1、第六章 常用半导体器件及应用,6.1 半导体简介 6.2 三极管基本应用电路 6.3 集成运放及其应用 6.4 直流稳压电源,本章要点,1.半导体的基本知识。 2.常用半导体器件特性及其在汽车中的应用 。 3.三极管基本应用电路。 4.稳压电路的组成以及汽车整流、调压电路。,第六章 常用半导体器件及应用,根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。导 体：109cm半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间。,6.1 半导体简介,典型的元素半导体有硅Si和锗Ge 及化合物半导体砷化镓GaAs等。,自由电子和空穴,自由电子,空穴, 半导体的材料, 半导体的载流子,P型半导体,N型半导
2、体,在杂质半导体中，因为掺杂，载流子的数量比纯净半导体有相当程度的增加，尽管杂质的含量很小，但对半导体的导电能力影响却很大，使之成为提高半导体导电性能最有效的方法。,杂质半导体, 两种半导体,一、半导体的基本特性, 杂敏特性, 热敏特性, 光敏特性,二、PN结及其单向导电性,多子的扩散运动,少子的漂移运动,P 型半导体,N 型半导体,形成空间电荷区PN结, PN结, PN结的单向导电性,PN结加正向电压（正偏）时导通；加反向电压（反偏）时截止的特性，称为PN结的单向导电性。,PN结,PN结,三、半导体二极管,1.二极管的结构、材料, 结构, 材料,硅、锗,图形符号,2.二极管的伏安特性, 正向
3、特性,死区电压： 硅管0.5V左右；锗管0.1V左右。,导通电压： 硅管为0.60.7V左右；锗管为0.20.3V左右。,死区电压,导通电压,反向电流：在一定温度下，当反向电压达到一定值后，反向电流饱和，基本保持不变。反向电流容易受温度的影响。, 反向特性,反向击穿：当反向电压达到一定数值时，反向电流急剧增加的现象称为反向击穿（电击穿）。若不加限流措施，PN结将过热而损坏，此称为热击穿。电击穿是可逆的，而热击穿是不可逆的，应该避免。, 反向击穿特性,3.二极管的使用常识, 型号, 主要参数,(1) 最大整流电流IF,(2) 反向击穿电压UBR和 最大反向工作电压UR,(3) 反向电流IR,(4
4、) 正向压降UF,(5) 最高工作频率fM,管脚和质量判别,4.特殊二极管, 稳压管,利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。,伏安特性,图形符号,主要参数： 稳定电压、稳定电流、最大允许耗散功率、动态电阻,汽车仪表稳压电路：,4.特殊二极管, 发光二极管,图形符号,工作电压一般在1.52.5V之间，工作电流在530mA之间，电流越大，发光越强。,外形,四、双极型三极管,1.三极管的结构、符号、分类, NPN型, PNP型,发射极 Emitter,集电极 Collector,基极 Base,2.三极管的电流放大作用,发射结正偏 集电结反偏,NPN管， VC VB
5、VE,PNP管， VE VB VC, 实现电流放大的外部条件,2.三极管的电流放大作用,穿透电流,交流电流放大系数，表示电流放大能力,IE=IB+ IC,当输入为变化量（动态量）时, 电流放大特性,当uCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线,当uCE1V时，特性曲线右移，同样的UBE下IB减小,三极管输入端存在死区,输入特性曲线,3.三极管的特性曲线,饱和区：iC明显受uCE控制，该区域内，uCE=uCES0.7V (硅管)。此时，发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。,放大区：iC平行于uCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。,截止区：iC接近零的区域，相当iB
6、=0的曲线的下方。此时， uBE小于死区电压，集电结反偏。,输出特性曲线,4.复合管,4.复合管,复合管又称达林顿管。,5.三极管使用常识, 主要参数,三极管的性能参数是工程上选用三极管的依据，其主要参数有：电流放大系数、极间反向电流以及极限参数等。,集电极最大允许电流ICM,最大集电极耗散功率PCM,反向击穿电压,螺栓型晶闸管,晶闸管模块,平板型晶闸管外形及结构,五、晶闸管简介,G,(c) 结构,(a) 外形,1. 外形、结构及符号,反向阻断,正向阻断,触发导通,触发导通,2. 晶闸管的工作状态,晶闸管导通的条件：,1. 阳极与阴极之间施加正向电压。2. 控制极与阴极之间加正向电压或正向脉冲
7、。,晶闸管关断的条件：,1. 使阳极电流减小到维持电流以下。2. 将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极间加反向电压。,注意：晶闸管导通后，控制极便失去作用。,导通时平均电压组别 共九级, 用字母AI表示0.41.2V,额定电压,用百位或千位数表示,额定正向平均电流(IF),型号,3. 型号和主要参数,UDRM: 断态重复峰值电压（晶闸管耐压值）,UF: 通态平均电压（管压降），一般为1V左右。,IH: 维持电流,UG、IG：控制极触发电压和电流，一般UG为1到5V，IG为几十到几百毫安。,主要参数,晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是它的主要缺点。,4. 晶闸管的保护, 过电流保护,电路
8、中接快速熔断器。,与晶闸 管串联,接在输入端,接在输出端,快速熔断器有三种接入方式,电路中加快速熔断器。当电路发生过流故障时，它能在晶闸管过热损坏之前熔断，切断电流通路，以保证晶闸管的安全。,与晶闸 管串联,接在输入端,接在输出端,快速熔断器有三种接入方式,过电流保护,将造成过电压的能量变成电场能量储存到电容中，然后释放到电阻中消耗掉。,晶闸管元件 的阻容保护,过电压保护,6.2 三极管基本应用电路,一、三极管基本放大电路,1. 共发射极放大电路,基极偏置电阻,集电极 负载电阻,耦合电容,耦合电容,输入回路,输出回路,1） 静态分析,静态：放大电路没有交流输入信号（ui=0）时的直流工作状态。
9、静态时，电路中只有直流电源VCC作用，三极管各极电流和极间电压都是直流值。,直流通路, 静态工作点,（1）画出直流通路,（2）列输入回路方程，求IBQ,（3）作直流负载线,静态工作点的图解分析法,（4）确定静态工作点Q,IBQ,Q,UCEQ,ICQ,2） 动态分析,动态：放大电路在有输入信号时（ui0）的工作状态称为动态。,RL=,由uo和ui的峰值（或峰峰值）之比可得放大 电路的电压放大倍数。,3） 性能指标, 交流通路,交流电流流经的通路，用于动态分析。 对于交流通路：大容量电容（耦合电容、旁路电容等）视为短路；大容量电感视为开路；直流电源视为短路。, 性能指标,（1）电压放大倍数,低频小
10、功率管的输入电阻rbe可用下式估算：,共射放大电路的电压放大倍数一般较大，通常为几十倍至几百倍。,输出电压与输入电压相位相反,交流负载等效电阻 RL= RC/RL, 性能指标,（2）输入电阻,输入电阻越大，放大电路的实际输入电压就越接近于所接信号源电压。,共射放大电路的输入电阻： ri=Rb/rbe （几百欧至几千欧 ）,（3）输出电阻,输出电阻越小，放大电路的带负载能力越强。,共射放大电路的输出电阻： ro=Rc（几千欧至几十千欧 ）,4） 放大电路的非线性失真, 饱和失真, 截止失真,2. 射极输出器,电路特点：,电压增益接近于1,输入电阻大， 对电压信号源衰减小,输出电阻小， 带载能力强
11、,二、功率放大电路,功率放大电路是一种能够向负载提供足够大的功率的放大电路。因此，要求同时输出较大的电压和电流。 管子工作在接近极限状态。一般直接驱动负载，带载能力要强。, 要求,（1） 输出功率足够大,（2） 效率高,（3） 非线性失真小, 特点,优点： 直接耦合，频率特性好。,双电源互补对称功率放大电路（OCL）,最大输出功率,单电源互补对称功率放大电路（OTL）,优点：单电源供电。,静态时：V1和V2均截止，由于电路对称，E点电位VE= VCC/2 ，电容C上的电压也等于VE= VCC/2 。动态时：输入信号正半周电源Vcc向T1管供电；输入信号负半周，电容C上存储的电压Vcc/2向T2
12、管供电。,最大输出功率,三、多级放大电路,常用的耦合方式:直接耦合、阻容耦合和变压器耦合。,输出,多级放大电路的框图,四、正弦波振荡电路,1. 振荡条件及基本组成,振幅平衡条件,相位平衡条件正反馈, 振荡条件, 振荡电路组成,放大电路：能量控制，保证输出信号的幅度；选频网络：确定输出信号为单一频率的正弦信号；反馈网络：引入正反馈；稳幅环节：使输出信号幅值稳定。,在分立元件放大电路中常依靠放大电路中晶体管的非线性作用实现，而不另加稳幅电路。,2. LC正弦波振荡电路,优点：耦合紧，振幅大；振荡频率高，调节范围宽。 缺点：输出波形不够好，含有高次谐波。,电感 三点式,谐振频率：,五、晶体管开关电路
13、,通过输入信号Ui控制三极管处于饱和导通或截止两种状态，从而能起到开关S的作用。, 作用,开关S,五、晶体管开关电路, 电路分析,Uo,VT,截止,饱和导通,接近VCC,三极管饱和导通电压,六、晶体管在汽车中的应用电路,汽油机用电子转速表电路,周期开闭，开闭频率与转速成正比,分电器触点闭合，C2充电,分电器触点断开，C2放电,电流平均值与分电器通断频率成正比,电磁感应式无触点电子点火控制电路,振荡电路,开关电路,功率放大电路,点火,6.3 集成运放及其应用,集成运算放大器（简称运放）是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。,一、集成运放简介,基本
14、结构,直接耦合,直接耦合,(1)输入级,对于高增益的直接耦合放大电路，提高质量的关键在输入级，因此要求其输入电阻大，能有效抑制零漂。集成运放的输入级通常采用差动放大电路。,温度变化和电源电压波动，都将使V1、V2集电极电流产生变化，且变化趋势是相同的，因此当从V1、 V2 集电极输出信号时，其变化量相互抵消，理想情况下，没有温漂，共模抑制比。,(2)中间级,中间级主要进行电压放大，要求有较高的电压放大倍数，一般由共发射极电路构成。,(3)输出级,输出级与负载相连，应具有较大的输出电压，较高的输出功率和较低的输出电阻，并具有过载保护。因此，一般采用射极输出器或互补功率放大电路。,(4)偏置电路,
15、偏置电路为各级提供合适的静态工作点。,主要性能指标,开环差模电压放大倍数AOD 共模抑制比KCMR 输入电阻rid 输出电阻ro -3dB带宽fh和单位增益带宽fc,理想运放,开环差模增益：,差模输入电阻：,输出电阻：,共模抑制比：,上限截止频率：,失调电压、电流及其温漂：均为0。,实际集成运放的特性很接近理想集成运放,二、集成运放的理想化条件及传输特性,线性区,非线性区,理想运放的图形符号,理想运放的传输特性,运放线性应用的必要条件,运放线性应用的分析要点,虚短,虚断,运放的同相输入端和反相输入端的电位“无穷”接近，好象短路一样，但却不是真正的短路。,Up=UN,运放的同相输入端和反相输入端
16、的电流趋于0，好象断路一样，但却不是真正的断路。,Ip=IN0,理想运放线性区放大倍数趋于无穷大，在输入端只要加一个非无穷小的电压，其输出就会超出其线性工作区，因此，只有电路引入负反馈，才能使其工作于线性区。, 运放线性应用的分析要领,1.信号运算,三、集成运放的典型应用, 反相输入放大电路,为了保持运放差放输入级的对称性，同相输入端的电阻R2为uI=0时反相输入端的等效电阻： R2= R1/ Rf 。,虚断,虚短, 同相输入放大电路,电压 跟随器, 差动输入放大电路（减法电路）,若：,则：, 加法电路,2.信号比较,单值电压比较器,电路,传输特性,过零电压比较器,输入输出波形,三、集成运放在
17、汽车中的应用,压敏电阻式进气压力测量电路,蓄电池欠压报警电路,64 直流稳压电源,一、直流稳压电源的组成,功能：把交流电压变成稳定的直流电压。,常用的直流稳压电源由电源变压器、整流、滤波以及稳压电路组成。,二、整流与滤波电路,1. 整流电路,整流电路的作用: 将交流电压转变为脉动的直流电压,整流原理：利用二极管的单向导电性,整流电路的两种类型：半波整流、全波整流,1. 整流电路, 单相半波整流,u 正半周，VaVb， 二极管VD导通；,u 负半周，Va Vb， 二极管VD 截止 。,uD2uD4,u 正半周，VaVb，二极 管 1、3 导通，2、4 截止 。,u 负半周，VaVb，二极 管 2
18、、4 导通，1、3 截止 。,uD1uD3, 单相桥式整流,每管承受的最高反向电压 UDRM,变压器副边电流有效值 I2,单相桥式整流电路的参数计算,整流电压平均值 Uo,整流电流平均值 Io,二极管电流平均值 ID,输出直流电压高； 脉动较小； 二极管承受的最大反向电压较低； 电源变压器得到充分利用。,半导体器件厂已将整流二极管封装在一起，制成的单相及三相整流桥模块称为桥堆，这些模块只有输入交流和输出直流引线。减少接线，提高了可靠性，使用起来非常方便。,桥式整流电路的优点,桥堆, 车用整流电路,整流二极管, 车用整流电路,电路及波形,2. 电容滤波电路,滤波：利用储能元件电容两端的电压(或通
19、过电感中的电流)不能突变的特性, 滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。方法：将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串联)。,三、直流稳压电路,稳压电路（稳压器）是为电路或负载提供稳定的输出电压的一种电子设备。,稳压管并联稳压电路,串联型稳压电路,集成稳压电路,稳压电路的基本类型：,UO = UZ IR = IO + IZ,RL(IO) IR ,设UI一定，负载RL变化, UO (UZ ) , IZ,限流调压,稳压电路,1. 稳压管并联稳压电路,2. 晶体管串联稳压电路,调整元件,比较放大,基准电压,取样电路,当由于电源电压或负载电阻的变化使输出电压U
20、O 升高时，有如下稳压过程：,UO,Uf ,UB ,UO,IC ,UCE ,3. 集成稳压电路,最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端,故称之为三端集成稳压器。,XX两位数字为输出电压值,（1. 25 37 V 连续可调）,输入与输出之间的电压不得低于3V！,0.11F,1F,为了瞬时增减负载电流 时，不致引起输出电压 有较大的波动。即用来 改善负载的瞬态响应。,抵消输入端接线 较长时的电感效应， 防止产生自激振荡。 改善波形。,固定输出, 应用电路,1.25V,保护二极管,可调输出,四、汽车电压调节电路,为使发电机输出电压在不同的转速下均能保持 在某一允许的范围内，必须装置电压调节器。, 晶体管调节器的组成,（1）信号检测部分（2）开关控制部分（3）电子开关部分,检出高于规定的供电电压,把来自信号检测部分的信号电压变换为控制电子开关通断的控制电压,按照控制电压的变化改变发电机激磁绕组的通断时间比例,JFT126、JTF246型调节器,点火开关,调节器,开关控制电路,信号检测,电子开关,发电机励磁,
