光敏二极管一般有两种工作状态: (1) 当光敏二极管上加有反向电压时,管子中的反向电流随光强变化而正比变化; (2) 光敏二极管上不加反压,利用 PN 结在受光照(包括可见光、不可见光)时产生正向压降的原理,作微型光电池 使用。 光敏二极管主要用于自动控制。如光耦合、光电读出装置、红外遥控装置等。 1.5 在图 1.28 所示的电路中, VD 为理想二极管, 输入电压 UI=15 V,试判断各电路中二极管 VD 是导通还是截止, 并求输出电压 UO。 1 + UI _ VD R + UO _ + VD R + UO 5V _ + R VD + + UI R VD + UO 5V _ UI _ UI _ UO _ _ (a) (b) 图 1.28 题 1.5 图 (c) (d) 解: (a) 导通,UO =15V (b) 截止,UO =5V (c) 导通,UO = 0V (d) 截止,UO=15V 分析与提示:此题目的在于考察二极管的单向导电性,求解此类型电路,首先要判断二极管的工作状态,然后根据二极管的工作状态,给出相应的线性等效电路, 最后利用电路的有关理论和定理进行求解。 判断二极管导通还是截止,方法很多,比较有效的方法是假设~验证法。采用此种方法的步骤如下: 1.假设二极管截止,给出截止状态下的等效电路。 2.根据截止时的等效电路,求二极管两端的电压。 3.根据二极管两端的电压的极性,判断假设的正确性:若加正向电压,则结果与假设矛盾,二极管实际上导通;若加反向电压,则结果与假设相符,二极管实际 上截止。 该题求解并不难,但却涉及到非线性电路的求解问题。因为二极管和三极管等都是非线性元件,求解含有非线性元件的问题,一个重要的方法是首先将非线性元件 用特定条件下的线性元件代替,将含有非线性元件的电路转化为线性电路。然后利用线性电路的理论求解。 1.6 试用指针式万用电表的 R× 和 R× 挡分别测量一个二极管的正向电阻值,看看两次测量电阻值为多少?并用二极管的伏安特性曲线分析说明两次测量电阻值 10 1k 为什么不同。 (提示,万用表 R× 挡内阻小,R× 挡内阻大。 10 1k ) 答:万用表的电阻档内部结构可用理想电源 U 和内电阻 r 的串联电路等效。r 的大小随着测量档位的变化而变化,但都等于相应档位的中值电阻(中值电阻是万用表 指针指向表盘中间时的测量电阻) 。显然万用表 R× 档中值电阻小,R× 档中值电阻大,亦即 R× 档内阻小,R× 档内阻大。 10 1k 10 1k 指针式万用电表测量一个二极管的正向电阻值时的等效电路如图 1.6.1 所示, R 为二极管导通时的等效电阻,UR 为导通电压,则: U ? UR R (R ? r) ? U R (1 ? r R ) r + _U + UR1 _ 将上式整理得: R ? 1 U UR -1 r R 由二极管的伏安特性曲线可知,当二极管正向导通时,其导通电压近似为常数,即上式中的 U 可以看做常数,从而 R 与 r 近似成正比,由此得出结论:虽然是同一个 图 1.6.1 二极管,但万用表 R× 档测得的正向电阻小,R× 档测得的正向电阻大结果相差接近 10 倍。 10 1k 1.7 在图 1.29 所示的电路中,二极管导通时的正向电压降为 UD=0.7V,计算流过二极管的电流 ID。 解:首先判断图中二极管的工作状态。为此可假设其截止,则图 1.29 等效为图 1.29.1,此时电路中的电流为: 2k? + 10V _ ID VD _ 3k? _ UD 5V + 2k? + 10V _ I + U _ 3k? _ 5V + + 2k? I1 ID I2 3k? _ + + UD _ 5V 10V _ + 图 1.29 题 1.7 图 图 1.29.1 图 1.29.2 I? (10 ? 5)V (2 ? 3)k ? ? 3mA ,此时二极管两端的正向压降为: U ? (10 - 2 ? 3)V ? 4V ,或 U ? (3 ? 3 - 5 )V ? 4V ,显然 U>>UD,与假设矛盾,二极管实际上是导通的,正向 2 压降应为 UD=0.7V,则图 1.29 等效为图 1.29.2,此时二极管的正向电流为: I D ? I1 ? I 2 ? (10 - 0.7)V 2k ? ? (5 ? 0.7)V 3k ? ? 4 . 65 mA - 1.9mA ? 2.75mA 1.8 硅二极管电路如图 1.30 所示, 试分别用二极管的理想等效模型和恒压降等效模型计算电路中的电流 I 和输出电压 UO。 (1)当 U=1 V 时; (2)当 U=10 V 时。 UD + A I + U R 2k? UO _ O U R 2k? + A + UO _ O U + I R 2k? + A VD + I UO _ O 图 1.30 题 1.8 图 图 1.30.1 图 1.30.2 解:由图 1.30 和已知条件,不难判断二极管处于正向导通状态。 理想模型下,二极管正向电压为零,图 1.30 可等效为 图 1.30.1。 (1)当 U=1V 时, I ? ? U R U R ? ? 1V 2k ? 10V 2k ? ? 0.5mA ? 5mA ,UO =U= 1V; (2)当 U=10V 时, I ,UO=U= 10V; 恒压降模型下,硅二极管正向压降为 0.7V,图 1.30 可等效为 图 1.30.2。 (1)当 U=1V 时, I ? U -UD R U -UD ? (2)当 U=10V 时, I ? R 各起什么样的保护作用? ? 0.15mA ,UO =U.UD= 0.3V; 2k ? (10 - 0.7)V ? ? 4.65mA ,UO=U.UD = 9.3V; 2k ? (1 - 0.7)V 1.9 在直流微安表组成的测量电路中,常用二极管组成保护电路,以防过大电流损坏 μA 表头,试说明在图 1.31 中的二极管串、并联在电路中 解:二极管串在电路中起极性保护作用。若没有串联二极管,则当电压极性接反了,会使电流方向流动,表头指针反转,当电流过大时,反转 力矩会很大,有可能使微安表的指针被折断损坏。二极管串在电路中以后,一旦电压极性接反,二极管会截止,电路中没有电流,指针自然也不会 反偏,从而避免被折断损坏。 VD 二极管串在电路中起过流保护作用。当流过微安表的电流较小时,其两端电压不足以使二极管导通。当 电流足够大时,微安表两端的电压使二极管正偏导通,对电路总电流起分流作用,即多余的电流从二级管流 走,微安表两端最大电压为二极管的正向导通电压,该电压决定了流过微安表的最大电流。 + ?? _ + VD ?? _ 1.10 图 1.32 所示的电路中,发光二极管导通电压 UD=1.5V,二极管在正向电流 5~15mA 的范围才能 正常发光显示。试求电阻 R 的取值范围。 解:发光二极管导通时,其两端电压近似为常数,当电源电压一定时,流过二极管的电流受串联电阻 R 的大小的控制,所以这里的电阻又叫限流电阻。有图 1.32 不难看出: 图 1.31 题 1.9 图 R + 5V _ VDD + UD _ R ? 所 V DD - U D I 以 R max ? V DD - U D I min ? (5 ? 1 .5 ) V 5 mA ?0 ? ?7 ? 图 1.32 图 题 1.10 . 0 3 R min ? V DD - U D I max ? (5 ? 1 .5 ) V 15 mA ? 0.233k ? ? 233 ? 实际应用中,应取电阻的标称阻值,考虑电路的安全性,这里电阻的最大值应取比实际阻值稍小的标称阻值,使电流的最小值比要求值略大, 保证二极管正常发光。最小阻值应取比实际阻值稍大的标称阻值,使电流的最大值比要求值略小,保证二极管不会因电流过大而烧毁。故 R 的取值 范围在 240?~680?,据此返回重新计算正向电流的实际范围为:5.1mA~14.6 mA,满足设计要求。 1.11 图 1.33 所示的电路中稳压管的稳定电压 UZ=6V,最小稳定电流 IZmin=5mA,最大稳定电流 IZmax=25mA。 (1)分别计算 UI 为 10V、15V、35V 三种情况下输出电压 UO 的值; (2)若 UI=35V,且负载开路,电路会出现什么现象? 为什么? 分析与提示:此题目的在于考察稳压管的反向击穿特性,求解此类型电路,首先要判断稳压管的工作状态,然后根据稳压管的工作状态,给 出相应的线性等效电路,最后利用电路的有关理论和定理进行求解。 本题与 1.5 题类似,判断稳压管是击穿稳压还是反向截止,方法很多,比较有效的方法是假设~验证法。采用此种方法的步骤如下: 1.假设稳压管截止,给出截止状态下的等效电路。 2.根据截止时的等效电路,求稳压管两端的反向电压。 3.将求得的稳压管两端的反向电压与稳压管的稳定电压(反向击穿电压)进行比较,判断假设的正确性:若求得的电压比稳定电压小,则假 设正确,稳压管截止;若求得的电压比稳定电压大,则假设错误,稳压管实际处在击穿稳压状态。 本题涉及到非线性电路的求解问题。首先将非线性元件用特定条件下的线性元件代替,将含有非线性元件的电路转化为线性电路。然后利用 线性电路的理论求解。 解: (1)首先假设稳压管是反向截止的,此时图 1.33 所示电路等效为 图 1.33.1,由串联分压原理可求得稳压管两端的方向电压为: U ? UO ? 500 1000 ? 500 UI ? 1 3 UI 当 UI=10V 时,可求得 U=3.3V,此电压小于稳压管的稳定电压 6V,假设正确,稳压管可靠截止 UO=U=3.3V; 当 UI=15V 时,可求得 U=5V,此电压也小于稳压管的稳定电压 6V,假设正确,稳压管可靠截止 UO=U=5V; 当 UI=35V 时,可求得 U=11.7V,此电压大于稳压管的稳定电压 6V,假设错误,稳压管反向击穿,其两端电压为稳定电压 6V,电路等效为图 1.33.2 所示电路。此时负载 RL 上的电流为: IL ? UZ RL ? 6V 500 ? ? 12mA ,1k?限流电阻上的电流为: I? UI -UZ 1k ? ? ( 35 - 6 ) V 1k ? ? 2 9 mA ,所以通过稳压管的电流为: I Z ? I - I L ? (29 - 12) ? 17mA + UI _ ,该电流在稳压管允许的电流范围之内,稳压管可正常工作。 1k? UZ + UO RL 500? _ + UI _ 1k? u+ i + RL 500? _ UO 3V U 1.5V I O _ 1k? + UZ π _ + UO RL 500? _ ωt 2π 图 1.33 题 1.11 图 图 1.33.1 uoA 3V 1.5V O 图 1.33.2 (2)若 UI=35V,且负载开路,则稳压管首先被击穿稳压,UO=UZ=6V,但由于负载开路,1k? 限流电阻上的电流全部流过稳压管,该电流大于稳压管的最大稳压电流 25mA,所以稳压管被击穿 后很快就会因电流过大而被烧毁。稳压管被烧毁之后,可能有如下几种情况发生: 若稳压管被烧毁后断路,则 UO=35V。若稳压管被烧毁后短路,电压将全部加在限流电阻上, 如果此时电阻上的实际功率小于其额定功率,则 UO=35V;如果此时电阻上的实际功率大于其额定 功率,则电阻将很快会被烧毁断路,UO=0V。 π 2π ωt uoB 3V 1.12 图 1.34 所示的电路中, ui=1.5 sinωt(V) ,二极管具有理想特性, 试画 出开关 S 分别处于 A、B、C 时输出电压 uo 的波形。 解:由于二极管具有理想特性,所以只要其两端正向电压大于零就能导通。二 A S B + C 1.5V VD 1.5V O ωt uoC 1.5V O π ωt _ + + _ 1.5V ui _ + RL uo 1k? _ 4 2π -1.5V 图 1.34.1 极管导通后其两端电压为零,电路中的总电压全部输出给负载电阻 RL。 (1) 当开关处于 A 时,图 1.34 的电路等效为二极管整流电路。只输出 ui 的正半周。一周期内(3600) ,二极管导通角度 ? =1800。 (2) 当开关处于 B 时,ui 和 1.5V 直流电压顺向串联后被二极管整流。一周期内,二极管导通角度? =1800+600=2400。 (3) 当开关处于 C 时,ui 和 1.5V 直流电压逆向串联后被二极管整流。一周期内,二极管导通角度? =1800.600=1200。 设开关 S 分别处于 A、B、C 时输出电压 uo 的波形分别记为 uoA、uoB 和 uoC,则各输出电压波形如图 1.34.1 所示。 第2章 2.1 选择正确的答案填空 。 (1) 工作在放大区的某三极管, IB 从 15?A 增大到 25?A 时,C 从 2mA 增大到 3mA, 当 I 则其电流放大系数?约为 ( A.133 B.120 C.100 ) 。 C.反向击穿 ) 。 C.发射结正偏、集电结反偏 ) 。 ) 。 (2) 稳压管工作在正常稳压区时应该( A.正向导通 B.反向截止 (3) 三极管放大的外部偏置条件是( A.发射结和集电结均正偏 ) 。 B.发射结和集电结均反偏 (4) 场效应管的漏极电流 ID 从 1A 增加到 3A,它的跨导将( A.增大 B.减小 C.不变 (5) 要维持可控硅正常导通,在其导通后,控制极电压应( A.保持不变 分析与提示: B.去掉 C.适当增大 解: (1)C (2)C (3)C (4)A (1)B (1)本题意在考察电流放大系数的定义,它有直流放大系数和交流放大系数两种,在不特别指明的前提下,一般是指交 流放大系数,定义为集电极电流和基极电流变化量之比,故应选 C。 (2)本题意在考察稳压管的稳压特性。正常稳压时,稳压管应处在反向击穿状态。正向导通时,稳压管和二极管一样, 虽然此时也有稳压作用,但是其正向特性曲线倾斜度较大,动态电阻较大,稳压效果没有反向击穿时好,稳压值也只有约 0.7V,比一般稳压管的稳定电压低得多,故应选 C。 (3)本题意在考察三极管放大的条件:发射结正偏,集电结反偏,故应选 C。发射结和集电结均正偏时,相当于两个二 极管同向并联后加正向电压。发射结和集电结均反偏时,三极管处在截止状态。 需要注意的是:三极管饱和时,集电结仍然是反偏的;另外,三极管截止时,发射结不一定反偏,可以是零偏,即不加 偏置电压。当考虑发射结的死区电压时,即便是发射结正向偏置,但只要正向电压小于死去电压,三极管仍然是截止的。 (4)本题意在考察场效应管的跨导的定义及特性,有效应管的转移特性曲线可知,随着漏极电流的增大,曲线的陡度增 加,即单位栅源电压 uGS 的增加引起的漏极电流 iD 的增量变大,故答案选 A。 (5)本题意在考察可控硅(晶闸管)的控制特性。使可控硅导通的条件是:阳极加正向电压,同时门极加正向触发电压。 可控硅具有单向可控特性,门极控制信号只能控制其导通,不能控制其关断。可控硅导通后,触发电压撤销,其仍然会继续 导通。要使导通后的可控硅关断,只能将阳极电压减小为零,或者将阳极电压极性反转,故答案选 B。 2.2 测得两只处于放大状态的三极管的 3 个脚的电位分别是.8V、.3V、.3.2V 和 3V、3.7V、12V,试判断各管脚哪是基 极、发射极、集电极?并说明是 NPN 管,还是 PNP 管?是硅管还是锗管? 分析与提示:该题是考察处在放大状态的三极管电压分配规律的。以下规律要掌握: 1.基极电位总是居中的。据此可判断哪那个管脚是基极。 2.发射极与基极之间点位差值小于 1V。据此可判断哪那个管脚是发射极。对硅管而言,电位差值约 0.7V,对锗管而 言,电位差值约 0.2V。据此可判断制造管子的材料。 3.若为 NPN 管,则集电极点位是最高的;若为 PNP 管,则集电极点位是最高的;据此可判断管型。 解:由于三极管处在放大状态时,基极点位总是居中的,所以第一个管子电压为.3.2V 的管脚是基极,第二个管子电压 为 3.7V 的管脚是基极。 5 第一只管子电压为.3V 的管脚与基极点位相差 0.2V,该脚为发射极,该管为锗管;第二只管子电压为 3.7V 的管脚与基 极点位相差 0.7V,该脚为发射极,该管为硅管。余下的管脚自然是各管的集电极。 第一只管子的集电极点位为.8V,是三个脚中电位最低的管脚,所以该管为 PNP 型;第二只管子的集电极点位为 12V, 是三个脚中电位最高的管脚,所以该管为 NPP 型。 2.3 已知电路中三极管的各极电位值,判断图 2 . 4 9 中各 三极管工作在何种状态下? c 6V b 0.7V e 0V (a) c 12V b -1V e 3V (b) b 2V e 2.3V (c) c 2.2V 图 2.49 题 2.3 图 分析与提示:该题是已知三极管型号和各极电位,判断三极管的工作状态。 解: (a)由于发射结正偏,集电结反偏,所以该管处在放大状态。 (b)由于发射结反偏,所以该管处在截止状态。 (c)由于发射结正偏,集.射极电压只有 0.1V,所以该管处在饱和状态。 2.4 试 分 析 图 2 . 2 所 示 各 电 路 是 否 能 够 放 大 正 弦 交 流 信 号 ,简 述 理 由 并 将 错 误 改 正 。设 图 中 所 有 电 容对交流信号均可视为短路,输入信号源内阻为零。 VT VT VT VBB 图 2.50 题 2.4 图 分析与提示:该题意在考察三极管的放大条件。放大电路要实现对信号的不失真放大,必须同时满足如下条件: 1.电路中的三极管必须满足放大的条件,即发射结正偏,集电结反偏。 2.输入信号要能正常送入起控制作用。 3.放大后的输出信号要能顺利输出以供负载利用。 解 : a) 不 能 。 本 电 路 采 用 双 电 源 供 电 , 似 乎 满 足 放 大 的 条 件 , 实 际 不 然 。 请 注 意 , 该 电 路 中 基 ( 极 偏 置 电 压 VBB 是 和 输 入 交 流 信 号 源 直 接 并 联 的 , 输 入 信 号 源 内 阻 为 零 , 以 信 号 源 会 将 VBB 短 路 , 而 所 VBB 因 电 流 过 大 而 烧 毁 。 VBB 实 际 上 不 能 给 三 极 管 提 供 基 极 偏 置 电 压 。 另 一 方 面 , 由 于 VBB 的 内 阻 也 为 零 ,同 样 会 将 信 号 源 短 路 ,信 号 也 无 法 加 到 三 极 管 发 射 结 上 起 控 制 作 用 。也 就 不 可 能 有 放 大 信 号 输 出 。为 使 电 路 正 常 放 大 ,可 在 输 入 信 号 端 与 VBB 之 间 加 隔 直 耦 合 电 容 ,并 将 基 极 偏 置 电 阻 移 到 VBB 支 路 上 。同 时 为 了 避 免 负 载 电 阻 对 电 路 工 作 点 的 影 响 ,最 好 在 输 出 端 与 负 载 之 间 也 加 隔 直 耦 合 电 容 。如 图 2.50.1 所 示 。 ( b )能 。 本 电 路 采 用 单 电 源 供 电 ,不 仔 细 看 , 容 易 认 为 不 能 放 大 。注 意 该 电 路 中 的 三 极 管 为 P N P 型 ,且 发 射 极 在 上 面 ,发 射 正 偏 。只 要 Rb 和 Rc 取 值 合 适 ,集 电 结 也 反 偏 ,满 足 放 大 偏 置 条 件 。另 外 , 信号既可以输入起控制作用,放大后的信号也可以顺利取出供给负载。故可以正常放大。 6 ( c)不 能 。由 于 信 号 源 内 阻 为 零 ,基 极 直 流 电 压 会 被 输 入 信 号 源 短 路 ,三 极 管 处 在 截 止 状 态 ,故 不 能 正 常 放 大 。 可 在 输 入 信 号 端 与 三 极 管 基 极 之 间 加 隔 直 耦 合 电 容 , 如 图 2.50.2 所 示 。 +VCC -VCC RC C1 + C2 + C1 + VT Rb C2 + + VT + + ui _ Rb VBB uo _ ui VBB _ Re + uo _ 图 2.50.1 图 2.50.2 2 . 5 电 路 如 图 2.51 所 示 ,已 知 :V C C = 1 2 V,晶 体 管 饱 和 管 压 降 U C E S = 0 . 5 V, 电 流 放 大 系 数 ? = 5 0 , 输 入 信 号 uI 为 理 想 电 压 源 。 在 下 列 情 况 下 , 用 直 流 电 压 表 测 晶 体 管 的 集 电 极 电 位 分 别 为 多 少 ? (1)Rb1 短 路 ; (2)Rb1 开 路 ; (3)Rb2 开 路 ; (4)RC 短 路 ; (5)正 常 情 况 。 分析与提示:该题是考察电路参数变化对三极管工作状态的影响的。三极管有 三种工作状态。截止比较好判断,但对放大状态和饱和状态的判断有一定难度。有两 种方法可以采用: 1.比较电流法: (1)先假设三极管饱和,并求出集电极饱和电流 ICS。 (2)由基极偏置电路求出实际的基极电流 IB,并根据放大关系求出集电极电流 IC=IB。 (3)比较 ICS 和 IC 的大小,判断实际工作状态。若 IC>ICS,则假设正确,三极 管实际上也是处在饱和状态; ICUBEQ,则假设正确,三极管处在 放大状态;若 UCEQ ICS, 三 极 管 饱 和 , U C E Q = U C E S = 0 . 5 V 。 (3)若 Rb2 开 路 , 则 基 极 点 位 也 为 零 , 三 极 管 截 止 , ICQ=0, UCE Q=V CC=12V ; (4)若 RC 短 路 , 则 集 电 极 和 电 源 直 接 相 连 , UCEQ=VCC=12V; ( 5 ) 正 常 情 况 下 , 图 2 . 5 1 的 直 流 通 路 如 图 2 . 5 1 . 1 所 示 , 将 基 极 偏 置 电 路 用 戴 维 南 定 理 等 效 ,等 效 以 后 的 电 路 如 图 2.51.2 所 示 。 Rb2 RC VT VT VCC Rb VBB RC VCC Rb1 图 2.50.1 在 图 2.51.2 种 , 由 戴 维 南 定 理 可 得 : 图 2.50.2 V BB ? R b1 R b1 ? R b2 R b1 ? R b2 R b1 ? R b2 V CC ? 3.5 3.5 ? 51 ? 12V ? 0.77V Rb ? ? 3.5 ? 51 3.5 ? 51 k ? ? 3 .3 k ? I BQ ? V BB - U BEQ R b ? (0.77 - 0.7)V 3.3k ? ? 0 . 02 1mA ? 21 ? A 假设三极管正常放大,则: I CQ ? ? I BQ ? 50 ? 21 ? A ? 1050 ? A ? 1.05mA U CEQ ? V CC - I CQ ? R C ? (12 - 1.05 ? 5.1)V ? 6.6V 显然 U CEQ ? U BEQ ,即,正常情况下三极管处在放大状态,测得集电极直流电压约为 6.6V。 2.6 在图 2.14 所示放大电路中,已知:三极管为 NPN 型硅管,电流放大倍 数 ? = 1 0 0 , 输 出 特 性 曲 线 如 图 2.52 所 示 。 V CC ? 6 V , R b ?176k ? , iC (mA) 6 5 4 3 2 1 o 1 2 ICQ 图 2.52 Rb IBQ VT RC VCC 3 4 5 6 60?A 50?A 40?A 30?A 20?A 10?A uCE (V) R c ?1k ? ,分别用图解法和近似估算法求其静态工作点 Q。 解: (1)近似估算法 图 2.14.1 为图 2.14 的直流通路,由此可求出: I BQ ? V CC - U BEQ Rb ? (6 - 0.7)V 176k ? ? 30 ? A 题 2.6 图 I CQ ? ? I BQ ? 100 ? 30 ? A ? 3000 ? A ? 3mA 8 图 2.14.1 U CEQ ? V CC - I CQ ? R C ? (6 - 3 ? 1)V ? 3V (1)图解法 ① 由基极偏置电路求出静态基极电流 I BQ ? V CC - U BEQ Rb ? (6 - 0.7)V 176k ? ? 30 ? A ,在输出特性曲线上作 iC (mA) 6 5 4 3 2 1 o 1 2 3 4 5 Q M 60?A 50?A 40?A 30?A 20?A 10?A N 6 uCE (V) ② 根据集电极回路方程 U CEQ ? V CC - I CQ ? R C 直流负载线 MN,如图 2.52.1 所示。点 M(0,6)和 N(6,0)分别是直流负载线和 坐标轴的交点。 ③ 直流负载线 MN 和对应于基极电流为 30?A 的输出特性曲线的交点 Q 即 为所求的静态工作点,由图 2.52 可求出 Q 点的横坐标即为静态集电极电压 UCEQ=3V,Q 点的纵坐标为静态集电极电流 ICQ=3mA。 2.7 在 图 2.14 所 示 的 电 路 中 , 已 知 V CC ? 12 V , R R c b 图 2.52.1 ? 560 k ? , ? 5 k ? , ? ? 50 , r b b ? ? 200 ? ,用等效电路法分析 ? (1) 试估算放大电路的电压放大倍数 A u 、输入电阻 R i 和输出电阻 R o 。 (2) 调整基极偏流使 I CQ 增大,Q 点将如何变化,电压放大倍数如何变化。 (3) 若换上 ? ? 100 的三极管,其它参数不变,Q 点将如何变化。 (4) 若换上 ? ? 100 的三极管,调整电路基极偏置电阻 R b ,以保持 I CQ 不变,电压放大倍数如何变化。 分析与提示:求电压放大倍数须知道发射结交流等效电阻 rbe,而 rbe 与静态电流有关,所以,要求电压放大倍数,首先 要求静态电流。另外,题目中没有给出负载电阻的值,此时一般认为电路空载,RL=?, R ? ? R C //R L 解:(1) 首先由图 2.14.1 求出静态集电极电流 L ? RC。 I BQ ? V CC - U BEQ Rb ? (12 - 0.7)V 560k ? ? 20 ? A I CQ ? ? I BQ ? 5 0 ? 20 ? A ? 1000 ? A ? 1mA 图 2.14.2 为图 2.14 的交流通路,图 2.14.3 为图 2.14 的交流等效电路,由此可求得放大性能参数 rbe ? rb b ? ? ? A u ? ?? Ri ? ? UT I CQ ? 200 ? 50 ? 5 1.5 26 mV 1mA ? 1500 ? ? 1.5k ? RC r be ? ? 50 ? ? -167 R b ? rbe R b ? rbe ? R b // rbe ? rbe ? 1 . 5 k ? R o ? R c ? 5k? ic VT RC ib + + ii + RL b c uo _ ib Rb + ic RC e ui _ Rb ui _ rbe uo _ RL 图 2.14.2 图 2.14.3 9 (2) 由于本电路空载,交流负载线和直流负载线重合。放大过程中,随输入信号的变化,工作点 Q 将沿着交流负载线移 动。所以当调整基极偏流使 I CQ 增大, Q 点将沿交流负载线上移。 随着 Q 点上移,工作点将向饱和区移动,但只要 Q 点处在正常放大区域,电流放大系数?将为常数,而发射结交流等效 电阻 rbe 却随着 ICQ 的增大而减小( rbe ? rb b ? ? ? UT I CQ ) ,所以电压放大倍数将变大。由此得出结论,适当增加静态电流,可 以在一定程度上改善放大能力。 同时,由图 2.52.1 不难看出,当 Q 点接近饱和区时,相同的基极电流变化引起的集电极电流变化将变小,即电流放大 系数?将减小,从而导致电压放大倍数降低。当 Q 点进入饱和区时,集电极电流不再随基极电流变化,?=0,电路不再具备 放大能力。 (3) 若换上 ? ? 100 的三极管,其它参数不变,则基极电流不变,直流负载线也不变,所以集电极电流将增加,Q 点沿 交流负载线上移。 (4) 若换上 ? ? 100 的三极管,即电流放大系数?变为原来的两倍。调整电路基极偏置电阻 R b ,以保持 I CQ 不变,则发 射结交流等效电阻 rbe 不变。所以,电压放大倍数变为原来的两倍。 2.8 按 电 路 组 态 填 写 下 表 。 连接方式(填写 e、c、b) 电路名称 共射电路 共集电路 共基电路 解: 连接方式(填写 e、c、b) 电路名称 共射电路 共集电路 共基电路 公共极 e c b 输入极 b b e 输出极 c e c Au 大 小 大 性能比较(填写大、中、小) Ai 大 大 小 Ri 中 大 小 Ro 中 小 中 其它 主要用于放大 主要用于隔离 主要用于振荡 公共极 输入极 输出极 Au 性能比较(填写大、中、小) Ai Ri Ro 其它 2.9 电 路 如 图 2.53 所 示 , 晶 体 管 的 ?= 80。 ( 1) 求 静 态 工 作 点 IBQ、 ICQ、 UBEQ; ( 2) 求 发 射 结 交 流 等 效 电 阻 rbe; ? ( 3 ) 分 别 求 出 R L = ∞ 和 R L = 3 kΩ 时 电 路 的 A u 、 R i 和 Ro。 解: (1) 图 2.53 的 直 流 通 路 和 直 流 等 效 电 路 如 图 2.53.1 所示,由此可求得静态工作点 I BQ ? V CC ? U BEQ R b ? (1 ? ? )R e ? (15 ? 0 . 7 ) V ( 200 ? 81 ? 3 ) k ? ? 14 . 3 V 443 k ? ? 32 . 3 ? A 图 2.53 题 2.9 图 I CQ ? ? I BQ ? 80 ? 32.3 ? A ? 2.6mA U CEQ ? V CC ? (1 ? ? )I BQ R e ? V CC ? I CQ R e ? (15 - 2.6 ? 3)V ? 7.2V (3) rbe ? rb b ? ? ? UT I CQ ? 200 ? 80 ? 26 mV 2.6mA ? 1000 ? ? 1k ? 10 Rb VT Re VCC Rb B ICQ UBEQ E (b) C VCC Re (a) 图 2.53.1 共集电极放大电路的直流通路和直流等效电路 (b)直流等效电路 (a)直流通路 (3) 图 2 . 5 3 的 交 流 通 路 和 微 变 等 效 电 路 如 图 2 . 5 3 . 2 所 示 , 由 此 可 求 得 放 大 参 数 rbe + VT Rs + us _ + Re Rb _ Rs + ib e ie e + ibt rbe ? ibt e e iet e it e _ uo RL ui _ us + _ ui _ Rb ? ib e Re uo _ RL RS//Rb Re ut + (a) (b) (c) (c) 求输出电阻电路 图 2.53.2 基本共集电极放大电路的交流通路和微变等效电路 (b) 微变等效电路 (a) 交流通路 RL = 3k? 时, ? Au ? (1 ? β) R ?L rbe ? (1 ? β) R ?L ? 81 ? 3 //3 ) ( 1 ? 81 ? (3//3) ? 0 . 992 R i ? R b // [r be ? (1 ? β) R ?L ] ? 200 //[1 ? 81 ? (3//3)] ? 75.97k ? Ro ? rbe ? R S //R 1? ? b ? (1 ? 2//200)k ? 81 ? 37 ? RL =?时, ? Au ? (1 ? β) R ?L rbe ? (1 ? β) R ?L rbe ? R S //R 1? ? ? ? ? (1 ? β)R C C rbe ? (1 ? β)R ? 81 ? 3 1 ? 81 ? 3 ? 0 . 99 6 R i ? R b // [r be ? (1 ? β) R ?L ] ? R b // [r be ? (1 ? β)R C ] ? 200 //[1 ? 81 ? 3]k ? ? 109.9k ? Ro ? b ? (1 ? 2//200)k ? 81 ? ? ? ? 37 ? 2 . 1 0 设 图 2 . 5 4 所 示 电 路 ,已 知 : V C C = 2 5 V , ? = 5 0 , 其 它 参 数 如 图 中 所 示 , 输 入 电 压 为 正 弦 波 。 ( 1 ) A u1 ? U O1 U i ? ? , A u 2 ? U O 2 U i ? ? (2)画 出 输 入 电 压 ui 和 输 出 电 压 uo1、 uo2 的 波 形 ; 解 : (1)首 先 画 出 直 流 通 路 如 图 2.54.1, 并 由 此 求 出 rbe。 ? I BQ ? V CC ? U BEQ R b ? (1 ? ? )R UT I CQ e ? ( 25 ? 0 . 7 ) V (100 ? 51 ? 3 ) k ? UT I BQ ? 24 . 3 V 253 k ? ? 96 ? A 图 1.34.1 rbe ? rb b ? ? ? ? rb b ? ? ? 200 ? 26 mV 96 ? A ? 471 ? Rb Rc VT VCC 11 Re 图 2.54 的 交 流 通 路 和 微 变 等 效 电 路 如 图 2.54.2 所 示 , 由 此 可 求 得 放 大 参 数 ui + + VT RC + + rbe O π 2π ωt u o1 ui _ Rb Re + ui _ uo1 Rb + Re RC u o1 _ 2π O π u o2 _ _ ωt u o2 _ uo2 O ωt (a) (b) 图 2. 54.2 (a)交流通路 ? ? ? (b)交流等效电路 图 2. 54.3 A u1 ? U o1 ? ? ? Ic ? R c ? ? ? ?R c rbe ? (1 ? ? ) R e (1 ? ? ) R c ? ? ? 50 ? 3 0 . 47 ? 51 ? 3 ? ? 0 . 977 ? ? 1 Ui ? ? I b ? [ rbe ? (1 ? ? ) R e ] ? A u2 ? U o2 ? ? Ie ? R e ? ? 51 ? 3 0 . 47 ? 51 ? 3 Ui I b ? [ rbe ? (1 ? ? ) R e ] rbe ? (1 ? ? ) R e ? 0 . 997 ? 1 (2) 由 以 上 计 算 可 知 ,两 个 输 出 电 压 相 位 正 好 相 反 ,幅 度 近 似 相 等 ,且 都 近 似 输 入 信 号 的 幅 度 。 各 信 号 波 形 如 图 2.54.3 所 示 。 本 电 路 可 以 用 于 将 某 种 信号分成两个大小相等,极性相反的信号输出。 2.11 晶闸管的结构有什么特点?其导通条件是什么?导通后晶闸管的电流大小取决于什 么? 答: (1)晶闸管类型很多,但不论哪种结构形式的晶闸管,其内部都有一个硅半导体材料 做成的管芯,管芯由四层半导体(P1、N1、P2、N2)组成,形成三个 PN 结(J1、J2、J3) ,分别 从 P1、P2 和 N2 引出三个电极,依次为阳极 A、控制极 G 和阴极 K,如图 2.37 所示 (2)要使晶闸管导通,必须在阳极和阴极之间加正向电压,同时在门极和阴极之间加正 向触发电压。 (3)晶闸管导通后可近似为闭合的开关,所以通过其电流的大小取决于电源电压和负载 的大小。 2.12 单结晶体管的伏安特性是怎样的? 答:单结晶体管伏安特性就是它的发射极特性,即在基极 B2、B1,之间外加一 个固定电压 UBB(B2 接正、B1 接负),发射极电流 IE 与电压 UE 之间的关系曲线,即 iE=f(uE)| UBB=常数 伏安特性曲线如图 2.44 所示。可分为三段: (1)截止区。当外加电压 UE < UP =UA + UD = ?UBB + UD 时(UD 为 PN 结的 正向压降,一般取 UD = 0.7V),PN 结承受反向电压而截止,管子处于截止状态。对 应于这段的特性称截止区,如图 2.44 的 OP 段所示。 截止区 IE 饱和区 IV A P1 J1 N1 J2 G P2 J3 N2 K 图 2.37 晶闸管结构 负阻区 IP 0 o UV UP P UE 图 2.44 单结管伏安特性曲线 12 (2)负阻区。当 UE = UP = ?UBB + UD 时,PN 结承受正向电压而导通,发射极电流 IE 突然增大。这个突变点称为峰点 P。对应的电压 UE 和电流 IE 分别称为峰点电压 UP 和峰点电流 IP。 PN 结导通后, 从发射区(P 区)向基区(N 区)发出了大量的空穴型载流子, E 增加很快, 和 Bl 之间变成了低阻导通状态, I E 而使 E 和 Bl 之间的电压 UE 也随之而下降。这段特性曲线的动态电阻 ΔUE/ΔIE 为负值,故称作负阻区。 (3)饱和区。当发射极电流 IE 增大到某一数值时,电压 UE 下降到最低点。特性曲线上的此点称为谷点 V。与此点对 应的为谷点电压 UV 和谷点电流 IV。此后,若调节 UEE 使发射极电流继续增大时,发射极电压略有上升,但变化不大。谷点 右边的这部分特性称为饱和区。 由上述分析可见,峰点 P 和谷点 V 是双基极二极管工作状态的两个转折点: 当 UE≥UP 时,管子工作在导通状态; 当 UEUGS(th)时,随栅极电位的变化 iD 亦随之变化,这就是 N 型沟道增强 型绝缘栅场效应管的栅极控制作用。 图 2.29 和图 2.30 分别称为管子的转移特性曲线和输出特性曲线。iD 和 uGS 的近似关系为 ? u GS i D ? I DO ? ?U ? GS(th) ? ? 1? ? ? 2 (2.34) 其中,IDO 是 uGS=2UGS(Th)时的 iD。 输出特性曲线描述当栅.源电压 uGS 一定时,漏极电流 iD 与漏.源电压 uDS 之间的函数关系,即 i D ? f ( u DS ) u GS ? 常数 (2.35) 与双极型三极管类似,对应于一个 uGS,就有一条曲线,因此输出特性曲线为一族曲线。 在输出特性曲线中,可以将场效应管分为三个工作区: (1) 可变电阻区 这是 uDS 较小的区域。在该区域 uGS>UGS(th),且 uGD= uGS. uDS ≥UGS(th),场效应管内部漏-源极之间存在导电沟道,且厚 度较均匀,当 uGS 一定时,iD 与 uDS 呈线性关系,其相应直线的斜率受 uGS 控制,这时场效应管漏.源之间相当于一个受电压 uGS 控制的可变电阻,其电阻值为相应直线斜率的倒数。 13 (2) 放大区 这是 uDS 较大的区域。在该区域 uGS>UGS(th),且 uGD= uGS. uDS