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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电工与电子技术,第一章 直流电路,第一节 电路的组成,第二节 电路的基本物理量,第三节 电路的基本元件,第四节 电阻的连接方式,第五节 电功与电功率,第六节 电容,返回,第一节 电路的组成,电流流过的回路叫做电路。在人们的日常生活和生产实践中，电路无处不在。从电视机、电冰箱、计算机到自动化生产线，都体现了电路的存在。最简单的电路由电源负载和导线、开关等元件组成。电路处处连通叫做通路。只有通路，电路中才有电流通过。电路某一处断开叫做断路或者开路。电路某一部分的两端直接接通，使这部分的电压变成零，叫做短路。,电路由电源、负载、连接导线和辅助设备四大部分组成。实际应用的电路都比较复杂，因此，为了便于分析电路的实质，通常用符号表示组成电路实际原件及其连接线，即画成所谓电路图。其中导线和辅助设备合称为中间环节。,1.电源,电源是提供电能的设备。电源的功能是把非电能转变成电能。例如，电池是把化学能转变成电能;发电机是把机械能转变成电能。由于非电能的种类很多，转变成电能的方式也很多，所以，目前实用的电源类型也很多，最常用的电源是干电池、蓄电池和发电机等。,下一页,返回,第一节 电路的组成,2.负载,在电路中使用电能的各种设备统称为负载。负载的功能是把电能转变为其他形式能。例，电炉把电能转变为热能;电动机把电能转变为机械能，等等。通常使用的照明器具、家用电、机床等都可称为负载。,3.导线,连接导线用来把电源、负载和其他辅助设备连接成一个闭合回路，起着传输电能的作用。,4.辅助设备,辅助设备是用来实现对电路的控制、分配、保护及测量等作用的。辅助设备包括各种开关、熔断器及测量仪表等。,最简单的电路实例是,图,1,一,1,所示的手电筒电路。为了便于对电路进行分析和计算，常把实际元件加以近似化、理想化，在一定条件下忽略其次要性质，用足以表征其主要特征的“模,上一页,下一页,返回,第一节 电路的组成,型”来表示，即用理想元件来表示。例如，“电阻元件”就是电阻器、电烙铁、电炉等实际电路元件的理想元件，称为模型。因为在低频电路中，这些实际元件所表现的主要特征是把电能转化为热能。用“电阻元件”这样一个理想元件来反映消耗电能的特征。同样，在一定条件下，“电感元件”是线圈的理想元件，“电容元件”是电容器的理想元件。,图,1,一,2,是图1一1所示实际电路的电路模型。,上一页,返回,第二节 电路的基本物理量,研究电路的基本规律，首先应掌握电路中的基本物理量，电流、电压和电功率。,一、电流,电流在实用上有两个含义:第一，电流表示一种物理现象，即电荷有规则的运动就形成电流。第二，电流的大小用电流强度来表示，而电流强度是指在单位时间内通过导体截面积的电荷量，其单位是安培(库/秒)，简称安，用大写字母A表示。但电流强度多简称电流。所以电流又代表一个物理量，这是电流的第二个含义。,电流的真实方向和正方向是两个不同的概念，不能混淆。习惯上总是把正电荷运动的方向，作为电流的方向，这就是电流的实际方向或真实方向，它是客观存在，不能任意选择，在简单电路中，电流的实际方向能通过电源或电压的极性很容易地确定下来。,下一页,返回,第二节 电路的基本物理量,但是，在复杂直流电路中，某一段电路里的电流真实方向很难预先确定，在交流电路中，电流的大小和方向都是随时间变化的。这时，为了分析和计算电路的需要，引入了电流参考方向的概念，参考方向又叫假定正方向，简称正方向。,所谓正方向，就是在一段电路里，在电流两种可能的真实方向中，任意选择一个作为参考方向(即假定正方向)。当实际的电流方向与假定的正方向相同时，电流是正值;当实际的电流方向与假定正方向相反时，电流就是负值。,电流主要分为两类:一类为大小和方向均不随时间变化的电流为恒定电流，简称直流(简写DC)，用大写字母1表示。另一类为大小和方向均随时间变化的电流为变化电流，用小写字母i或i(t)表示。其中一个周期内电流的平均值为零的变动电流称为交变电流，简称交流(简写AC)，也用i表示。,上一页,下一页,返回,第二节 电路的基本物理量,几种常见的电流波形如,图,1,一,3,所示，图1一3(a)为直流，图1一3(b),(c)为交流。,在分析电路时，对复杂电路由于无法确定电流的实际方向，或电流的实际方向在不断地变化，而引入了“参考方向”的概念。,参考方向是一个假想的电流方向。在分析电路前，需先任意规定未知电流的参考方向，并用实线箭头标于电路图上，如,图,1,一,4,所示，图中方框表示一般二端元件。特别注意:图中实线箭头和电流符号i缺一不可。,若计算结果(或已知)i0，则电流的实际方向与电流的参考方向一致;若i0时，该电压的实际极性与所标的参考极性相同;当u 0，所标参考极性与实际极性相同。,上一页,下一页,返回,第二节 电路的基本物理量,(2)图1一6(b),B点为高电位，因u=一12V 0，但图中没有标出参考极性。,当元件上的电流参考方向是从电压的参考高电位指向参考低电位时，称为关联参考方向，反之称为非关联参考方向，如,图,1,一,7,所示。,三、电功率,在物理学中，用电功率表示消耗电能的快慢，电功率用尸表示，它的单位是Watt，符号是W。电流在单位时间内做的功叫做电功率。以灯泡为例，电功率越大，灯泡越亮。在电路分析中，通常用电流i与电压u的乘积来描述功率。,在u、i关联参考方向下，元件上吸收的功率定义为,上一页,下一页,返回,第二节 电路的基本物理量,在u、i非关联参考方向下，元件上吸收的功率为,不论u、i是否是关联参考方向，若P0，则该元件吸收(或消耗)功率;若P0，表明电流的实际方向与参考方向相同;当电流在负半周时，i 0，则称u比i在相位上超前角，或者说i比u滞后角。因此相位差是描述两个同频率正弦量之间的相位关系即到达某个值的先后次序的一个特征量。我们规定其绝对值不超过180,即|180。,上一页,下一页,返回,第一节 正弦交流电的基本概念,当=o，即两个同频率正弦量的相位差为零，这样两个正弦量将同时到达零值或峰值。我们称这两个正弦量为同相，波形如,图,2,一,5,(a)所示。,当=，即两个同频率正弦量的相位差为180，这样一个正弦量达到正峰值时，另一个正弦量刚好在负的峰值，我们称这两个正弦量反相，波形如图2-5(b)所示。,四、正弦量的相量表示法,一个正弦量可以表示为,根据此正弦量的三要素，可以作一个复数让它的模为Um，幅角为wt+，即,上一页,下一页,返回,第一节 正弦交流电的基本概念,上式J=，为虚数单位，这一复数的虚部为一正弦时间函数，正好是已知的正弦量，所以一个正弦量给定后，总可以作出一个复数使其虚部等于这个正弦量。由于正弦交流电路中的电压、电流都是同频率的正弦量，故角频率这一共同拥有的要素在分析计算过程中可以忽略，只在结果中补上即可。这样在分析计算过程中，只需考虑最大值和初相两个要素，故表示正弦量的复数可简化成,上式为正弦量的极坐标式，我们就把这一复数称为相量，以“U，表示，并习惯上把最大值换成有效值，即,上一页,下一页,返回,第一节 正弦交流电的基本概念,在表示相量的大写字母上打点“”是为了与一般的复数相区别，这就是正弦量的相量表示法。,需要强调的是，相量只表示正弦量，并不等于正弦量;只有同频率的正弦量其相量才能相互运算，才能画在同一个复平面上。画在同一个复平面上表示相量的图称为相量图。,例2一3已知正弦电压、电流为,写出u和i对应的相量，并画出相量图。,解u的相量为,i的相量为,相量图如,图,2,一,6,所示。,上一页,下一页,返回,第一节 正弦交流电的基本概念,例2一4已知,试用相量计算u,1,+u,2,，并画相量图。,解正弦量u,1,和u,2,对应的相量分别为,它们的相量和,上一页,下一页,返回,第一节 正弦交流电的基本概念,对应的解析式,相量图如,图,2,一,7,所示。,五、相量形式的基尔霍夫定律,基尔霍夫定律是电路的基本定律，不仅适用于直流电路，而且适用于交流电路。它是阐明集总参数电路中流人和流出节点的各电流间以及沿回路的各段电压间的约束关系的定律。1845年由德国物理学家G.R.基尔霍夫提出。在正弦交流电路中，所有电压、电流都是同频率的正弦量.它们的瞬时值和对应的相量都簿守基尔霍夫定律。,上一页,下一页,返回,第一节 正弦交流电的基本概念,例2-5,图,2-8,所示电路中，已知电流表A1,A2的读数均是5A，试求电路中电流表A的读数。,解设两端电压,图(a)中电压、电流为关联参考方向，电阻上的电流与电压同相，故,电感上的电流滞后电压90，故,根据相量形式的KCL得,即电流表A的读数为7.07A。,上一页,下一页,返回,第一节 正弦交流电的基本概念,图(b)中电流与电压为关联参考方向，电容上的电流超前电压90，故,电感上的电流滞后电压90，故,根据相量形式的KCL得,即电流表A的读数为0.,上一页,下一页,返回,第一节 正弦交流电的基本概念,六、RLC串联电路的分析,正弦量用相量表示后，正弦交流电路的分析和计算就可以根据相量形式的基尔霍夫定律用复数进行，直流电路中学习过的方法、定律都可以应用于正弦交流电路。,图,2-9,所示电路是由电阻R、电感L和电容C串联组成的电路，流过各元件的电流都是i。电压、电流的参考方向如图2一9所示。,1.电压与电流的相量关系,设电路中电流i=im sinwt，对应的相量为,上一页,下一页,返回,第一节 正弦交流电的基本概念,复阻抗Z是关联参考方向下，电压相量与电流相量之比。但是复阻抗不是正弦量，因此，只用大写字母Z表示，而不加黑点。Z的实部R为电路的电阻，虚部X为电路的电抗。,复阻抗也可以表示成极坐标形式。,其中,上一页,下一页,返回,第一节 正弦交流电的基本概念,|z|是复阻抗的模，称为阻抗，它反映了RLC串联电路对正弦电流的阻碍作用，阻抗的大小只与元件的参数和电源频率有关，而与电压、电流无关。,是复固叻乞的幅角，称为阻抗角。它也是关联参考方.向下电路的端电压u与电流i的相位差。,上述表明，相量关系式包含着电压和电流的有效值关系式和相位关系式。,上一页,下一页,返回,第一节 正弦交流电的基本概念,2.电路的三种情况,上一页,下一页,返回,第一节 正弦交流电的基本概念,(3)阻性电路(谐振电路)当XL=Xc时，UL=Uc，相量图如图2一11(c)所示，电压U与电流1同相，=0，电路呈电阻性。我们把电路的这种特殊状态，称为谐振。,由,图,2,一,10,可以看出，电感电压UL和电容电压Uc的相量和(UL+Uc=Ux)与电阻电压Ue以及总电压U构成一个直角三角形，称为电压三角形。由电压三角形可以看出，总电压的有效值与各元件电压的有效值的关系是相量和而不是代数和。这正体现了正弦交流电路的特点。把电压三角形三条边的电压有效值同时除以电流的有效值1，就得到一个和电压三角形相似的三角形，它的三条边分别是电阻R、电抗X和阻抗IZI，所以称它为阻抗三角形，如,图,2,一,11,所示。由于阻抗三角形三条边代表的不是正弦量，所画的三条边是线段而不是相量。关于阻抗的一些公式都可以由阻抗三角形得出，它可以帮助我们记忆公式。,上一页,下一页,返回,第一节 正弦交流电的基本概念,例2一6在RL串联电路中，已知R=6,XL=8，外加电压U=110L600V，求电路的电流I、电阻的电压UR和电感的电压UL，并画相量图。,解电路的复阻抗,相量图如,图,2,一,12,所示。,上一页,下一页,返回,第一节 正弦交流电的基本概念,例2-7在电子技术中，常利用RC串联作移相电路，如,图,2,一,13(a,)所示。已知输入电压频率f=1 000Hz,C=0.025uF。需输出电压ui在相位上滞后输入电压ui为30，求电阻R。,解设以电流1为参考相量，作相量图，如图2-13(b)所示。已知输出电压Uo(即Uc)滞后于输入电压队为30，则电压队与电流1的相位差中=一60。,上一页,下一页,返回,第一节 正弦交流电的基本概念,由本例可见，相量图在解题中的重要作用。因此，应画出简单电路的相量图，并通过相量图求解简单问题。,RL串联电路和RC串联电路均视为RLC串联电路的特例。,在RLC串联电路中,由此推广，R,L,C单一元件也可看成RLC串联电路的特例。这表明，RLC串联电路中的公式对单一元件也同样适用。,例2一8在RLC串联电路中，已知R=15,XL=20,Xc=5。电源电压u=30sin(wt+30)V。求此电路的电流和各元件电压的相量，并画出相量图。,上一页,下一页,返回,第一节 正弦交流电的基本概念,解电路的复阻抗,上一页,下一页,返回,第一节 正弦交流电的基本概念,3.功率,在RLC串联电路中，既有耗能元件，又有储能元件，所以电路既有有功功率又有无功功率。电路中只有电阻元件消耗能量，所以电路的有功功率就是电阻上消耗的功率。,由电压三角形可知,上一页,下一页,返回,第一节 正弦交流电的基本概念,上式为RLC串联电路的有功功率公式，它也适用于其他形式的正弦交流电路，具有普遍意义。,电路中的储能元件不消耗能量，但与外界进行着周期性的能量交换。由于相位的差异，电感吸收能量时，电容释放能量，电感释放能量时，电容吸收能量，电感和电容的无功功率具有互补性。所以，RLC串联电路和电源进行能量交换的最大值就是电感和电容无功功率的差值，即RLC串联电路的无功功率为,由电压三角形可知,上一页,下一页,返回,第一节 正弦交流电的基本概念,上式为RLC串联电路的无功功率计算公式。它也适用于其他形式的正弦交流电路。,我们把电路的总电压有效值和总电流有效值的乘积，称为电路的视在功率，用符号S表示，它的单位是伏安(VA)，在电力系统中常用千伏安(kVA),视在功率表示电源提供的总功率，也用视在功率表示交流设备的容量。通常所说变压器的容量就是指视在功率。,将电压三角形的三条边同时乘以电流有效值1，又能得到一个与电压三角形相似的三角形。它的三条边分别表示电路的有功功率P、无功功率Q和视在功率S，这个三角形就是功率三角形，如,图,2,一,15,所示。P与S的夹角称为功率因数角。至此，角有三个含义，即电压与电流的相位差、阻抗角和功率因数角，三角合一。,上一页,下一页,返回,第一节 正弦交流电的基本概念,为了表示电源功率被利用的程度，我们把有功功率与视在功率的比值称为功率因数，用cos表示，即,对于同一个电路，电压三角形、阻抗三角形和功率三角形都相似，所以,上一页,下一页,返回,第一节 正弦交流电的基本概念,从上式可以看出，功率因数取决于电路元件的参数和电源的频率。,上述关于功率的有关公式虽然是由RLC串联电路得出的，但也适用于一般正弦交流电路，具有普遍意义。,例2-9,图,2,一,16,所示电路中，已知电源频率为50Hz电压表读数为100V，电流表读数为1A，功率表读数为40W求R和L的大小。,解电路的功率就是电阻消耗的功率，由P=I2R得,电路的阻抗,上一页,下一页,返回,第一节 正弦交流电的基本概念,由于,所以感抗,则电感,例2一10 RC串联电路接到 的电源上，电流,解电压、电流相量分别为,上一页,下一页,返回,第一节 正弦交流电的基本概念,复阻抗,上一页,下一页,返回,第一节 正弦交流电的基本概念,例2一11 RLC串联电路，接在 的电源上，已知R=8，L=20mH，C=125 uF,求电流i、有功功率、无功功率、视在功率。,解复阻抗,上一页,下一页,返回,第一节 正弦交流电的基本概念,无功功率,七、感性负载与电容器的并联,常采用在感性负载两端并联适当的电容器的方法提高感性负载电路的功率因数，这种方法不会改变负载原有的工作状态，但可利用电容和电感之间无功功率的互补性，减少电源与负载间交换的无功功率，从而提高电路的功率因数。,电容器C常称作补偿电容。感性负载与电容器并联电路如,图,2,一,17,(a)所示，图2一17(b)是其相量图。,上一页,下一页,返回,第一节 正弦交流电的基本概念,上一页,下一页,返回,第一节 正弦交流电的基本概念,并联电容器前后电路消耗的有功功率是相等的，所以并联,电容器前,并联电容器后,由相量图2一17(b)可知,上一页,下一页,返回,第一节 正弦交流电的基本概念,又因 代人上式可得,上一页,返回,第二节 电阻元件交流电路分析,一、电阻元件上电压和电流的相量关系,图,2,一,18,所示为一个纯电阻的交流电路，电压和电流的瞬时值仍然服从欧姆定律。在关联参考方向下，根据欧姆定律电压和电流的关系为,若通过电阻的电流为,则电压,上式中,即,上述两个正弦量对应的相量为,下一页,返回,第二节 电阻元件交流电路分析,两相量的关系为,此式就是电阻元件上电压与电流的相量关系式。,由复数知识可知，式(2一18)包含着电压与电流的有效值关系和相位关系，即,通过以上分析可知，在电阻元件的交流电路中,电压与电流是两个同频率的正弦量;,电压与电流的有效值关系为U=Rl;,在关联参考方向下，电队上的电压与电流同相位。,上一页,下一页,返回,第二节 电阻元件交流电路分析,图,2,一,19,(a),(b)所示分别是电阻元件上电压与电流的波形图和相量图。,二、电阻元件上的功率,在交流电路中，电压与电流瞬时值的乘积叫做瞬时功率，用小写的字母P表示，在关联参考方向下,正弦交流电路中电阻元件的瞬时功率,从式中可以看出p0，因为u,i参考方向一致，相位相同，任一瞬间电压与电流的值同为正或同为负，所以瞬时功率P恒为正值，表明电阻元件总是消耗能量，是一个耗能元件。电阻元件上瞬时功率随时间变化的波形如,图,2,一,20,所示。,上一页,下一页,返回,第二节 电阻元件交流电路分析,通常所说的功率并不是瞬时功率，而是瞬时功率在一个周期内的平均值，称为平均功率，简称功率，用大写字母P表示,正弦交流电路中电阻元件的平均功率,上式与直流电路功率的计算公式在形式上完全一样，但这里的U和1是有效值，P是平均功率。,一般交流电器上所标的功率，都是指平均功率。由于平均功率反映了元件实际消耗的功率，所以又称为有功功率。例如灯泡的功率为60W，电炉的功率为1 000W等都指的是平均功率。,上一页,返回,第三节 电感元件交流电路分析,一、电感元件,电感是用绝缘导线(例如漆包线、纱包线等)绕制而成的电磁感应元件，也是电子电路中常用的元器件之一，相关产品如共膜滤波器等。其在电路中的图形符号如,图,2-21,所示。,电感元件的电感量简称电感。电感的符号是大写字母L。,电感的SI单位为亨利(简称亨)，用符号H表示。实际应用中常用毫亨(mH)和微亨(wH)等。,我们常将电感元件也简称电感，这样“电感”一词既代表电感元件，也代表电感参数。,下一页,返回,第三节 电感元件交流电路分析,二、电压与电流的相量关系,图,2-22,所示电路是一个纯电感的交流电路，选择电压与电流为关联参考方向，则电压与电流的关系为,设电流 由 上式得,上一页,下一页,返回,第三节 电感元件交流电路分析,两正弦量对应的相量分别为,两相量的关系,上式就是电感元件上电压与电流的相量关系式。,由复数知识可知，它包含着电压与电流的有效值关系和相位关系，即,上一页,下一页,返回,第三节 电感元件交流电路分析,通过以上分析可知，在电感元件的交流电路中,电压与电流是两个同频率的正弦量;,电压与电流的有效值关系为U=X,L,I;,在关联参考方向下，电压在相位上超前电流90。,图,2,一,23(a,),(b)分别为电感元件上电压与电流的波形图和相量图。,把有效值关系式U=X,L,I与欧姆定律U=RI相比较，可以看出，X,L,具有电阻R的单位欧姆，也同样具有阻碍电流的物理特性，故称X,L,为感抗。,感抗X,L,与电感L,频率f成正比。当电感一定时，频率越高，感抗越大。因此，电感线圈对高频电流的阻碍作用大，对低频电流的阻碍作用小，而对直流没有阻碍作用，相当于短路，因此直流(f=0)情况下，感抗为。,上一页,下一页,返回,第三节 电感元件交流电路分析,当电感两端的电压U及电感L一定时，通过的电流I及感抗X,L,随频率I变化的关系曲线如,图,2,一,24,所示。,三、电感元件的功率,在电压与电流参考方向一致时，电感元件的瞬时功率为,上式说明，电感元件的瞬时功率也是随时间变化的正弦函数，其频率为电源频率的两倍，振幅为UI，波形如,图,2-25,所示。在第一个1/4周期内电流由0上升到最大值，电感储存的磁场能量也随着电流由零达到最大值，这个过程瞬时功率为正值，表明电感从电源吸取电能。第二个1/4周期内，电流从最大值减小到。，这个过程瞬时功率为负值，表明电感释放能量。后两个1/4周期与上述分析一致。,上一页,下一页,返回,第三节 电感元件交流电路分析,电感元件的平均功率为,电感是储能元件，它在吸收和释放能量的过程中并不消耗能量，所以平均功率为零。,为了描述电感与外电路之间能量交换的规模，引人瞬时功率的最大值，并称之为无功功率，用Q,L,表示，即,上一页,下一页,返回,第三节 电感元件交流电路分析,Q,L,也具有功率的单位，但为了和有功功率区别，把无功功率的单位定义为乏(Var)。,应该注意:无功功率Q,L,反映了电感与外电路之间能量交换的规模，“无功”不能理解为“无用”，这里“无功”二字的实际含义是交换而不消耗。以后学习变压器、电动机的工作原理时就会知道，没有无功功率，它们无法工作。,例2一12在电压为220V,频率为50Hz的电源上，接人电感L=0.0255 H的线圈(电阻不计)，试求:,(1)线圈的感抗X,L,。,(2)线圈中的电流I。,(3)线圈的无功功率Q,L,。,(4)若线圈接在f=5000 Hz的信号源上，感抗为多少?,上一页,下一页,返回,第三节 电感元件交流电路分析,例2一13 L=5mH的电感元件，在关联参考方向下，设通过的电流1=1 0A，两端的电压U=1101时为降压变压器;当KI,B,，而且当调节电位器RP使IB有一微小变化时，会引起Ic较大的变化，这表明基极电流(小电流)控制着集电极电流(大电流)，所以晶体管是一个电流控制器件，这种现象称为晶体管的电流放大作用。,三、晶体管的特性曲线,晶体管的特性曲线是用来表示晶体管各极电压和电流之间的相互关系的，它反映了晶体管的性能，是分析放大电路的重要依据。最常用的是共发射极接法时的输入特性曲线和输出特性曲线。,1.输入特性曲线,输入特性曲线是指当集射电压U,CE,为某一常数时，输入回路中的基射电压U,BE,与基极电流I,B,之间的关系曲线，用函数式表示为,上一页,下一页,返回,第三节 半导体三极管,图6一13,所示为某晶体管的输入特性曲线，可分为两种情况:,U,CE,=0时，C,E间短接，I,B,和U,BE,的关系，就是发射结和集电结两个正向二极管并联的伏安特性。,U,CE,增大时，输入特性曲线右移，这说明U,CE,对输入特性有影响，特性曲线右移表明，同样的U,BE,I,B,将减小。图6-13画出了U,CE,1 V时的输入特性曲线。UCE愈大，曲线愈向右移，但从UCE大于一定值(一般当U,SE,1 V)后，曲线基本重合，因此只需测试一条U,CE,1V的输入特性曲线。,可以看出，晶体管的输入特性曲线是非线性的，且有一段死区，只有在发射结外加电压大于死区电压时，晶体管才会出现I,B,。硅管的死区电压约为0.5 V，锗管为0.1一0.2V。晶体管导通时，其发射结电压,上一页,下一页,返回,第三节 半导体三极管,变化不大，硅管为0.6一0.7V，锗管约为0.3 V。这是检查放大电路中晶体管是否正常的重要依据，若检查结果与上述数值相差较大，可直接判断管子有故障存在。,2.输出特性曲线,输出特性曲线是在基极电流I,B,一定的情况下，晶体管输出回路中集射电压U,CE,与集电极电流，I,C,之间的关系曲线，用函数式表示为,图6一14,为某晶体管的输出特性曲线。在不同的几下，可得出不同的曲线，所以晶体管的输出特性曲线是一曲线簇。,上一页,下一页,返回,第三节 半导体三极管,当I,B,一定时，在U,CE,超过一定数值(约1V)以后，U,CE,继续增大时，I,C,不再有明显的增加，此时晶体管具有恒流特性。当I,B,增大时，相应的Ic也增大，曲线上移，而且I,C,比I,B,大得多。,通常把晶体管的输出特性曲线分为四个区域:,(1)截止区 I,B,=0时的曲线的以下区域称为截止区。I,B,=0时，Ic=I,CEO,(在表6一1中，I,CEO,10uA)。对于NPN型硅管U,BE,0.5 V时，已开始截止，但是为了截止可靠，常使U,BE,0o即发射结零偏或反偏，集电结也反向偏置。,(2)放大区输出特性曲线的近似水平部分是放大区。在该区域内，管压降U,CE,已足够大，发射结正向偏置，集电结反向偏置，Ic与I,B,成正比关系，即I,B,有一个微小变化，Ic将按比例发生较大的变化，这既体现了晶体管的电流放大作用，也体现了基极电流对集电极电流的控制作用。,上一页,下一页,返回,第三节 半导体三极管,(3)饱和区饱和区是对应于U,CE,较小的区域(U,CE,U,(BR)CE,。将可能导致晶体管损坏。,(3)发射极一基极反向击穿电压U,(BR)EBO,U,(BR)EBO,是指集电极开路时，允许加在发射极、基极之间的最高反向电压，一般为几伏至几十伏。,上一页,下一页,返回,第三节 半导体三极管,(4)集电极最大允许功耗P,CM,晶体管正常工作时，由于集电结所加反向电压较大，集电极电流Ic也较大，因U,CB,U,CE,，故将U,CE,I,c,作为集电极的功率损耗。根据管子工作时允许的最高温度，定出了集电极最大允许功率损耗P,CM,。晶体管在使用中应保证U,CE,I,c,P,CM,。根据PCM值，可在输出特性曲线上画出一条P,CM,线，称之为允许管耗线，如,图6一16,所示。使用时，P,c,超过极限值是不允许的。,上一页,返回,第四节 场效应晶体管,场效应晶体管，简称场效应管。由多数载流子参与导电，也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件。具有输入电阻高(1 00 000 0001 000 000 000、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽、热稳定性好等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。场效应管可应用于放大。由于场效应管放大器的输入阻抗很高，因此藕合电容可以容量较小，不必使用电解电容器。,场效应管可以用作电子开关。场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换。常用于多级放大器的输入级作阻抗变换。场效应管可以用作可变电阻。场效应管可以方便地用作恒流源。,下一页,返回,第四节 场效应晶体管,场效应管分结型、绝缘栅型(MOS)两大类。,按沟道材料:结型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种;,按导电方式:耗尽型与增强型，结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。,场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管，而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型;P沟耗尽型和增强型四大类。,上一页,下一页,返回,第四节 场效应晶体管,一、绝缘栅场效应管的结构及符号,绝缘栅型场效应管是由金属、氧化物和半导体组成的，因此又称为金属氧化物半导体场效应晶体管，简称MOS管。MOS管可分为增强型与耗尽型两种类型，每一种又分为N沟道和P沟道，即NMOS管和PMOS管。,图6一17(a),所示为N沟道增强型MOS管结构示意图。它是在P型硅薄片(作衬底)上制成两个掺杂浓度高的N区(用N+表示)，用铝电极引出作为源极S和漏极D，硅片表面覆盖一层薄薄的二氧化硅绝缘层，在源极S和漏极D之间的绝缘层上再喷涂一层金属铝作为栅极G，衬底也引出一个电极，通常与源极相连，这样就得到了一个MOS管。由于栅极与源极、漏极以及衬底之间是绝缘的，故是绝缘栅型器件。图6一17(b)是增强型N沟道绝缘栅场效应晶体管的图形符号，箭头向内表示N沟道。若采用N型硅作衬底，源极、漏极为P+型，则导电沟道为P沟道，其符号与N沟道类似，只是箭头方向朝外。,上一页,下一页,返回,第四节 场效应晶体管,上述增强型绝缘栅场效应晶体管只有在外电场的作用下才有可能形成导电沟道，如果在制造时就使它具有一个原始导电沟道，这种绝缘栅场效应晶体管称为耗尽型。N沟道耗尽型绝缘栅场效应晶体管的结构示意图和图形符号如,图6一18,所示。,二、绝缘栅场效应晶体管的特性,场效应晶体管的基本特性可以由它的转移特性曲线和输出特性曲线来详细描述。,1.N沟道增强型MOS管特性,(1)转移特性某增强型NMOS管的转移特性曲线如,图6一19(a),所示。它是描述当U,DS,保持不变时，U,GS,对ID的控制关系。从图中可以看出，当U,GS,U,GS(th),保持不变时，漏源电压U,DS,变化会引起漏极电流I,D,的变化，它们之间的关系称为输出特性，图6一19(b)为某增强型NMOS管的输出特性曲线。从图中可以看出，场效应晶体管可分为以下三个工作区:,可变电队区在该区域，U,DS,相对较小时，可不考虑U,DS,对沟道的影响，于是U,GS,一定时，沟道电阻也一定，故I,D,与U,DS,之间基本上是线性关系。U,GS,越大，沟道电阻越小，故曲线越陡。在这个区域中，沟道电队由U,GS,决定，故称为可变电队区。,上一页,下一页,返回,第四节 场效应晶体管,恒流区(饱和区)图6一19所示曲线近似水平的部分即为恒流区，它表示当U,DS,U,GS,-U,GS(th),时，输出电压U,GS,与漏极电流I,D,之间的关系。该区的特点是I,D,几乎不随U,DS,的变化而变化，I,D,已趋于饱和，具有恒流性质，所以这个区域又称饱和区。但I,D,受U,GS,的控制。U,GS,增大，沟道电队减小，I,D,随之增加。,.截止区当U,GS,U,GS(th),时，场效应晶体管工作在截止区，此时，漏极电流I,D,极小，几乎不随U,DS,变化。,另外，U,DS,较大时，场效应晶体管的I,D,会急剧增大，如无限流措施，管子将被损坏，该区域叫击穿区，此时，场效应晶体管已不能正常工作。,上一页,下一页,返回,第四节 场效应晶体管,2.N沟道耗尽型MOS管特性,与增强型相比，由于它的结构有所改变，因而使其控制特性有明显变化。在U,DS,为常数的条件下，当U,GS,=0时，漏、源极间已经导通，流过的是原始导电沟道的漏极电流I,DSS,。当U,GS,U,BEQ,时，则可将U,BEQ,略去，即,根据晶体管的电流放大特性可得,再根据图7一9所示的直流通路可得,上一页,下一页,返回,第二节 晶体管放大电路,2.动态分析,动态分析主要确定放大电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻等。,有输入信号时，晶体管的各个电流和电压瞬时值都含有直流分，量和交流分量，而所谓放大，只考虑其中的交流分量。动态分析最基本的方法是微变等效电路法。,(1)晶体管的微变等效电路微变等效电路法又称小信号分析法，它将晶体管在静态工作点附近进行线性化，然后用一个线性模型来等效，如,图7一10,所示。,(2)特性与分析我们从共射极接法的晶体管输入特性和输出特性两方面来分析。由图7一10(b)可以看出晶体管的输入特性曲线是非线性的，但在输入小信号时，选择合适的Q点，则Q点附近的工作段可近似为直线。当U,CE,为常数时，U,BE,与I,B,之比为,上一页,下一页,返回,第二节 晶体管放大电路,式中，r,be,称为晶体管的输入电阻。在小信号工作条件下，T,bc,是一个常数，因此晶体管的输入电路可用rbc来等效，如图7一10(d)所示。,低频小功率的r,be,可用下式估算:,式中，r,be,称为晶体管的输入电阻()；I,BQ,、I,CQ,、I,EQ,分别是基极、集电极、发射极电流的静态值(mA)。,图7一10(c)所示是晶体管输出特性曲线，在线性工作区是一组近似等距离平行的直线。当U,CE,为常数时，Ic与I,B,之比为,上一页,下一页,返回,第二节 晶体管放大电路,值就是晶体管共射极电流放大系数。在小信号工作条件下，是一个常数，它代表晶体管的电流控制作用，晶体管输出回路用受控恒流源i,c,=i,B,来代替，如图7一10(d)所示。在电子技术手册中常用h,fe,来代表。,(3)放大电路的微变等效电路由晶体管微变等效电路和放大电路的交流通路可得出放大电路的微变等效电路。,图7一11,(a)所示是放大电路的交流通路。对交流分量而言，C,1,C,2,可视为短路，直流电源也可视为短路，然后把交流通路中的晶体管用其微变等效电路代替，即得到放大电路的微变等效电路，如图7一11(b)所示。等效电路中的电压、电流都是交流分量。如果输入信号是正弦信号，则可用相量来表示，如图7一11(b)所示。,上一页,下一页,返回,第二节 晶体管放大电路,(4)交流参数的计算,电压放大倍数A,u,放大电路输出电压与输入电压的比值叫作电压放大倍数，定义为,由图7一11(b)可得,上一页,下一页,返回,第二节 晶体管放大电路,式中，负号表示输出电压与输入电压反相。如果电路中输出端开路(R,L,=),输入电阻r,i,放大电路对信号源(或前一级放大电路)而言，是一个负载，可以用一个动态电队来等效，这个动态电队就是放大电路的输入电阻r,i,。其定义为,上一页,下一页,返回,第二节 晶体管放大电路,输出电阻r,o,放大电路对负载(或后一级放大电路)而言，是一个信号源，其内队即为放大电路的输出电阻r,o,，它也是一个动态电队。在输入信号短路U,i,=0,(当U,i,为信号源U,S,和内阻Rs时，只令Us=0，保留Rs)和输出端开路(RL=)的条件下，在输出端加上电压U，若产生的电流为I，则,在放大电路中，一般要求输出电阻r,o,尽量小一些，以利于放大电路向负载提供更大的电流，提高放大电路的带负载能力。由图7-11(b)可得,上一页,下一页,返回,第二节 晶体管放大电路,例7一1,图7一12,所示为共射放大电路，试画出它的直流通路，求静态工作点，画出它的微变等效电路，计算其电压放大倍数、输入输出电阻。,解,(1)放大电路的直流通路如,图7一13,(a)所示，其静态工作点如下:,上一页,下一页,返回,第二节 晶体管放大电路,(2)放大电路的微变等效电路如图7一13(b)所示，其交流参数如下:,上一页,下一页,返回,第二节 晶体管放大电路,四、静态工作点稳定的分压式偏置电路,基本共射极放大电路结构简单，电压和电流放大作用都比较大，缺点是静态工作点不稳定。,静态工作点不稳定的原因很多，如电源电压波动、电路参数变化、晶体管老化等，但主要原因是晶体管特性参数(U,BE,、.I,CBO,)随温度变化造成的。,例如，当温度升高时，对于同样的I,BQ,输出特性曲线将上移。严重时，将使晶体管进入饱和区而失去放大能力，这是不希望的。为了克服上述问题，常使用如,图7一14,所示的分压式偏置电路。此电路的特点是:,上一页,下一页,返回,第二节 晶体管放大电路,(1)利用电阻R,b1,和R,b2,分压来稳定基极电位 设流过电阻R,b1,和R,b2,的电流分别为I,1,和I2且I1=I2+IBQ，一般IBQ很小,I1IBQ，可以近,似地认为I1I2，这样，基极电位为,所以基极电位vg由电压Uc。经Rb，和R62分压所决定，随温度变化很小。,(2)利用发射极电阻R。来获得反映电流IE变化的信号，反馈到输入端，实现工作点稳定。其过程为,通常 ，所以发射极电流,上一页,下一页,返回,第二节 晶体管放大电路,上一页,下一页,返回,第二节 晶体管放大电路,(1)静态工作点。,(2)输入电阻ri输出电阻r。和电压放大倍数Au。解图7-14所示电路的直流通路和微变等效电路如,图7-15,所示。,(1)由式(7一11)、式(7一12)可得,上一页,下一页,返回,第二节 晶体管放大电路,由图7一15(b)所示电路可计算其交流参数如下:,上一页,下一页,返回,第二节 晶体管放大电路,五、射极输出器,图7一16,所示是一个共集电极放大电路。其集电极直接接在电源上，对交流相当于接地，成为输入、输出回路的公共端，所以称为共集电极放大电路。又由于该电路从发射极输出信号，故又称为射极输出器。,1.静态分