0. 绪言
0.1 什么是电子技术
电子元器件包括三个层面的技术:第一层是电子元器件的设计生产,第二层是利用电子元器件实现某种实际的功能,第三层是把若干个功能模块组成一个系统。
电子技术就是完成第二层面的工作,它的核心定义是,以集成电路、分立元器件等电子零部件为基础,设计生产出符合要求的功能电路或者独立小系统。
一般来讲,电子技术又被分为信息电子技术、功率电子技术(又叫电力电子技术)两类,前者以采集信息、处理信息、释放信息为核心,手机、电脑、医疗设备等都属于此类;后者以控制大功率设备为主,比如电 中的电能质量监测和改善、大功率电源、电动汽车等都属于此类。
在信息电子技术中,又包含模拟电子技术和数字电子技术。
0.2 模拟电子技术
对原始信 不进行数字化处理的电子技术,称为模拟电子技术。专门研究数字信 的运算处理的电子技术称为数字电子技术。
模拟电子技术一般分为信 的放大、信 的调理、信 的功率驱动、信 的产生,以及专门的电源技术。由于我们生活的世界中,存在的信 都是模拟信 ,我们的感官也只能接受模拟信 ,因此,无论数字电子技术怎样发展,它都不能取代模拟电子技术。比如我们现在使用的手机都是数字化手机,但是麦克风拾取说话声音,喇叭发出对方的说话声都是模拟技术在发挥作用。双麦克风降噪技术,可以把远处嘈杂背景音几乎全部去掉,而只保留主人说话的声音,就是一个典型的模拟技术应用。
2.2 双极型晶体管
如下图所示,晶体管中箭头方向代表了管子的类型:箭头向外的,是NPN型,箭头朝里的,是PNP型。因此,一个箭头起到了两个作用:第一, 标注了哪个管脚是发射极,第二,指明该晶体管是NPN还是PNP。
完成上述的基本定义后,给出晶体管表现出的最简单的规律:
- 晶体管的三个管脚的电流,永远满足KCL:iB + iC = iE
- 在晶体管处于放大状态下,它的集电极电流iC唯一受控于基极电流iB,而与C、E两端的电压uCE无关:iC = βiB
因此,晶体管其实就是一个受控电流源。
2.3 NPN型晶体管的伏安特性
描述一个电学器件的特性,最直观的方法就是了解其伏安特性。晶体管有三个引脚,因此晶体管的伏安特性一般有两种:输入伏安特性和输出伏安特性。
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截止状态
是指晶体管基极没有产生明显的电流,即lBQ 非常小,导致ICQ 也很小,就像整个晶体管没有导通一样。至于多么小算截止,取决于电路的具体要求。
一般情况下 ,当认定发射结零偏或者反偏,而集电结反偏时,为截止状态。 -
放大状态
是指晶体管处于lBQ 合适,且满足lCQ=βlBQ 的状态,在输出伏安特性图中,静态工作点处于放大区。这种状态是模拟电子技术最常使用的状态,此时,输入导致iB 变化,会相应引起iC变化。
一般情况下 ,当认定发射结正偏,且集电结反偏时,为放大状态。 -
饱和状态
饱和状态是指在晶体管;在输出伏安特性图中,进入了饱和区。此时,lCQBQ且随UCEQ变化。饱和状态容易被人理解为ICQ 太大,大到不能再大了。这是错误的,ICQ 很小时,也会进入饱和态。任何状态下,只要UCEQ小于UCES,晶体管就处于饱和状态。
在饱和状态下,再增加lBQ,ICQ则几乎不再增加,这是饱和的唯一关键特征。
一般情况下,当认定发射结正偏,集电结也正偏,为饱和状态。 -
倒置状态
除此之外,晶体管还有第4种奇异的状态,叫倒置状态。所谓的倒置状态,就是在放大电路中把集电极和发射极接反了。比如一个设计好的电路,按照晶体管管脚排列,正常接入就是放大电路,但是有人就粗心,把晶体管的管脚搞错了,该接集电极的插孔,接入了晶体管的发射极,而该接入发射极的插孔,就接成了集电极。这样,就使得电路中的晶体管处于了倒置状态。把它拔下来,c和e管脚颠倒一下,就好了。
由于晶体管在PN结拓扑上,集电极和发射极没有本质区别,因此这样接一般不会烧毁晶体管,只是此时的晶体管β下降非常严重。
一般情况下 ,当认定晶体管发射结处于反偏,集电结正偏时,为倒置状态。 -
对于输入伏安特性来说,回路电压就是3.2V,两个部件分别是RB和晶体管的发射结。
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电压放大倍数Au:
也叫做电压增益,也可以用G表示,无单位。当输入正弦波的峰峰值为ui,输出正弦波的峰峰值为uo,则放大倍数为:
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输出电阻ro:
指输出端带负载的能力。放大器不带负载时,其输出端具有的输出信 电压,叫空载电压,当放大器输出端接上负载后,一般情况下输出电压会下降。输出电阻越小的,这种下降越微弱。
因此,输出电阻越小,输出端的带负载能力越强。
这也能够解释这一现象:为什么有的电池直接量取其电压为1.5V,但一旦用此电池驱动负载后,再量取电池电压时,会发现电池电压下降的厉害,可能仅为0.5V。这是因为电池用太久后,其输出电阻变大,导致其带负载能力下降。 -
第一步,以晶体管微变等效模型为核心,针对原始电路画出动态等效电路
对原电路画出动态等效电路,可按如下要点进行:
① 对电路中的电压不变点,实施接地。
② 对电路中的大电容(10~100μF),实施短接。对电路中的小电容(几pF),实施开路。
③ 将晶体管用晶体管的动态模型代替。
④ 整理画出动态等效电路图
以下图电路为例,将其转换为动态等效电路
2.11 共基极、共集电极放大电路和PNP管电路
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上述中,前三种状态,是晶体管常见的工作状态:在模拟电路中,常工作于放大状态,避免出现截止或者饱和;而在数字电路中或者电力电子中,则期望晶体管或者处于截止状态,或者处于饱和状态,唯独不期望它出现放大状态。
下图中的实线箭头,绘出了NPN、PNP晶体管正常放大状态时的静态电流方向,暂称为”期望电流方向”。在电路中,晶体管外部的电源都是试图让晶体管产生电流的,把晶体管的任何两极之间视为电阻,则电源会产生一个”电源电流方向”。在一个电路中 ,当“电源电流方向”与晶体管的”期望电流方向” 吻合,则该电路属于放大结构。
子图(c)的电源电流方向与期望电流方向不一致,子图(e)中的电容阻断了基极的电源电流,子图(g)和子图(h)中不会产生基极电流。
学会了如何判断电路是否为放大结构后,我们继续按照流程图判断晶体管的工作状态。
2.8 图解法
一般来讲,求下图电路中的IBQ和UBEQ有三种方法:估算法、函数求解法、图解法。
2.8.3 两部件串联的图解法
部件A的伏安特性如图所示。
当然,上述两小节的输入伏安特性及输出伏安特性也可以采用两部件串联的图解法。
2.9 动态求解方法——以硅稳压管为例
2.9.1 硅稳压管简要介绍
硅稳压管是一种特殊二极管。特殊在于它的反向特性。
普通二极管反向击穿电压很高,且击穿特性并不是十分陡峭;硅稳压管(齐纳(zener)二极管),其正向特性与一般二极管近似,其反向特性中,第一,它的击穿电压一般比较低,可以小到几V,第二,它反向击穿时,曲线非常陡峭,且具有稳定,明显的击穿曲线。
由于它在正常使用(用于稳压)中工作在反向击穿状态,因此,其伏安特性可以反着画。
2.9.2 利用动态求解法求解变化量
电路如图所示,其中,UZO=8V, rZ=10Ω。问:当ui有±1V的变化量时,uZ的变化量是多少br>
2.10.2 动态分析的三个重要指标
2.10.3 动态分析的步骤
放大电路的动态分析,可分为如下三步: