电子教案《模拟电子技术》第3版王连英ppt 第1章.docx
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电子教案《模拟电子技术》第3版王连英ppt第1章
第1章 半导体二极管及其应用
1.1 试确定图E1.1(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VD(on)=0.7V。
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)VD1'=(12-0)V=12V>0.7V,D1正偏导通,
V=6.915V
VB=VA-VD(on)=(6.915-0.7)V=6.215V
(b)VD2'=(0-12)V=-12V<0.7V,D2反偏截止,有
VC=12V,VD=0V
1.2 二极管电路如图E1.2所示,设二极管的正向导通压降VD(on)=0.7V,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VO。
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)VD1'=[-9-(-12)]V=3V>0.7V,D1正偏导通
VO1=(-0.7-9)V=-9.7V
(b)VD2'=[-3-(-
)]V=1.5V>0.7V,D2正偏导通
VO2=(-0.7-3)V=-3.7V
(c)VD3'=9V>0.7V,VD4'=[9-(-6)]V=15V>0.7V,VD4'>VD3',D4首先导通。
D4导通后,VD3''=(0.7-6)V=-5.3V<0.7V,D3反偏截止,VO3=(0.7-6)V=-5.3V。
1.3 二极管电路如图E1.3所示,设二极管是理想的,输入信号vi=10sin
tV,试画出输出信号vO的波形。
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vi的变化。
(a)当vi<0时,D1反偏截止,vO1=0;当vi>0时,D1正偏导通,vO1=vi。
(b)当vi<0时,D2反偏截止,vO2=vi;当vi>0时,D2正偏导通,vO2=0。
(c)当vi<0时,D3正偏导通,vO3=vi;当vi>0时,D3反偏截止,vO3=0。
由此,可画出输入信号vi与输出信号vO1、vO2、vO3的波形,如图E1.3.1所示。
图E1.3.1 vi与vO1、vO2、vO3的波形
1.4 二极管电路如图E1.4(a)所示,输入信号vi(t)的波形如图E1.4(b)所示。
(1)设二极管是理想的,试画出vO(t)的波形。
(2)设二极管用恒压降模型等效(VD(on)=0.7V),试画出vO(t)的波形。
(3)设二极管用折线模型等效(VD(on)=0.7V,rD=20W),试画出vO(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vi(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,vD'=[vi(t)-6]V。
(1)由二极管的理想模型,有vO(t)的波形,如图E1.4.1(b)所示,其中,
当vi(t)<6V时,二极管反偏截止,vO(t)=6V;
当vi(t)>6V时,二极管正偏导通,
当vi(t)=10V时,vO(t)=8V。
(2)
由二极管的恒压降模型,有vo(t)的波形,如图E1.4.1(c)所示,其中,
当vi(t)<6.7V时,二极管截止,vO(t)=6V;当vi(t)>6.7V时,二极管导通,
当vi(t)=10V时,vO(t)=7.65V。
(3)由二极管的折线模型,有vO(t)的波形,如图E1.4.1(d)所示,其中,
当vi(t)<6.7V时,二极管截止,vO(t)=6V;
当vi(t)>6.7V时,二极管导通,
当vi(t)=10V 时,vO(t)≈7.57V 。
1.5二极管电路如图E1.5所示,取二极管正向导
通压降VD(on)=0.7V,
,C对交流的容抗近似为零,试求二极管D两端的交流电压vd和流过二极管的交流电流id。
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
ID=IQ=
mA=1.72mA
1.6 二极管电路如图E1.6所示,设二极管的正向导通压降VD(on)=0.7V,二极管的最大功耗PDM为10mW,要求电路在电源电压为5V≤VDD≤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ID(min)=2mA。
试确定电阻R1和R2的取值。
(提示:
PDM=ID(max)·VD(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
解得
R1≈407W,R2≈82W
1.7 二极管半波整流电路如图E1.7所示。
变压器Tr、熔断器FU、负载电阻RL,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,VO=0.45V2;当二极管D短路时,输出电压为v2,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V2=400V,RL=500W,试求:
(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D1电极引线与电路连接处焊接不良,形成接触电阻R1=100W,如图E1.8.1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)VO(AV)=0.9V2=9×400V=360V
IO(AV)=VO(AV)/RL=(360/500)A=0.72A
;
VDRM=
V2≈
×400V≈565.7V
(2)如图E1.8.1所示,有
1.9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:
若电路中有一个二极管被断路,则电路成为半波整流电路,输出电压会降低为0.45V2;
若电路中有一个二极管(例如D1)被短路,在电路工作的另一半时间(例如负半周)内,二极管(D2)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D1)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(D1、D2)被短路,变压器的二次绕组及(或)对应的二极管(D1、D2)会因电流过大而被烧毁。
1.10有一电阻性负载RL,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:
V2=VO/0.9=24V/0.9≈26.7V;
;
VDRM=
V2≈
×26.7V≈37.8V
1.11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7.2.2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RLC值相关,RLC值越大,则输出电压波动越小,输出电压平均值越大。
当负载RL开路时,输出电压平均值最大,VO(AV)=
V2;当滤波电容C开路时,输出电压平均值最小,VO(AV)=0.9V2。
(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=RLC≥(3~5)T/2
若电源频率为50HZ,输出电压周期T=0.02s,则
RLC≥(0.03~0.05)s
C≥
;
电容耐压≥
V2
1.12由理想二极管组成的电路如图E1.12所示,设vi=10sin
tV,试画出输出信号vO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vi 的幅值关系。
由二极管的理想模型可知
当vi<5V时,二极管反偏截止,vO=5V
当vi>5V时,二极管正偏导通,vO=vi
由此,可画出输出信号vO的波形,如图E1.12.1所示
1.13 在图E1.13所示的二极管限幅电路中,已知输入信号为vi=10sin
tV,二极管的正向导通压降VD(on)=0.7V,试画出输出信号vO的波形。
解:
如图E1.13所示,当vi大于上限幅值(4+0.7)V时,vO=4.7V;当vi小于下限幅值-(2+0.7)V时,vO=-2.7V。
由此,可画出输出信号vO的波形,如图E1.13.1所示。
1.14 稳压管稳压电路如图E1.14所示,电路设计合理,其中DZ1的稳定电压为6V,DZ2的稳定电压为10V,它们的正向导通压降为0.7V,试求各电路的输出电压值。
图E1.14
解:
如图所示稳压管稳压电路,由稳压管的参数,有
(a)vO1=(6+10)V=16V;
(b)vO2=(6+0.7)V=6.7V;
(c)vO3=(0.7+0.7)V=1.4V
1.15 二极管电路如图E1.15所示,电路设计合理,设vi=10sin
tV,稳压管DZ的稳定电压为8V,正向导通压降为0.7V,R为限流、调整电阻,试近似地画出vO的波形。
解:
如图E1.15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vO的波形,如图E1.15.1所示。
1.16 发光二极管驱动电路如图E1.16所示,已知发光二极管的正向导通压降VF=1.6V,工作电流IF≥5mA即可发光,最大工作电流IFM=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:
如图E1.16所示电路,依电路设计要求,有
R的取值范围为170~680Ω。
若考虑D长期工作,取IF=
IFM=10mA,则
,取E24系列标称值330Ω。
1.17 二极管电路如图E1.16所示,取二极管D1、D2为理想的恒压降模型,其正向导通压降VD(on)=0.7V,试用Multisim仿真软件求取其输出电压VO的大小。
解:
在Multisim软件中,按图E1.17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VD(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VO=-5.3V 。
结果与理论计算一致。
图E1.17
1.18 二极管限幅电路如图E1.18所示,取二极管D1、D2为理想的恒压降模型。
其正向导通压降VD(on)=0.7V,设vi=10
sin1000ptV,试用Multisim仿真软件求取其对应的输出电压的vo的对应波形和上、下幅值。
图E1.18
解:
在Multisim软件中,按图E1.18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E1.5(a)所示,二极管D的伏安特性曲线如图E1.5(b)所示,试用图解法求取ID、VD。
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
,VDD=2V
由此,作直流负载线,如图E1.5.1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,ID≈2mA;VD≈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)VC>VB>VE,VBE=VBE(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)VB<VE,VC>VB,发射结,集电结均反偏,三极管工作在截止状态。
(c)VC>VB>VE,VBE>VBE(on)=0.7V,三极管已损坏(发射结开路)。
(d)VE>VB>VC,VBE=VBE(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)VB>VE,VBE=VBE(on)=0.7V,VB>VC,发射结、集电结均正偏,三极管工作在饱和状态。
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)V3>V1>V2,V12=(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)V3>V2>V1,V21=(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)V1<V2<V3,V23=(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)V1>V2>V3,V21=(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?
图E1.20
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)I1=I2+I3,I2>I3,I2、I3流入三极管,I1流出三极管,①脚为e,②脚为c,③脚为b;是NPN型小功率管;
(b)I3=I1+I2,I2>I1,I1、I2流出三极管,I3流入三极管;①脚为b,②脚为c,③脚为e;是PNP型小功率管;
1.21 三极管放大电路如图E1.21所示,设T的VBE(on)=0.7V,VCES=0.3V,试分析采用哪些方法可判断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VC、VB、VE即可判断T是否正常工作。
若VC>VB>VE,且VBE=VBE(on)=0.7V,则T正常工作在放大状态;
若VBE=VBE(on)=0.7V,VCE=VCES=0.3V,则T工作在饱和状态;
若VB≈0V,VC≈VCC,则T已损坏,发射结可能短路;
若VB≈VCC,VC≈VCC,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VBE(on)=0.7V,VCES=0.3V,β=50,D的VD(on)=0.7V,试分析、判断T的工作区域。
图E1.22
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:
VB=[VBE(on)+VD(on)+0.3]V=(0.7+0.7+0.3)V=1.7V≠1V,
VC≥[VCES+VD(on)+0.3]V=(0.3+0.7+0.3)V=1.3V
所以,T不可能工作在放大或饱和区;
若T工作在截止区,则
VB<[VBE(on)+VD(on)+0.3]V=(0.7+0.7+0.3)V=1.7V
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,VB由外电路设置为+1V,VC≈+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
VB=[VD(on)+0.3]V=(0.7+0.3)V=+1V,VC≈+5V。
(b)三极管T开始工作前,VBE′=6V>VBE(on)=0.7V,VCB′=(12-6)V=6V>0,
即,VC′>VB′>VE′,所以T可能工作在放大或饱和区
若工作在放大区,则IB<IBS=
;若工作在饱和区,则IB>IBS=
。
图示电路中
显然,IB>IBS,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VBE(on)=0.7V,VCES=0.3V,β=100,试求出各电路的IB、IC、VCE,并分析、判断T的工作状态。
解:
如图E1.23所示电路
(a)
因为IB<IBS,所以T工作于放大状态
IC=βIB≈100×0.104mA=10.4mA
VCE=VCC-ICRc≈(12-10.4×1)V=1.6V
(b)
因为IB>IBS,所以T工作于饱和状态
VC=VCE=VCES=0.3V
(c)三极管T开始工作前,VBE′=0,所以,三极管T工作于截止状态,有
IB=IC=0
VC=VCE≈5V
1.24 某三极管的PCM=100mW,ICM=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)VCE=3V,IC=100mA;
(2)VCE=2V,IC=40mA;(3)VCE=20V,IC=4mA。
解:
依三极管极限参数定义,有所谓三极管工作安全区:
PCM=iCvCE,ICM,V(BR)CEO
(1)PCM′=iCvCE=(100×3)mW=300mW>PCM=100mW,在安全区外,故设置不正确;
(2)IC=40mA>ICM=20mA,在安全区外,故设置不正确;
(3)PCM′=iCvCE=(4×20)mW=80mW<PCM=100mW,但VCE>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VGS(off)及漏极饱和电流IDSS的大小;对于增强型的,试指出其开启电压VGS(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,VGS(off)=-4V,IDSS=4mA;
(b)N沟道耗尽型MOS场效应管,VGS(off)=-4V,IDSS=2mA;
(c)P沟道增强型MOS场效应管,VGS(th)=-2V;
(d)P沟道耗尽型MOS场效应管,VGS(off)=2V,IDSS=2mA。
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VGS(off)和IDSS;对于增强型的,试求出VGS(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,VGS(off)=-4V,IDSS=2mA;
(b)P沟道结型场效应管,VGS(off)=4V,IDSS=4mA;
(c)P沟道增强型MOS场效应管,VGS(th)=-2V;
(d)N沟道增强型MOS场效应管,VGS(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VI、RC为不同数值时的VBE、IB、IC、IE、VCE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IB、IC、IE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。
图E1.27
表E1.27
RC=1kΩ
RC=5.1kΩ
VBB/V
VBB/V
0.5
1
2
3
0.5
1
2
3
VBE(mV)
500
688
730
735
500
688
690
691
IB(mA)
0
0.016
0.064
0.113
0
0.016
0.066
0.116
IC(mA)
0.007
2.554
10
12
0.002
2.275
2.331
2.334
IE(mA)
0.007
2.571
10
12
0.002
2.291
2.397
2.450
VCE(V)
11.996
9.444
1.718
0.173
11.98
0.398
0.112
0.095
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VI和RC如何变化,始终有IE=IB+IC。
(2)当VBE≤0.5V,VC>VB、IB≈0,三极管T工作在截止区时,IC≠0,有穿透电流ICEO存在,但数值较小;当VBE>0.69V,VC<VB、VCE≤0.17V,三极管T工作在饱和区时,IC不受IB的控制,IC≠βIB;当VC>VB>VE、VBE≥0.688V、VCE>0.39V,三极管T工作在放大区时,IC受IB的控制,IC=βIB,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VBE不是一个常量,有一个IB,就有一个对应的VBE,或者说,有一个VBE,就有一个对应的IB,只不过VBE数值的变化范围不大;有一个IB就有一个对应的IC、一个对应的VCE,或者说,在放大电路中,IC、VCE受到IB的控制。
(4)当输入回路外电压VI数值小于0.5V时,不论RC为何值,三极管T都工作在截止状态;RC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。
1.11 由理想二极管组成的钳位电路分别如图E1.11(a)、(b)所示,设输入信号vi=10sin
tV,电容器C的初始电压为零。
试分别画出输出信号vO的对应波形,并说明输出信号被钳位的数值。
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vi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vO的波形,如图E1.11.1(b)所示;
图E1.11.1 vi 的和vO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vO的波形,如图E1.11.1(c)所示。
图E1.15
1.15 共阴极LED七段数码管BS201的示意图如图E1.15所示,它每一字符段的正向导通压降为1.8V,工作电流IF约为5~10mA。
设电路的驱动电压VDD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(1.5.1)有
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。
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