qū)而失去放大能力，這是不希望的。為了克服上述問(wèn)題，常使用如圖7一14所示的分壓式偏置電路。此電路的特點(diǎn)是:上一頁(yè)下一頁(yè)返回第二節(jié) 晶體管放大電路 (1)利用電阻Rb1和Rb2分壓來(lái)穩(wěn)定基極電位 設(shè)流過(guò)電阻Rb1和Rb2的電流分別為I1和I2且I1=I2+IBQ，一般IB

47、Q很小,I1IBQ，可以近似地認(rèn)為I1I2，這樣，基極電位為所以基極電位vg由電壓Uc。經(jīng)Rb，和R62分壓所決定，隨溫度變化很小。 (2)利用發(fā)射極電阻R。來(lái)獲得反映電流IE變化的信號(hào)，反饋到輸入端，實(shí)現(xiàn)工作點(diǎn)穩(wěn)定。其過(guò)程為通常 ，所以發(fā)射極電流上一頁(yè)下一頁(yè)返回第二節(jié) 晶體管放大電路上一頁(yè)下一頁(yè)返回第二節(jié) 晶體管放大電路(1)靜態(tài)工作點(diǎn)。(2)輸入電阻ri輸出電阻r。和電壓放大倍數(shù)Au。解圖7-14所示電路的直流通路和微變等效電路如圖7-15所示。(1)由式(7一11)、式(7一12)可得上一頁(yè)下一頁(yè)返回第二節(jié) 晶體管放大電路由圖7一15(b)所示電路可計(jì)算其交流參數(shù)如下:上一頁(yè)下一頁(yè)返回第

48、二節(jié) 晶體管放大電路五、射極輸出器 圖7一16所示是一個(gè)共集電極放大電路。其集電極直接接在電源上，對(duì)交流相當(dāng)于接地，成為輸入、輸出回路的公共端，所以稱(chēng)為共集電極放大電路。又由于該電路從發(fā)射極輸出信號(hào)，故又稱(chēng)為射極輸出器。1.靜態(tài)分析 根據(jù)圖7一16可畫(huà)出它的直流通路和微變等效電路，如圖7一17所示。由圖7一17(a)所示的直流通路可列出:因此可得所以上一頁(yè)下一頁(yè)返回第二節(jié) 晶體管放大電路射極輸出器中的電阻Re同樣具有穩(wěn)定工作點(diǎn)的作用，其作用過(guò)程如下:上述過(guò)程說(shuō)明射極輸出器的工作點(diǎn)是穩(wěn)定的。2.動(dòng)態(tài)分析(1)電壓放大倍數(shù)Au由圖7一16可直接看出上式說(shuō)明，u。總是小于ui。由圖7一17(b)可列

49、出上一頁(yè)下一頁(yè)返回第二節(jié) 晶體管放大電路 在上式中，一般 ，故Au略小于1(接近于1)，正因?yàn)檩敵鲭妷航咏斎腚妷海叩南辔挥窒嗤?，故射極輸出器又稱(chēng)為射極跟隨器，簡(jiǎn)稱(chēng)跟隨器。(2)輸入電阻ri由圖7一17(b)可得式中，因此式中， 通常Rb的阻值較大(幾十千歐至幾百千歐),Re的阻值也有幾千歐，因此上式表明射極輸出器的輸入電阻較高，可達(dá)幾十千歐到幾百千歐。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第二節(jié) 晶體管放大電路(3)輸出電阻ro 令Us = 0，根據(jù)圖7一17(b)分析可得出式中，Rs為信號(hào)源內(nèi)阻(通常較小)。上式表明射極輸出器的輸出電阻ro較小，通常為幾歐至幾百歐。上一頁(yè)返回第三節(jié) 場(chǎng)效應(yīng)晶體管放大電路 場(chǎng)

50、效應(yīng)晶體管，簡(jiǎn)稱(chēng)場(chǎng)效應(yīng)管。由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，也稱(chēng)為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件。具有輸入電阻高、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒(méi)有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)?、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)者。 由于場(chǎng)效應(yīng)管放大器的輸入阻抗很高，因此藕合電容可以容量較小，不必使用電解電容器。場(chǎng)效應(yīng)管可以用作電子開(kāi)關(guān)。場(chǎng)效應(yīng)管很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換。常用于多級(jí)放大器的輸入級(jí)作阻抗變換。場(chǎng)效應(yīng)管可以用作可變電阻。場(chǎng)效應(yīng)管可以方便地用作恒流源。下一頁(yè)返回第三節(jié) 場(chǎng)效應(yīng)晶體管放大電路一、共源極放大電路的組成及各元件作用1.組成共源極放大電路根據(jù)偏置電路的

51、不同，分為自偏壓和分壓式自偏壓兩種電路形式，圖7一18所示的電路是分壓式自偏壓共源極放大電路。2.各元件的作用 V:場(chǎng)效應(yīng)晶體管，電壓控制元件，由柵源電壓UGS控制漏極電流ID。 RG1 ,RG2:分壓電隊(duì)，使柵極獲得合適的工作電壓，改變RG1的隊(duì)值可調(diào)整放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。 RG3: RG3隊(duì)值很大，用以減小RG1, RG2對(duì)交流信號(hào)的分流作用，以保持較高的輸入電隊(duì)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第三節(jié) 場(chǎng)效應(yīng)晶體管放大電路 RD:漏極負(fù)載電隊(duì)，作用相當(dāng)于晶體管放大電路的集電極負(fù)載電隊(duì)Rc，可將漏極電流ID轉(zhuǎn)換為輸出電壓uo。RS:源極電隊(duì)，不僅決定柵源偏壓UGS，同時(shí)還可穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。CS:源極旁路

52、電容，消除RS對(duì)交流信號(hào)的衰減作用。C1、C2藕合電容，起隔斷直流、藕合交流信號(hào)的作用。電容量一般在0. 0110uF范圍內(nèi)，比晶體管放大電路的藕合電容小。 二、動(dòng)態(tài)參數(shù)的估算 1.場(chǎng)效應(yīng)晶體管的微變等效電路 由于共源極放大電路輸入電阻很大，可看成在輸入端加上一個(gè)開(kāi)路電壓UGS。而輸出回路中是被UGS控制的電流源。該受控電流源為gm UGS，場(chǎng)效應(yīng)晶體管內(nèi)阻rGS極大，可將其看做開(kāi)路。這樣就得到圖7一19所示的場(chǎng)效應(yīng)晶體管微變等效電路。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第三節(jié) 場(chǎng)效應(yīng)晶體管放大電路 2.放大電路微變等效電路 由場(chǎng)效應(yīng)晶體管的微變等效電路和圖7一18共源極放大電路的交流通路可得圖7一20所示的放大

53、電路的微變等效電路。(1)電壓放大倍數(shù)Au 由圖7 - 20可知式中，負(fù)號(hào)表示輸出電壓與輸入電壓反相上一頁(yè)下一頁(yè)返回第三節(jié) 場(chǎng)效應(yīng)晶體管放大電路(2)輸入電阻ri 由圖7 - 20可知通常，為了減小RG1,R G2對(duì)輸入信號(hào)的分流作用，常選擇故有(3)輸出電阻RD一般為幾百歐到幾千歐，故輸出電阻較大。上一頁(yè)返回第四節(jié) 多級(jí)放大電路 在實(shí)際應(yīng)用中，放大器的輸入信號(hào)都較微弱，有時(shí)可低到毫伏或微伏數(shù)量級(jí)，為了驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作，必須由多級(jí)放大電路對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行連續(xù)放大，方可在輸出端獲得必要的電壓幅度或足夠的功率。 圖7一21所示為多級(jí)放大電路的組成框圖，其中輸入級(jí)和中間級(jí)主要用作電壓放大，可將微弱的輸入電

54、壓放大到足夠的幅度。后面的末前級(jí)和輸出級(jí)用作功率放大，以輸出負(fù)載所需要的功率。存多級(jí)前女電路中.每?jī)蓚€(gè)單級(jí)前女電路之間的作榕方式稱(chēng)為藕合。常用的級(jí)間藕合有阻容藕合、直接藕合、變壓器藕合和光藕合四種方式。下一頁(yè)返回第四節(jié) 多級(jí)放大電路一、級(jí)間藕合方式及特點(diǎn) 1.阻容藕合 圖7 - 22所示為兩級(jí)阻容藕合放大電路，兩級(jí)之間是通過(guò)電容C藕合起來(lái)的。由于電容器有“隔直流、通交流”的作用，因此前一級(jí)的交流輸出信號(hào)可以通過(guò)藕合電容傳送到后一級(jí)的輸入端，而各級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)相互沒(méi)有影響。 此外，它還具有體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使它在多級(jí)放大電路中得到廣泛的應(yīng)用。但阻容藕合方式不適合傳送變化緩慢的

55、信號(hào)，因?yàn)檫@類(lèi)信號(hào)在通過(guò)藕合電容時(shí)會(huì)受到很大的衰減。至于直流信號(hào)，則根本不能傳送。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第四節(jié) 多級(jí)放大電路 2.直接藕合 為了避免藕合電容對(duì)緩慢信號(hào)造成的衰減，可以把前一級(jí)的輸出端直接接到下一級(jí)的輸入端，如圖7一23所示。我們把這種連接方式稱(chēng)為直接藕合。直接藕合放大電路不僅能放大交流信號(hào)，還能放大直流信號(hào)或變化緩慢的信號(hào)。但直接藕合使各級(jí)的直流通路互相連通，各級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)互相影響，溫度造成的直流工作點(diǎn)的漂移會(huì)被逐級(jí)放大，溫漂較大。直接藕合是集成電路內(nèi)部常用的藕合方式。 3.變壓器藕合方式 通過(guò)劍醫(yī)器實(shí)現(xiàn)級(jí)間卻羲合的放大器如圖7 -24所示。變壓器T1將第一級(jí)的輸出電壓信號(hào)變換成第

56、二級(jí)的輸入電壓信號(hào)，變壓器T2將第二級(jí)的輸出電月封言號(hào)變換成負(fù)載RL所要求的電壓。 上一頁(yè)下一頁(yè)返回第四節(jié) 多級(jí)放大電路變壓器藕合方式的最大優(yōu)點(diǎn)是能夠進(jìn)行阻抗、電壓和電流的變換，這在功率放大器中常用到。由于變壓器對(duì)直流電無(wú)變換作用，因此具有很好的隔直作用。變壓器藕合的缺點(diǎn)是體積和重量都較大，高頻性能差、價(jià)格高，不能傳送變化緩慢信號(hào)或直流信號(hào)。 4.光藕合 圖7一25所示放大器，前級(jí)與后級(jí)的藕合元件是光藕合器件。前級(jí)的輸出信號(hào)通過(guò)發(fā)光二極管轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，該光信號(hào)照射在光敏晶體管上，還原為電信號(hào)送至后級(jí)輸入端。光藕合既可傳輸交流信號(hào)，又可傳輸直流信號(hào)既可實(shí)現(xiàn)前后級(jí)的電隔離，又便于集成化。上一頁(yè)下一

57、頁(yè)返回第四節(jié) 多級(jí)放大電路 二、多級(jí)放大器的分析 單級(jí)放大器的某些性能指標(biāo)可作為分析多級(jí)放大器的依據(jù)，但多級(jí)放大器又有其特點(diǎn)。為此我們將分析多級(jí)放大器的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻及非線性失真等內(nèi)容。 1.電壓放大倍數(shù) 多級(jí)放大器對(duì)被放大的信號(hào)而言，屬串聯(lián)關(guān)系。前一級(jí)的輸出信號(hào)就是后一級(jí)的輸入信號(hào)。設(shè)各級(jí)放大器放大倍數(shù)依次為Au1、A u2、.、A un，則輸入信號(hào)ui被第一級(jí)放大后輸出電壓成為Au1 Ui，經(jīng)第二級(jí)放大后的輸出電壓成為Au1A u2ui，依次類(lèi)推，通過(guò)n級(jí)放大后，輸出電壓為Au1A u2A u3.A unui。所以多級(jí)放大器總的電壓放大倍數(shù)為各級(jí)電壓放大倍數(shù)之積，即上一頁(yè)

58、下一頁(yè)返回第四節(jié) 多級(jí)放大電路式中，Au1、A u2、.、A un為有負(fù)載時(shí)的電壓放大倍數(shù)，其負(fù)載為相應(yīng)后級(jí)的輸入電阻，Aun則視具體電路而定。 電壓放大倍數(shù)在工程中常用對(duì)數(shù)形式來(lái)表示，稱(chēng)為電壓增益，用字母Gu表示，單位為分貝(dB)，定義為總增益(dB)為各級(jí)增益的代數(shù)和，即上一頁(yè)下一頁(yè)返回第四節(jié) 多級(jí)放大電路 2.輸入電阻和輸出電阻 多級(jí)放大器的輸入電阻和輸出電阻與單級(jí)放大器類(lèi)似，其輸入電阻是從輸入端看進(jìn)去的等效電阻，也就是第一級(jí)的輸入電阻，輸出電阻也是從輸出端看進(jìn)去的等效電阻，即最后一級(jí)的輸出電阻。 3.非線性失真 晶體管的輸入特性曲線不是直線，輸出特性曲線族中，每一條輸出特性曲線也不完

59、全是直線，其間隔也不完全相等。這就導(dǎo)致了輸入/輸出特性的非線性，經(jīng)放大器放大后的輸出信號(hào)波形，與輸入信號(hào)波形相比總是有一些變異，稱(chēng)為波形失真。這種變異是由晶體管的非線性特性引起的，所以這種波形失真又叫非線性失真。 另外，如果放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)選得不恰當(dāng)或輸入信號(hào)幅度過(guò)大，也會(huì)使信號(hào)進(jìn)入晶體管的截止區(qū)或飽和區(qū)而造成波形失真，這種失真分別被稱(chēng)為截止失真或飽和失真。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第四節(jié) 多級(jí)放大電路 如圖7一26所示，它們均屬于非線性失真的范疇。對(duì)任何放大電路，總希望它的非線性失真越小越好。在多級(jí)放大器中，由于各級(jí)均存在著失真，則輸出端波形失真更大，要減小輸出波形的失真，必然要盡力克服各單級(jí)放大

60、器的失真。上一頁(yè)返回第五節(jié) 差動(dòng)放大電路 差動(dòng)放大電路又叫差分電路，他不僅能有效地放大直流信號(hào)，而且能有效地減小由于電源動(dòng)和晶體管隨溫度變化多引起的零點(diǎn)漂移，因而獲得廣泛的應(yīng)用。特別是大量的應(yīng)用于集成運(yùn)放電路，他常被用作多級(jí)放大器的前置級(jí)。 看劍丈差動(dòng)放大電路由兩個(gè)完全對(duì)稱(chēng)的共發(fā)射極單管放大電碑牲巨成在自動(dòng)控制和檢測(cè)裝置中，待處理的電信號(hào)有許多是變化極為緩慢的，這類(lèi)信號(hào)統(tǒng)稱(chēng)為“直流信號(hào)”。用來(lái)放大直流信號(hào)的放大電蹌確偽l氫流放大器月氫流放大器不能使用阻容藕合或變壓器藕合方.式，應(yīng)采用直接藕合方.式才能使自流信號(hào)逐紉頂利傳送，采用自接藕合必須處涸續(xù)子抑制“零點(diǎn)漂移”這一關(guān)鍵技術(shù)。下一頁(yè)返回第五節(jié)