《模拟电子技术》(第3版)课件与教案 第1章

合集下载
相关主题
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

第1章 半导体二极管及其应用
试确定图(a )、(b )所示电路中二极管D 是处于正偏还是反偏状态,并计算A 、B 、C 、D 各点的电位。

设二极管的正向导通压降V D(on) =。

解:如图E1.1所示,断开二极管,利用电位计算的方法,计算二极管开始工作前的外加电压,将电路中的二极管用恒压降模型等效,有
(a )V D1'=(12-0)V =12V >0.7V ,D 1正偏导通,
)7.02.22
.28.17.012(A +⨯+-=V
V B =V A -V D(on))V =6. 215V
(b )V D2'=(0-12)V =-12V <0.7V ,D 2反偏截止,有
V C =12V ,V D =0V
二极管电路如图所示,设二极管的正向导通压降V D(on) =,试确定各电路中二极管D 的工作状态,并计算电路的输出电压V O 。

解:如图E1.2所示,将电路中连接的二极管开路,计算二极管的端电压,有 (a )V D1'=[-9-(-12)]V =3V >0.7V ,D 1正偏导通
V O1
(b )V D2'=[-3-(-2
9)]V =1.5V >0.7V ,D 2正偏导通
V O2
图E1.2
(c)V D3'=9V>0.7V,V D4'=[9-(-6)]V=15V>0.7V,V D4'>V D3',D4首先导通。

D4导通后,V D3''=(0.7-6)V=-5.3V<,D3反偏截止,V O3。

二极管电路如图所示,设二极管是理想的,输入信号v i=10sinωt V,试画出输出信号v O的波形。

图E1.3
解:如图E1.3所示电路,二极管的工作状态取决于电路中的输入信号v i的变化。

(a)当v i<0时,D1反偏截止,v O1=0;当v i>0时,D1正偏导通,v O1=v i。

(b)当v i<0时,D2反偏截止,v O2=v i;当v i>0时,D2正偏导通,v O2=0。

(c)当v i<0时,D3正偏导通,v O3=v i;当v i>0时,D3反偏截止,v O3=0。

由此,可画出输入信号v i与输出信号v O1、v O2、v O3的波形,如图E所示。

图E1.3.1v i与v O1、v O2、v O3的波形
二极管电路如图(a)所示,输入信号v i(t)的波形如图(b)所示。

(1)设二极管是理想的,试画出v O(t)的波形。

(2)设二极管用恒压降模型等效(V D(on) =),试画出v O(t)的波形。

(3)设二极管用折线模型等效(V D(on) =,r D=20Ω),试画出v O(t)的波形。

图E1.4
解:如图E1.4(a )所示电路,二极管D 的工作状态取决于电路中直流电源与交流信号v i (t )的幅值关系。

断开电路中连接的二极管,其端口外加电压为,v D '=[v i (t )-6]V 。

(1) 由二极管的理想模型,有v O (t )的波形,如图E (b )所示,其中, 当v i (t )<6V 时,二极管反偏截止,v O (t )=6V ; 当v i (t )>6V 时,二极管正偏导通,
O 66V 3V 22()()
()[][]i i v t v t v t -=+=+
当v i (t )=10V 时,v O (t )=8V 。

(2) 由二极管的恒压降模型,有v o (t )的波形,如图E (c )所示,其中, 当v i (t )<6.7V 时,二极管截止,v O (t )=6V ;当v i (t )>6.7V 时,二极管导通,
V ]65.22)
([V ]627.6)([)(O +=+-=t v t v t v i i
当v i (t )=10V 时,v O (t )=7.65V 。

(3)由二极管的折线模型,有v O (t )的波形,如图E (d )所示,其中,
当v i (t )<6.7V 时,二极管截止,v O (t )=6V ; 当v i (t )>6.7V 时,二极管导通,
O 6710
2006V 281V 2002020021
().()[][().]i i v t v t v t -=⨯+≈+++
当v i (t )=10V 时,v O (t )≈ 。

1.5 二极管电路如图E1.5所示,取二极管正向导 通压降V D(on) =,i =102sin mV v t ω,C 对交流的容抗近似为零,试求二极管D 两端的交流电压v d 和流过二极管的交流电流i d 。

解:如图E1.5所示,分别用二极管的恒压降模型和交流微变小信号模型做等效变换,可将非线性的二极管视为线性参件,由叠加定理,有
I D =I Q =
5
.27
.05- 图E1.4.1 v i (t )与v O (t )的波形
图E1.5
d Q 26mV 26
151mA 172
.().r I =
Ω≈Ω≈Ω
dm 102500
[]mA 0.40mA 102500//15.1250015.1
=⨯≈++I
d 0.402sin mA ω≈i t
d d d ·0.4015.12sin t mV 62sin t mV ωω=≈⨯≈v i r
1.6 二极管电路如图E1.6所示,设二极管的正向导通压降V D(on) =,二极管的最大功耗P DM 为10mW ,要求电路在电源电压为5V ≤V DD ≤10V 的范围内变化时,二极管均正向导通,且流过二极管电流的最小值I D(min)=2mA 。

试确定电阻R 1和R 2的取值。

(提示:P DM =I D(max)·V D(on) )
解:如图E1.7所示,将电路中的二极管用恒压降模型等效,有
D(min)1250707
mA=2mA ..()I R R -=- D(max)1210070710
mA=mA 07
..(
).I R R -=-
解得
R 1≈407Ω,R 2≈82Ω
1.7 二极管半波整流电路如图E1.7所示。

变压器T r 、熔断器FU 、负载电阻R L ,设计取值合理。

试定性地分析,当二极管D :(1)开路;(2)短路;(3)接反时,电路的工作情况。

分析、解答:如图E1.7所示,
(1)当二极管D 开路时,输出电压为零;
(2)当二极管D 正常工作时,V O V 2;当二极管D 短路时,输出电压为v 2,负载电流约增加一倍多,熔断器熔断,输出电压为零;
(3)当二极管D 反接时,电路可以工作,但输出电压极性相反。

1.8 在图E1.8所示的单相桥式整流电路中,若V 2=400V ,R L =500Ω,试求:
图E1.7
图E1.6
(1)输出电压平均值,输出电流平均值,流经每个二极管的平均电流和每个二极管所承受的最大反向电压;
(2)若二极管D 1电极引线与电路连接处焊接不良,形成接触电阻R 1=100Ω,如图E 所示,则输出电流的平均值为多少?
解答:如图E1.8所示单相桥式整流电路,有 (1)V O(A V)=V 2=9×400V =360V
I O(A V)=V O(A V) /R L =(360 /500)A =
A 36.0A 72.021
21O(AV)D =⨯==I I ;
V DRM =2V 2≈2×400V ≈565.7 V
(2)如图E 所示,有
22O(AV)L 1L 0.450.450.454000.45400
()A 0.66A 500500100
⨯⨯=+=+=++V V I R R R
在图E1.9所示的单相桥式整流电路中若有一个二极管被断路、短路、反接,电路会出现什么情况?
解答:在图E1.9所示单相桥式整流电路中:
V 2;
若电路中有一个二极管(例如D 1)被短路,在电路工作的另一半时间(例如负半周)内,二极管(D 2)及(或)变压器的二次绕组(变压器)会被短路、烧毁;
若电路中一个二极管(例如D 1)被反接,在电路工作的一半时间(负半周)内,变压器二次绕组经对应的二极管(D 1、D 2)被短路,变压器的二次绕组及(或)对应的二极管(D 1、D 2)会因电流过大而被烧毁。

有一电阻性负载R L ,需直流电压24V ,直流电流1A ,若用单相桥式整流电路供电,求出电源变压器副边电压的有效值,并选择整流二极管。

解答:工程上一般取:
图E1.8.1
图E1.8
图E 1.9 单相桥式整流电路 (a )原理电路 (b )简化电路
(a)
(b)
V 2=V O / =24V / ≈26.7V ;
A 5.0A 121
21O D =⨯==I I ;
V DRM =2V 2≈2×≈37.8 V
电容滤波电路有什么特点?对负载有什么要求?电容应怎样选择? 解答:以图所示的桥式整流、电容滤波电路为例说明如下:
(1)电路是一种并联滤波电路,滤波电容与负载电阻直接并联,因此,负载两端的电压等于电容器C 两端电压。

电容的充放电过程在电源电压的每半个周期重复一次,因此,输出的直流电压波形更为平滑。

(2)适用于负载电流较小或基本不变的场合。

输出电压的平均值与R L C 值相关,R L C 值越大,则输出电压波动越小,输出电压平均值越大。

当负载R L 开路时,输出电压平均值最大,V O(A V)=2V 2;当滤波电容C 开路时,输出电压平均值最小,V O(A V)=V 2。

(3)为了获得较好的滤波效果,滤波电容器的电容要选得较大,通常取:
τ=R L C ≥(3~5)T/2
若电源频率为50H Z ,输出电压周期T =0.02s ,则
R L C ≥)s
C ≥L
L
001s 3535F 2.(~)(~)T R R =Ω()
() ;
电容耐压≥2V 2
1.12由理想二极管组成的电路如图E1.12所示,设v i =10sin ωt V ,试画出输出信号v O
的波形。

解:如图E1.12所示,二极管D 的工作状态取决于电路中直流电源与交流信号v i 的幅值关系。

由二极管的理想模型可知
当v i <5V 时,二极管反偏截止,v O =5V 当v i >5V 时,二极管正偏导通,v O =v i
由此,可画出输出信号v O 的波形,如图E1.12.1所示
图E 1.11 单相桥式整流、电容电路
3 在图3所示的二极管限幅电路中,已知输入信号为v i =10sin ωt V ,二极管的正向导通压降V D(on) =,试画出输出信号v O 的波形。

解:3所示,当v i 大于上限幅值(4+0.7)V 时,v O =4.7V ;当v i 小于下限幅值-(2+0.7)V 时,v O =-2.7V 。

由此,可画出输出信号v O 的波形,如图E3.1所示。

4 稳压管稳压电路如图4所示,电路设计合理,其中D Z1的稳定电压为6V ,D Z2的稳定电压为10V ,它们的正向导通压降为,试求各电路的输出电压值。

解:如图所示稳压管稳压电路,由稳压管的参数,有
(a )v O1=(6+10)V =16V ; (b )v O2=(6+0.7)V =6.7V ; (c )v O3
5 二极管电路如图5所示,电路设计合理,设v i =10sin ωt V ,稳压管D Z 的稳定电压为8V ,正向导通压降为,R 为限流、调整电阻,试近似地画出v O 的波形。

解:5所示的二极管电路,由输入信号和稳压二极管的参数可画出输出信号v O 的波形,如图E5.1所示。

6 发光二极管驱动电路如图6所示,已知发光二极管的正向导通压降V F =,工作电流
图E1.13
图E3.1 v i 的和v O 的波形
图E1.14
图E5.1 v i 的和v O 的波形 图E1.15
I F ≥5mA 即可发光,最大工作电流I FM =20mA 。

为使发光二极管正常工作,试确定限流电阻R 的取值范围。

解:6所示电路,依电路设计要求,有
CC F Fmax 5 1.6
k 170 20min V V R I --==Ω=Ω CC F Fmin 5 1.6
k 680 5
max V V R I --=
=Ω=Ω R 的取值范围为170~680Ω。

若考虑D 长期工作,取I F =2
1I FM =10mA ,则
34
K 34010
.R =
Ω=Ω,取E24系列标称值330Ω。

7 二极管电路如图所示,取二极管D 1、D 2为理想的恒压降模型,其正向导通压降V D(on)
=,试用Multisim 仿真软件求取其输出电压V O 的大小。

解:7所示电路,在电路实验窗口中搭建实验电路。

为使二极管的正向导通压降V D(on)=0.7V ,二极管选用了虚拟器件的二极管DIODE_VIRTUAL 。

启动仿真按钮后,测量仪表显示V O =- 。

结果与理论计算一致。

8 二极管限幅电路如图8所示,取二极管D 1、D 2为理想的恒压降模型。

其正向导通压降V D(on) =,设v i =102sin1000πt V ,试用Multisim 仿真软件求取其对应的输出电压的v o 的对应波形和上、下幅值。

图E1.17
图E1.16
图E1.18
Vi 10 Vrms 1kHz 0Deg
V13 V
V2
3 V
R13.0kΩD11N916
D21N916
XSC1
A B
Ext Trig
+
+
_
_
+_
+
-
Vo
解:8所示,搭建实验电路进行仿真。

测得,上限幅值为3.687V,下限幅值为-3.687V。

结果与理论计算基本相符。

二极管电路如图(a )所示,二极管D 的伏安特性曲线如图(b )所示,试用图解法求取I D 、V D 。

解:如图E1.5所示,二极管D 的直流负载线与纵轴和横轴的交点分别为
mA 4mA 5
.02
DD ==R V ,V DD =2V 由此,作直流负载线,如图E 所示。

由直流负载线与二极管D 的伏安特性曲线的交点(直流工作点)Q 可得,I D ≈2mA ;V D ≈0.7V 。

1.18 在路测量,测得小功率硅三极管各引脚的电位如图E1.18所示,试判断其工作状
态,并判断有哪几只已损坏。

解:如图E1.18所示
(a ) V C >V B >V E ,V BE =V BE(on)=0.7V ,发射结正偏,集电结反偏,三极管(硅NPN 型小功率管)工作在放大状态。

(b )V B <V E ,V C >V B ,发射结,集电结均反偏,三极管工作在截止状态。

(c )V C >V B >V E ,V BE >V BE(on)=0.7V ,三极管已损坏(发射结开路)。

(d )V E >V B >V C ,V BE =V BE(on)=-0.7V ,发射结正偏,集电结反偏,三极管(硅PNP 型小功率管)工作在放大状态。

(e )V B >V E ,V BE =V BE(on)=0.7V ,V B >V C ,发射结、集电结均正偏,三极管工作在饱和
图E1.18 图E
图E1.5
状态。

1.19 在路测量,测得放大电路中的四个三极管各引脚的电位如图E1.19所示,试判断这四个三极管的引脚(e 、b 、c ),它们是NPN 型还是PNP 型,是硅管还是锗管。

解:放大电路中三极管的各电极在路电位,如图E1.19所示
(a ) V 3>V 1>V 2,V 12=(3.5-2.8)V =0.7V ,③脚为c ,①脚为b ,②脚为e ;是NPN 型小功率硅管。

(b )V 3>V 2>V 1,V 21=(3-2.8)V =0.2V ;③脚为c ,②脚为b ,①脚为e ;是NPN 型小功率锗管。

(c )V 1<V 2<V 3,V 23=(11.3-12)V =-0.7V ;①脚为c ,②脚为b ,③脚为e ;是PNP 型小功率硅管。

(d )V 1>V 2>V 3,V 21=(11.8-12)V =-0.2V ;①脚为e ,②脚为b ,③脚为c ;是PNP 型的小功率锗管。

1.20 测得放大电路中的三极管各引脚的电流如图E1.20所示,试判断三极管的引脚(e 、b 、c ),它们是NPN 型还是PNP 型,电流放大系数β为多少?
解:放大电路中的三极管的各电极在路电流,如图E1.20所示
(a ) I 1=I 2+I 3,I 2>I 3,I 2、I 3流入三极管,I 1流出三极管,①脚为e ,②脚为c ,③脚为b ;是NPN 型小功率管;
5004
.02
B C ===
I I β (b )I 3=I 1+I 2,I 2>I 1,I 1、I 2流出三极管,I 3流入三极管;①脚为b ,②脚为c ,③脚为e ;是PNP 型小功率管;
10001
.01B C ===
I I β 1.21 三极管放大电路如图E1.21所示,设T 的V BE(on)=0.7V ,V CES =0.3V ,试分析采用
图E1.19
图E1.20
哪些方法可判断T 是否工作正常。

解:如图E1.21所示电路,用万用表检测三极管T 的三个电极的电位V C 、V B 、V E 即可判断T 是否正常工作。

若V C >V B >V E ,且V BE =V BE(on)=0.7V ,则T 正常工作在放大状态;
若V BE =V BE(on) =0.7V ,V CE =V CES =0.3V ,则T 工作在饱和状态;
若V B ≈0V ,V C ≈V CC ,则T 已损坏,发射结可能短路; 若V B ≈V CC ,V C ≈V CC ,则T 已损坏,发射结可能开路。

1.22 三极管电路如图E1.22所示,设T 的V BE(on)=0.7V ,V CES =0.3V ,β=50,D 的V D(on)=0.7V ,试分析、判断T 的工作区域。

解:三极管电路如图E1.22所示 (a )若T 工作在放大或饱和区,则:
V B =[V BE(on)+V D(on)≠1V ,
V C ≥[V CES +V D(on)
所以,T 不可能工作在放大或饱和区;
若T 工作在截止区,则
V B <[V BE(on)+V D(on)
所以,T 可能工作在截止区。

但,也不排除T 已损坏的可能:
(1)若三极管T 的发射结开路,V B 由外电路设置为+1V ,V C ≈+5V ; (2)若三极管T 的发射结短路、集电结开路(此种情况较少),则 V B =[V D(on)+ 0.3]V =(0.7+0.3)V =+1V ,V C ≈+5V 。

(b )三极管T 开始工作前,V BE ′=6V >V BE(on)=0.7V ,V CB ′=(12-6)V =6V >0, 即,V C ′>V B ′>V E ′,所以T 可能工作在放大或饱和区
若工作在放大区,则I B <I BS =βCS I ;若工作在饱和区,则I B >I BS =β
CS I。

图示电路中
mA 265.0mA 20
7
.06mA 20
6BE(on)
B =-=
-=
V I 图E1.21
图E1.22
mA 078.0mA 50
33
.012mA 312CES BS =⨯-=-=
βV I 显然,I B >I BS ,所以,三极管T 工作在饱和区。

1.23 三极管电路如图E1.23所示,设T 的V BE(on)=0.7V ,V CES =0.3V ,β=100,试求出各电路的I B 、I C 、V CE ,并分析、判断T 的工作状态。

解:如图E1.23所示电路 (a ) mA 104.0mA 51
7
.06b
BE(on)
BB B ≈-=
-=
R V V I mA 117.0mA 100
13
.012c CES CC BS =⨯-=-=
βR V V I
因为I B <I BS ,所以T 工作于放大状态
I C =βI B ≈
V CE =V CC -I C R c ≈
(b ) mA 202.0mA 56
7
.012V 12b
BE(on)
B ≈-=
-=
R V I mA 039.0mA 100
33
.012V 12c CES BS =⨯-=-=
βR V I
因为I B >I BS ,所以T 工作于饱和状态
V C =V CE =V CES
mA 9.3mA 3
3
.012V 12c CES CS C =-=-=
=R V I I
(c ) 三极管T 开始工作前,V BE ′=0,所以,三极管T 工作于截止状态,有
I B =I C =0 V C =V CE ≈5V
1.24 某三极管的P CM =100mW ,I CM =20mA ,V (BR)CEO =15V ,试问若设置其在下列几种情况下,哪种设置是正确的,哪种是不正确的,为什么?(1)V CE =3V ,I C =100mA ;(2)V CE =2V ,I C =40mA ;(3)V CE =20V ,I C =4mA 。

解:依三极管极限参数定义,有所谓三极管工作安全区:
图E1.23
P CM=i C v CE,I CM ,V(BR)CEO
(1)P CM′=i C v CE=(100×3)mW=300mW>P CM=100mW,在安全区外,故设置不正确;
(2)I C=40mA>I CM=20mA,在安全区外,故设置不正确;
(3)P CM′=i C v CE=(4×20)mW=80mW<P CM=100mW,但V CE>V(BR)CEO=15V,在安全区外,故设置不正确。

1.25四个场效应管的转移特性曲线如图E1.25所示,试分析、判断它们分别属于哪种类型的场效应管;对于耗尽型的,试指出其夹断电压V GS(off)及漏极饱和电流I DSS的大小;对于增强型的,试指出其开启电压V GS(th)的大小。

解:如图E1.25所示场效应管的转移特性曲线。

(a)N沟道结型场放效应管,V GS(off)=-4V,I DSS=4mA;
(b)N沟道耗尽型MOS场效应管,V GS(off)=-4V,I DSS=2mA;
(c)P沟道增强型MOS场效应管,V GS(th)=-2V;
(d)P沟道耗尽型MOS场效应管,V GS(off)=2V,I DSS=2mA。

图E1.25
1.26场效应管的输出特性曲线如图E1.26所示(图中漏极电流的参考方向与实际方向一致),试指出场效应管的类型;对耗尽型的试求出V GS(off) 和I DSS;对于增强型的,试求出V GS(th)。

图E1.26
解:如图E1.26所示场效应管的输出特性曲线
(a )N 沟道耗尽型MOS 场效应管,V GS(off) =-4V ,I DSS =2mA ; (b )P 沟道结型场效应管,V GS(off)=4V ,I DSS =4mA ; (c )P 沟道增强型MOS 场效应管,V GS(th)=-2V ; (d ) N 沟道增强型MOS 场效应管,V GS(th)=2V 。

1.27 三极管电路如图E1.27所示,试用Multisim 仿真软件按表E1.27的要求求取当V I 、R C 为不同数值时的V BE 、I B 、I C 、I E 、V CE 和β的数值,并将测量数据填入表E1.27中。

分析测量的结果,验证I B 、I C 、I E 间的关系;验证三极管处于截止、放大、饱和状态时的偏置条件;验证三极管处于截止、放大、饱和状态时的外电路特点。

表E1.27
R C =1k Ω
R C Ω
V BB /V
V BB /V
1 2 3 1 2 3 V BE (mV ) 500 688 730 735 500 688 690 691 I B (mA ) 0 0 I C (mA ) 10 12 I E (mA ) 10 12 V CE (V )
β
/
160
156
/
/
142
35
/
研究、分析:如图E1.27和表E1.27所示,比较、分析表E1.27的仿真测量数据可知: (1)不论V I 和R C 如何变化,始终有I E =I B +I C 。

(2)当V BE ≤0.5V ,V C >V B 、I B ≈0,三极管T 工作在截止区时,I C ≠0,有穿透电流I CEO
存在,但数值较小;当V BE >0.69V ,V C <V B 、V CE ≤0.17V ,三极管T 工作在饱和区时,I C 不受I B 的控制,I C ≠βI B ;当V C >V B >V E 、V BE ≥0.688V 、V CE >0.39V ,三极管T 工作在放大区



数 图E1.27
时,I C受I B的控制,I C=βI B,但β不是常量,只不过在小信号时,数值的变化不大。

(3)三极管T工作在放大状态时,发射结压降V BE不是一个常量,有一个I B,就有一个对应的V BE,或者说,有一个V BE,就有一个对应的I B,只不过V BE数值的变化范围不大;有一个I B就有一个对应的I C、一个对应的V CE,或者说,在放大电路中,I C、V CE受到I B的控制。

(4)当输入回路外电压V I数值小于0.5V时,不论R C为何值,三极管T都工作在截止状态;R C取值较大,三极管T更容易进入饱和区。

(5)线性的三极管估算法,仅适用于输入信号较小的小信号放大状态。

*由理想二极管组成的钳位电路分别如图(a)、(b)所示,设输入信号v i=10sinωt V,电容器C的初始电压为零。

试分别画出输出信号v O的对应波形,并说明输出信号被钳位的数值。

图E1.11
解:如图E1.11所示,当电路工作稳定时,图(a)所示的钳位电路将输入信号v i的波形向上平移了10V,输出信号的底部被钳位在0V、顶部被钳位在20V,由此可画出输出信号v O 的波形,如图E(b)所示;
图E1.11.1v i的和v O的波形
图(b)所示的电路将输入信号向下平移了8V,输出信号的底部被钳位在-18V、顶部被钳位在2V,由此可画出输出信号v O的波形,如图E(c)所示。

共阴极LED七段数码管BS201的示意图如图所示,它每一字符段的正向导通压降为,工作电流I F约为5~10mA。

设电路的驱动电压V DD约为5V,试求每一字符段串接限流电阻R 的取值范围;试问若要显示字符6,应点亮哪几个字符段。

解:依式()有
CC F Fmax 5 1.8
k320 10
min V V
R
I --
==Ω=Ω
CC F
Fmin 5 1.8
k640 5
max V V
R
I --
==Ω=Ω
R=320~640Ω
如图E1.15所示,若要显示字符6,应点亮a、c、d、e、f、g字
符段。

图E1.15。

相关文档
最新文档