汽車電工電子技術(shù)5課件

1、汽車電工電子技術(shù)汽車模擬電路項目五任務(wù)一 二極管認(rèn)知一、半導(dǎo)體的基本知識（一）本征半導(dǎo)體 純凈不摻雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體通常具有規(guī)則的幾何形狀，在空間上是單晶體結(jié)構(gòu)，其原子按點陣（晶格）排列。 現(xiàn)代電子產(chǎn)品中用得最多的半導(dǎo)體材料是硅（Si）和鍺（Ge）。如圖5-1所示為硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)。 （a）硅（+14）的原子結(jié)構(gòu) （b）鍺（+32）的原子結(jié)構(gòu)圖5-1 硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)如圖5-2所示為硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)（平面）示意圖。圖5-2 共價鍵結(jié)構(gòu)示意圖圖5-3 電子和空穴的形成圖5-4 空穴和自由電子的運動（二）N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體1N型半導(dǎo)體圖5-5 N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖 2P型

2、半導(dǎo)體圖5-6 P型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖（三）PN結(jié)的形成及特性1PN結(jié)的形成 由于PN結(jié)的特殊性質(zhì)，使它成為制作各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)，如圖5-7所示。圖5-7 PN結(jié)的形成2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?給PN結(jié)外加反向電壓（簡稱反偏），即P端接電源的負(fù)極、N端接電源的正極，如圖5-9所示。圖5-8 PN結(jié)正偏 圖5-9 PN結(jié)反偏二、二極管的結(jié)構(gòu)、類型及符號 二極管又稱半導(dǎo)體二極管，它是由一個PN結(jié)加上兩條引線和管殼（金屬、玻璃、塑料）構(gòu)成的。從P端引出的電極稱為陽極，從N端引出的電極稱為陰極。二極管的結(jié)構(gòu)示意圖及圖形符號如圖5-10所示。 （a） （b）圖5-10 二極管的結(jié)構(gòu)、符號 二極管按材料可分

3、為硅二極管、鍺二極管和砷化鎵二極管等；按內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為點接觸型、面接觸型和平面型等，如圖5-11所示；按用途的不同可分為普通二極管和特殊二極管。 （a）點接觸型 （b）面接觸型 （c）平面型圖5-11 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)類型 常見的二極管有金屬、塑料和玻璃三種封裝形式。根據(jù)用途的不同，二極管的外形各異，如圖5-12所示為幾種常見的二極管外形。圖5-12 常見的二極管外形三、二極管的伏安特性經(jīng)過理論推導(dǎo)，二極管的伏安特性曲線可用下式表示，即（5-1） 二極管的伏安特性包括正向特性、反向特性以及反向擊穿特性，其特性曲線如圖5-13所示。圖5-13 二極管的伏安特性曲線圖5-13 二極管的伏安特性曲

4、線（一）正向特性 二極管外加正向電壓時，電流和電壓的關(guān)系稱為二極管的正向特性。（二）反向特性 當(dāng)二極管外加反向電壓時，電流和電壓的關(guān)系稱為二極管的反向特性。四、二極管的主要參數(shù)（一）最大整流電流（二）最高反向工作電壓（三）最大反向電流（四）最高工作頻率五、二極管的應(yīng)用 整流電路就是利用二極管的單向?qū)щ娦詫⒔惶孀兓恼也ㄗ儞Q成單一方向脈動的直流電。如圖5-14所示為二極管單相半波整流電路及其輸入輸出波形。 （a）電路 （b）波形圖5-14 二極管單相半波整流電路及其輸入輸出波形工業(yè)生產(chǎn)中常采用改進(jìn)后的單相橋式整流電路，如圖5-15所示。 （a）電路 （b）簡化符號圖5-15 單相橋式整流電路（

5、二）限幅電路 限幅是指限制電路的輸出值。在電子電路中，常用限幅電路來減小或限制某些電路的幅值，以適應(yīng)電路的不同要求或作為保護(hù)措施；在數(shù)字電路中，常用限幅電路來處理信號波形，如圖5-17所示。圖5-17 限幅電路及輸出波形（三）鉗位電路 將電路中某點的電位值鉗制在選定的數(shù)值上而不受負(fù)荷變動影響的電路叫鉗位電路。圖5-18 鉗位電路六、特殊用途的二極管簡介（一）穩(wěn)壓二極管（a）符號 （b）伏安特性圖5-19 穩(wěn)壓二極管的符號與伏安特性曲線 如圖5-20所示為汽車儀表電路的穩(wěn)壓電路，它由穩(wěn)壓管和限流電阻串聯(lián)而成。其中，穩(wěn)壓管與汽車儀表電路并聯(lián)，以便發(fā)揮穩(wěn)壓作用。圖5-20 汽車儀表電路的穩(wěn)壓電路（二

6、）光電二極管如圖5-21所示為光電二極管的外形、符號及其應(yīng)用電路。 （a）外形 （b）符號 （c）應(yīng)用電路圖5-21 光電二極管1汽車空調(diào)用日照強(qiáng)度傳感器 如圖5-22所示為汽車空調(diào)用日照強(qiáng)度傳感器的等效電路。圖5-22 汽車空調(diào)用日照強(qiáng)度傳感器2光電式曲軸位置傳感器 汽車上一般裝有由光電二極管制成的光電式曲軸位置傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖5-23（a）所示。 光電式曲軸位置傳感器的工作原理如圖5-23（b）所示，它常安裝在汽車分電器內(nèi)，主要由信號發(fā)生器和帶光孔的信號盤組成。 （a）結(jié)構(gòu) （b）工作原理圖5-23 光電式曲軸位置傳感器（三）發(fā)光二極管如圖5-24所示為發(fā)光二極管的外形、符號及電路等。

7、（a）外形 （b）電路符號 （c）應(yīng)用電路圖5-24 發(fā)光二極管任務(wù)二 三極管認(rèn)知一、三極管的分類及結(jié)構(gòu) 三極管是在同一塊半導(dǎo)體（硅或鍺）片上摻雜形成三個區(qū)的兩個PN結(jié)，并引出三個電極。兩個N區(qū)夾一個P區(qū)結(jié)構(gòu)的三極管稱為NPN型三極管；兩個P區(qū)夾一個N區(qū)結(jié)構(gòu)的三極管稱為PNP型三極管。 三極管的常見外形如圖5-25所示。圖5-25 常用三極管的外形及管腳排列 三極管有三個區(qū)，即發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)；兩個PN結(jié)，即發(fā)射結(jié)（BE結(jié)）和集電結(jié)（BC結(jié)）；三個電極，即發(fā)射極e（E）、基極b（B）和集電極c（C）。NPN型和PNP型管的結(jié)構(gòu)及圖形符號如圖5-26所示。 （a）NPN型 （b）PNP型圖5

8、-26 三極管的結(jié)構(gòu)及符號二、三極管的電流放大作用 要使三極管具有電流放大作用，除了在制造工藝上滿足上述三個特點外，在應(yīng)用時，還要使發(fā)射結(jié)處于正向偏置，使集電結(jié)處于反向偏置，如圖5-27所示。圖5-27 三極管的電流分配關(guān)系三極管各電極的電流關(guān)系為（5-2） 一般來講，當(dāng)三極管的基極電流發(fā)生變化時，集電極電流會相應(yīng)地發(fā)生較大的變化，我們將兩者變化幅度的大小稱為交流電流放大系數(shù)，用字母 表示，即（5-3）三、三極管的特性曲線 所謂共發(fā)射極電路是以基極和發(fā)射極作為輸入端，集電極和發(fā)射極作為輸出端，即把發(fā)射極作為輸入、輸出回路公共端的電路接法，如圖5-28（a）所示。（a）共發(fā)射極電路圖 （b）輸入

9、特性圖5-28 三極管共發(fā)射極電路（一）輸入特性曲線 輸入特性曲線是指當(dāng)集電極與發(fā)射極之間的電壓 不變時，輸入回路中的基極電流 與基極和發(fā)射極之間的電壓 之間的關(guān)系曲線。經(jīng)實驗測得三極管的輸入特性曲線如圖5-28（b）所示，即（二）輸出特性曲線 三極管的輸出特性曲線是指在一定的基極電流 下，三極管的集電極電流 與管壓降 之間的關(guān)系曲線。實驗測得三極管的輸出特性曲線如圖5-29所示，即 由圖5-29可知，三極管的輸出特性曲線分為三個區(qū)域：放大區(qū)、截止區(qū)和飽和區(qū)。圖5-29 三極管的輸出特性曲線四、三極管的主要參數(shù)（一）電流放大系數(shù)1直流電流放大系數(shù)1）共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)（5-5） （a）在

10、輸出特性曲線上求取 （b） 與 的關(guān)系圖5-30 共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)2）共基極直流電流放大系數(shù)（5-6） 利用式（5-2），對三極管的基本電流關(guān)系式進(jìn)行適當(dāng)變換后，可得 因此，可以得到共基極與共發(fā)射極直流電流放大系數(shù) 與 之間的關(guān)系為（5-7）2交流電流放大系數(shù) 交流電流放大系數(shù)也分為共發(fā)射極交流電流放大系數(shù) 與共基極交流電流放大系數(shù) 兩種情況。它們分別表示為（5-8）（二）極間反向飽和電流1集電極基極反向飽和電流圖5-31 極間反向飽和電流2集電極發(fā)射極反向飽和電流和 都隨溫度的升高而增大，兩者的關(guān)系為（5-9）（三）極限參數(shù)1集電極最大允許電流圖5-32 集電極最大允許電流， 2反向

11、擊穿電壓這三個反向擊穿電壓在數(shù)值之間的大小排列為3集電極最大允許耗散功率如圖5-33所示，表示了三極管的安全工作區(qū)域。圖5-33 三極管的安全工作區(qū)五、三極管的放大電路（一）放大電路的構(gòu)成 如圖5-34所示為共發(fā)射極放大電路的組成原理圖。圖5-34 共發(fā)射極放大電路（二）放大電路的工作原理 放大電路工作時，若無輸入信號，則電路中只有直流電流通過，此時稱為放大電路的直流通路；若加上輸入信號，則電路中既有直流電流又有交流電流通過，此時稱為放大電路的交流通路，如圖5-35所示。 （a）直流通路 （b）交流通路圖5-35 共發(fā)射極放大電路的直流通路和交流通路1靜態(tài)工作情況分析1）估算法 按直流信號在電

12、路中流通的路徑可畫出電路的直流通路。例如，圖5-34所示電路可變?yōu)閳D5-35（a）所示電路。其方法是將電容視為開路，電感視為短路。按照直流通路的結(jié)構(gòu)，可以計算出電路的靜態(tài)工作點為（5-10）（5-11）（5-12）例5-1 如圖5-35（a）所示的放大電路中，已知： ， ， ，三極管的 。試求該放大電路靜態(tài)工作點Q的數(shù)據(jù)。 解 根據(jù)式（5-10）、（5-11）和（5-12），可求得此放大電路的靜態(tài)工作點Q的數(shù)據(jù)為圖解法求靜態(tài)工作點如圖5-36所示。圖5-36 圖解法求靜態(tài)工作點Q 2）圖解法 圖解法就是利用作圖的方法來確定放大電路的靜態(tài)工作點，此方法能直觀地分析和了解靜態(tài)值的變化對放大電路性能

13、的影響。 例5-2 已知： ， ， ，三極管的輸出特性曲線組已給出，如圖5-37所示。求：（1）作出直流負(fù)載線；（2）求出靜態(tài)值Q。圖5-37 例5-2圖解 （1）作出直流負(fù)載線由式（5-12）知，當(dāng) 時， 當(dāng) 時， 描出并連接上面兩點，即可作出直流負(fù)載線，如圖5-37所示。（2）由式（5-10）得 找到 的那條輸出曲線，它與剛才作出的直流負(fù)載線的交點即為靜態(tài)工作點Q。2動態(tài)工作情況分析1）微變等效電路法（a）共發(fā)射極電路 （b）等效電路圖5-38 三極管的微變等效電路它表示了三極管的輸入特性，用公式表示為（5-13） 對于低頻小信號，當(dāng)三極管的放大倍數(shù)為 ，靜態(tài)發(fā)射極電流為 時，其輸入電阻可

14、用下式估算，即（5-14）圖5-39 三極管的輸入特性 三極管的輸出特性是一組曲線，在線性區(qū)是一組近似等距離的平行直線，如圖5-40所示。圖5-40 三極管的輸出特性當(dāng) 為常數(shù)時，集電極電流與基極電流的變化量之比即前文所講的三極管的交流電流放大系數(shù)，用公式表示為（5-15） 從圖5-40中可以看出，三極管的輸出特性曲線并不與橫軸完全平行，當(dāng) 常數(shù)時， 與 之比稱為三極管的輸出電阻 。（5-16） 電路中的電壓和電流都是交流分量，箭頭標(biāo)出的是參考方向，如圖5-41所示。（a）交流通路 （b）微變等效電路圖5-41 放大電路的微變等效電路 下面用微變等效電路來計算放大電路的電壓放大倍數(shù)。交流輸出信

15、號與輸入信號的電壓值之比稱為交流電壓放大倍數(shù)，用 表示，即（5-17）如圖5-41（b）所示，有 如圖5-41（b）所示，輸出端等效電阻 是集電極電阻 和負(fù)載電阻 的并聯(lián)，故因此，電壓放大倍數(shù)為 （5-18） 當(dāng)放大電路的輸出端開路，即電路空載 時，電壓放大倍數(shù) 為（5-19）例5-3 某共發(fā)射極放大電路中，已知： ， ， ， ，三極管的輸入靜態(tài)電流約為2 mA，求該電路的電壓放大倍數(shù)。解 由題意知， ，再由式（5-14）得出代入式（5-18），得該電路的電壓放大倍數(shù)為交流負(fù)載線的直線斜率為（5-20）2）圖解法 對放大電路的動態(tài)分析也可以應(yīng)用圖解法，它是在靜態(tài)分析的基礎(chǔ)上利用三極管的特性曲線，通過作圖的方法分析放大電路中電壓和電流分量之間的傳輸情況和相互關(guān)系。 這樣根據(jù)直流負(fù)載線的靜態(tài)工作點Q和交流等效負(fù)載 確定的直線斜率就可以畫出交流負(fù)載線，如圖5-42所示。圖5-42 交流負(fù)載線 圖中右半部分是它的輸入特性，左半部分是它的輸出特性。由輸入信號產(chǎn)生了一個疊加在直流信號之上的交流信號。圖5-43 圖解法確定電壓放大倍數(shù) 由于三極管的飽和引起的輸出電壓底部被削掉的失真稱為飽和失真，如5-44（a）所示。 由于三極管的截止引起的輸出電壓頂部被削掉的失真稱為截止失真，如5-44（b）所示。 （a）飽和失真 （b）截止失真圖5-44 Q設(shè)置不當(dāng)造成