电工学14和15章教案讲解.docx
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电工学14和15章教案讲解.docx
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电工学14和15章教案讲解
电工学第七版
第14、15章教案
教案
授课时间
2014年2月24日 授课学时:
2学时
教学内容(章节)
前言14章半导体的导电特性;PN结;二极管
课型
新授课
教学目标
了解电子技术的发展历史和现状,了解半导体基础知识
教学重、难点
半导体二极管工作原理、特性曲线
教学方法及手段
以讲授为主,并加以举例;课堂适当提问和习题练习
教学准备
网络信息搜集电子技术相关的实例
教学过程
前言:
可以毫不夸张的说,人们现在生活在电子世界中。
电子技术无处不在:
近至计算机、手机、数码相机、音乐播放器、彩电、音响等生活常用品,远至工业、航天、军事等领域都可看到电子技术的身影。
电子技术是十九世纪末,二十世纪初开始发展起来的新兴技术,它在二十世纪的迅速发展大大推动了航空技术、遥测传感技术、通讯技术、计算机技术以及网络技术的迅速发展,因此它成为近代科学技术发展的一个重要标志。
一、半导体基础知识
导体:
自然界中很容易导电的物质称为导体,金属一般都是导体,例如铜、铁、铝。
绝缘体:
几乎不导电的物质,称为绝缘体,如橡皮、陶瓷、塑料、石英。
半导体:
导电性能介于导体和绝缘体之间,称为半导体,例如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。
半导体的导电特性:
1.当受外界热和光的作用时,它的导电能力明显变化。
(热敏性、光敏性)。
2.往纯净半导体中掺入某些杂质,会使其导电能力明显改变(掺杂性)。
二、本征半导体
1.本征半导体:
完全纯净的、结构完整的半导体晶体。
(用的最多的是硅和锗)
2.在本征半导体的晶体结构中,每个原子的一个价电子与另一个原子的价电子组成电子对,这对价电子是每个相邻原子所共有的,称为共价键。
3.本征半导体的导电机理
当半导体两端加上外电压时,在半导体中将出现两部分电流:
(1)自由电子作定向运动形成电子电流
(2)价电子递补空穴形成空穴电流
(3)载流子:
自由电子和空穴
三、N型半导体和P型半导体
1.N型半导体:
在硅或锗晶体中掺入少量的磷(或其它五价元素)。
2.P型半导体:
在硅或锗晶体中掺入少量的硼(或其它三价元素)。
3.N型半导体中自由电子是多数载流子空穴为少数载流子而在P型半导体中相反。
4.无论N型或P型半导体都是中性的,对外不显电性。
111111*********1111111
教学过程
四、PN结的形成及其单向导电性
1.PN结的形成
在一块N型(P型)半导体的局部再掺入浓度较大的三价(五价)杂质,使其变为P型(N型)半导体。
在P型半导体和N型半导体的交界面就形成一个特殊的薄层,称为PN结。
2.PN结的单向导电性
(1)PN结加正向电压(正向偏置),即电源正极接P区,负极接N区,P区多数载流子空穴和N区多数载流子自由电子在电场作用下通过PN结从而进入对方,形成较大的正向电流,此时PN结呈现低电阻,处于导通状态。
(2)PN结加反向电压(反向偏置)时,P区和N区的多数载流子受阻,难于通过PN结,但是P区的少数载流子自由电子和N区的少数载流子空穴在电场作用下却能通过PN结从而进入对方,形成反向电流,由于少数载流子数量少,所以反向电流较小,PN结呈现高电阻,处于截止状态。
五、二极管
1.基本结构
(1)PN结加上相应的电极引线和管壳就成为二极管。
(2)按结构分,二极管分点接触型、面接触型、和平面型三类。
点接触型:
PN结面积很小,不能通过较大电流,但其高频性能好。
面接触型:
PN结面积大,可以通过较大的电流,但工作频率较低,一般用于整流。
平面型二极管:
可用作大功率整流管和数字电路中的开关管。
2.伏安特性
(1)二极管加正向电压,二极管处于正向导通状态,正向电阻较小,正向电流较大。
(2)二极管加反向电压,二极管处于反向截止状态,反向电阻较大,反向电流很小。
(3)外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿,失去单向导电性。
(4)二极管的反向电流受温度的影响,温度愈高反向电流愈大。
3.主要参数
(1)最大整流电流IOM
最大整流电流是指二极管长时间使用时,允许流过二极管的最大正向平均电流。
(2)反向工作峰值电压URWM
它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压,一般是反向击穿电压的一半或者三分之二。
(3)反向峰值电流IRM
它是指在二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流。
它越大说明二极管的单向导电性能差,并且受温度影响大。
(4)二极管的应用:
主要利用它的单向导电性,用于整流、检波、限幅、元件保护及数字电路中的开关元件等。
练习设计
教学反思
注:
1.每2学时至少制定一个教案。
2.课型包括新授课、练习课、复习课、讲评课、实验课等。
3.上新课和新上课的教师要求写详案。
4.要求教师每学期上交教案。
教案
授课时间
2014年2月28日 授课学时:
2学时
教学内容(章节)
14.4稳压二极管14.5双极型晶体管14.6光电器件
课型
新授课和习题
教学目标
掌握稳压管特点、熟悉半导体三极管工作原理、特性曲线和主要参数。
教学重、难点
双极型极管工作原理、特性曲线
教学方法及手段
以讲授为主,并加以举例;课堂适当提问和习题练习
教学准备
网络听课学习教学方法
教学过程
一、稳压管
1.稳压二极管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。
由于它在电路中与适当数值的电阻配合后能起到稳定电压的作用,故称为稳压二极管。
2.稳压二极管的符号
3.稳压二极管的特性曲线与普通二极管的特性曲线类似,不同的是稳压二极管的反向特性曲线比较陡。
反向击穿电压较低。
工作在反向击穿区,反向击穿可逆,但如果反向电流超过允许范围,会发生热击穿而损坏。
4.稳压二极管主要参数
(1)稳定电压UZ:
稳压二极管正常工作下管子两端的电压.
(2)电压温度系数αU:
说明稳压值受温度变化影响的系数。
(3)动态电阻rz:
稳压二极管端电压变化量与相应的电流变化量的比值。
(4)最大允许耗散功率PZM:
管子不致发生热击穿的最大功率损耗PZM=UZIZM
二、双极型晶体管
1.基本结构(由两个PN结构成的)
按材料分:
硅管、锗管;
按功率大小分:
大、中、小功率管;
2.电流分配和放大原理(共发射极电路)
(1)发射区向基区扩散电子
(2)电子在基区扩散和复合
(3)集电区收集从发射区扩散过来的电子
3.特性曲线
(1)输入特性曲线:
当集-射极电压UCE为常数时,输入电路中基极电流IB与基-射极电压之间UBE之间的关系曲线IB=f(UBE)。
(2)输出特性曲线:
当基极电流为常数时,输出电路中集电极电流IC与集-射极电压UCE之间的关系曲线IC=f(UCE)。
4.晶体管的三个工作区特点(图三):
放大区:
发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置。
即IC=βIB,且IC=βIB
饱和区:
发射结处于正向偏置,集电结也处于正偏。
IC<βIB,,IC≈UCC/RC,,UCE≈0
截止区:
发射结处于反向偏置,集电结也处于反向偏置。
IC=ICEO≈0,UCE≈UCC
111111*********1111111
教学过程
5.三极管主要参数
(1)β可从输出特性曲线上求出,小功率管β=10~200,一般采用30~80的管子。
(2)ICBO 集电极-基极反截止电流:
少数载流子的漂移运动所形成的电流,受温度影响大,温度升高则ICBO增大。
(硅管ICBO<1µA,锗管约为10µA)。
(3)ICEO 集电极-发射极反向截止电流,受温度影响较大。
ICEO=(1+)ICBO,选用管子希望ICBO、ICEO尽量小,减小温度的影响。
硅管比锗管稳定,在实际中用得较多。
(4)ICM集电极最大允许电流:
集电极电流IC上升会导致三极管的β值的下降,当β值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。
(5)U(BR)CEO集电极-射极反向击穿电压:
基极开路时,加在集-射极之间的最大允许电压,称为集-射极反向击穿电压。
(6)PCM集电极最大允许耗散功率:
由于集电极电流在流经集电结时将产生热量,使结温升高,从而引起晶体管参数变化。
当晶体管因受热而引起的参数变化不超过允许值时,集电极所消耗的最大功率。
(主要受结温的Tj限制)
三、光电器件
1.发光二极管:
电能转化为光能
2.光电二极管:
光能转化为电能
3.光电晶体管:
光能控制集电极电流
4.光电器件用途:
(1)LED是发光二极管,T是光电晶体管,两者可以耦合。
(2)发光二极管和光电二极管也可以耦合。
四、本章内容小结:
1.半导体材料中有两种载流子:
电子和空穴。
电子带负电,空穴带正电。
在纯净半导体中掺入不同的杂质,可以得到N型半导体和P型半导体。
2.采用一定的工艺措施,使P型和N型半导体结合在一起,就形成了PN结。
PN结的基本特点是单向导电性。
3.二极管是由一个PN结构成的。
其特性可以用伏安特性和一系列参数来描述。
4.三极管工作时,有两种载流子参与导电,称为双极型晶体管。
5.三极管是一种电流控制电流型的器件,改变基极电流就可以控制集电极电流。
6.三极管管特性可用输入特性曲线和输出特性曲线来描述。
7.三极管有三个工作区:
饱和区、放大区和截止区。
五、14章课后习题
14.3.8----二极管的应用
14.4.3----稳压管的应用
14.5.8----晶体管
14.6.1----发光二极管及综合
练习设计
教学反思
注:
1.每2学时至少制定一个教案。
2.课型包括新授课、练习课、复习课、讲评课、实验课等。
3.上新课和新上课的教师要求写详案。
4.要求教师每学期上交教案。
教案
授课时间
2014年3月3日 授课学时:
2学时
教学内容(章节)
15.1共发射极电路的组成;15.2放大电路的静态分析
课型
新授课
教学目标
掌握放大电路的特点及作用,了解放大电路静态工作电路和分析方法。
教学重、难点
静态值计算,设置合适的静态工作点的意义;
教学方法及手段
以讲授为主,并加以举例;课堂适当提问和习题练习
教学准备
网络听课学习教学方法
教学过程
一、共发射极电路的组成
共发射极基本电路的输入端接交流信号源,输入电压ui,输出端接负载电阻,输出电压uo电路中各原件作用:
1.晶体管T:
放大电路中的放大原件。
利用它的电流放大作用,在集电极电路获得了放大的电流,该电流受输入信号控制。
2.集电极电源UCC:
为输出信号提供能量,并保证集电结处于反向偏置。
3.集电极负载电阻RC:
主要将集电极电流的变化转化为电压的变化。
4.偏置电阻RB:
使发射结处于正向偏置,提供大小适当的基极电流IB,获得合适工作点。
5.耦合电容C1和C2:
一方面起到隔直作用,C1用来隔断放大电路与信号源间的直流通路,C2用来隔断放大电路与负载之间的直流通路,使三者之间无直流联系互不影响。
另一方面起到交流耦合作用,保证交流信号畅通无阻的经过放大电路。
二、共射放大电路的电压放大作用
1.无输入信号(ui=0)时:
uo=0;uBE=UBE;uCE=UCE即三极管各电极都是恒定的电压和电流:
IB、UBE和IC、UCE。
(IB、UBE)和(IC、UCE)分别对应于输入、输出特性曲线上的一个点,称为静态工作点。
2.加上输入信号电压后,各电极电流和电压的大小均发生了变化:
uo≠0;uBE=UBE;+ui;uCE=UCE+ui
3.若参数选取得当,输出电压可比输入电压大,即电路具有电压放大作用。
4.输出电压与输入电压在相位上相差180°,即共发射极电路具有反相作用。
5.结论:
(1)实现放大的条件
晶体管必须工作在放大区:
发射结正偏,集电结反偏。
正确设置静态工作点,使晶体管工作于放大区。
输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流。
输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电极电压。
(2)直流通路和交流通路
直流通路:
无信号时电流的通路,用来计算静态工作点。
交流通路:
有信号时交流分量的通路,用来计算电压放大倍数、输入电阻、输出电阻
111111*********1111111
教学过程
三、放大电路的静态分析
1.静态:
是当放大电路没有输入信号时的工作状态;
2.静态分析就是确定放大电路的静态值(直流值)。
IB、IC、UCE、UBE。
3.分析方法:
估算法、图解法
4.分析对象:
各极电压电流的直流分量
5.所用电路:
放点电路的直流通路
6.设置Q点的目的:
(1)使放大电路的放大信号不失真;
(2)使放大电路工作在较佳的工作状态,静态是动态的基础。
四、用估算法确定静态值
五、用图解法确定静态值
1.优点:
直观地分析和了解静态值的变化对放大电路的影响。
2.步骤:
(1)用估算法确定IB
(2)由输出特性确定IC和UCCUCE=UCC-RCIC即IC=f(UCE)▏IB=常数
该方程为直流负载线方程,其斜率-1/R,横轴截距为UCC,纵轴上的截距为UCC/RC
负载线与晶体管某条(由IB确定)输出特性曲线的交点Q,称为放大电路的静态工作点,由它确定放大电路的电压和电流的静态值。
练习设计
教学反思
注:
1.每2学时至少制定一个教案。
2.课型包括新授课、练习课、复习课、讲评课、实验课等。
3.上新课和新上课的教师要求写详案。
4.要求教师每学期上交教案。
教案
授课时间
2014年3月6日 授课学时:
2学时
教学内容(章节)
15.3放大电路的动态分析及相应的习题
课型
新授课
教学目标
掌握放大电路的动态分析方法
教学重、难点
用微变等效电路方法来分析动态电路的输入电阻,放大倍数和输出电阻。
教学方法及手段
以讲授为主,并加以举例;课堂适当提问和习题练习
教学准备
网络听课学习教学方法
教学过程
一、放大电路的动态分析
1.动态分析:
计算电压放大倍数Au、输入电阻ri、输出电阻ro等。
2.分析对象:
各级电压和电流的交流分量。
3.分析方法:
微变等效电路法,图解法。
4.所用电路:
放大电路的交流通路。
5.目的:
找出Au、ri、ro与电路参数的关系,为设计电路打基础。
二、微变等效电路法
1.微变等效电路:
把非线性元件晶体管所组成的放大电路等效为一个线性电路。
即把非线性的晶体管线性化,等效为一个线性元件。
2.线性化的条件:
晶体管在小信号(微变量)情况下工作。
因此,在静态工作点附近小范围内的特性曲线可用直线近似代替。
3.晶体管的微变等效电路可以从晶体管特性曲线求出
(1)输入回路
当信号很小时,在静态工作点附近的工作段可认为是直线。
当UCE为常数时,UBE与IB之比rbe=△UBE/△IB︱UCE=ube/ib︱UCE
称为晶体管的输入电阻。
低频小功率晶体管的输入电阻常用下式估算
式中,IE是发射极电流的静态值,右边第一项取100~300Ω。
rbe一般几百欧到几千欧。
它是对交流而言的一个动态电阻。
(2)输出回路
输出特性在线性工作区是一组近似等距的平行直线。
晶体管的输出回路(C、E之间)可用一受控电流源ic=ib等效代替,即由来确定ic和ib之间的关系。
晶体管的输出电阻rce愈大,恒流特性愈好,因rce阻值很高,一般忽略不计。
教学过程
三、动态分析计算
1.电压放大倍数的计算
式中的负号表示输出电压的相位与输入相反。
负载电阻愈小,放大倍数愈小。
因rbe与IE有关,故放大倍数与静态IE有关。
2.放大电路输入电阻的计算
放大电路对信号源(或对前级放大电路)来说,是一个负载,可用一个电阻来等效代替。
这个电阻是信号源的负载电阻,也就是放大电路的输入电阻。
输入电阻是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数。
电路的输入电阻愈大,从信号源取得的电流愈小,因此一般总是希望得到较大的输入电阻。
3.放大电路输出电阻的计算
放大电路对负载(或对后级放大电路)来说,是一个信号源,可以将它进行戴维宁等效,等效电源的内阻即为放大电路的输出电阻。
输出电阻是动态电阻,与负载无关。
输出电阻是表明放大电路带负载能力的参数。
电路的输出电阻愈小,负载变化时输出电压的变化愈小,因此一般总是希望得到较小的输出电阻。
4.共射极放大电路特点:
(1)放大倍数高;
(2)输入电阻低;
(3)输出电阻高。
三、图解法对放大电路的动态分析
1.交流负载线
交流负载线反映动态时电流iC和电压uCE的变化关系。
交流负载线斜率
因为
所以交流负载线比直流负载线陡。
2.图解分析
3.非线性失真
如果Q设置不合适,将造成非线性失真的三种情况:
(1)如果Q设置不合适,晶体管进入截止区或饱和区工作,将造成非线性失真。
(2)若Q设置过高,晶体管进入饱和区工作,造成饱和失真。
(3)若Q设置过低,晶体管进入截止区工作,造成截止失真。
练习设计
教学反思
注:
1.每2学时至少制定一个教案。
2.课型包括新授课、练习课、复习课、讲评课、实验课等。
3.上新课和新上课的教师要求写详案。
4.要求教师每学期上交教案。
教案
授课时间
2014年3月10日 授课学时:
2学时
教学内容(章节)
15.4静态工作点的稳定;15.6射极输出器
课型
新授课
教学目标
了解分压式偏置电路和射极输出器的特点
教学重、难点
用微变等效电路方法来分析动态电路的输入电阻,放大倍数和输出电阻。
教学方法及手段
以讲授为主,并加以举例;课堂适当提问和习题练习
教学准备
网络听课学习教学方法
教学过程
一、静态工作点的稳定
1.温度变化对静态工作点的影响在固定偏置放大电路中,当温度升高时,UBE、、ICBO。
当温度升高时,IC将增加,使Q点沿负载线上移,容易使晶体管T进入饱和区造成饱和失真,甚至引起过热烧坏三极管。
2.固定偏置电路的不足:
它工作点Q点是不稳定的,为此需要改进偏置电路。
3.改进偏置电路的目的是:
IC增加时,能够自动减少IB,从而抑制Q点的变化,保持Q点基本稳定。
二、分压式偏置电路
1.满足条件
;
时得出以下结论:
,
,
,
VB和IE或IC与晶体管的参数几乎无关,不受温度变化的影响,从而静态工作点能得以基本稳定。
2.参数的选择:
从Q点稳定的角度来看似乎I2、VB越大越好。
但I2越大,RB1、RB2必须取得较小,将增加损耗,降低输入电阻。
而VB过高必使VE也增高,在UCC一定时,势必使UCE减小,从而减小放大电路输出电压的动态范围。
3.Q点稳定的过程
4.RE温度补偿电阻在电路中的作用
对直流:
RE越大,稳定Q点效果越好;
对交流:
RE越大,交流损失越大,为避免交流损失加旁路电容CE。
三、分压式偏置电路的分析
1.静态分析:
;
;
;
2.分压式偏置电路的动态分析
(1)有旁路电容
(2)没有旁路电容
教学过程
四、射极输出器
1.射极输出器的特点:
(1)集电极是输入与输出回路的公共端,所以是共集电极放大电路。
(2)因从发射极输出,所以称射极输出器。
2.静态分析(直流通路)
3.动态分析
(1)电压放大倍数
1.
电压放大倍数Au≈1且输入输出同相,输出电压跟随输入电压,故称电压跟随器。
(2)输入电阻
式中RB的阻值很大,与其并联的电阻也比共发射极放大电路的输入电阻大的多。
因此射极输出器的输入电阻很高,可达几十千欧到几百千欧。
(3)输出电阻
将信号源短路,保留其内阻RS,RS与RB并联后的等效电阻为RS′。
在输出端将RL取去,加一交流电压,求得输出电阻,其值比共射极放大电路中的输出电阻低很多。
4.射极输出器的应用:
主要利用它具有输入电阻高和输出电阻低的特点。
(1)因输入电阻高,它常被用在多级放大电路的第一级,可以提高输入电阻,减轻信号源负担。
(2)因输出电阻低,它常被用在多级放大电路的末级,可以降低输出电阻,提高带负载能力。
(3)利用ri大、ro小以及Au1的特点,也可将射极输出器放在放大电路的两级之间,起到阻抗匹配作用,这一级射极输出器称为缓冲级或中间隔离级。
五、多级放大电路
1.由于输入信号很微弱,常采用多级放大以便在输出端获得必要的电压和功率。
2.多级放大电路中常常会用射极输出器作为输入级和输出级。
练习设计
教学反思
注:
1.每2学时至少制定一个教案。
2.课型包括新授课、练习课、复习课、讲评课、实验课等。
3.上新课和新上课的教师要求写详案。
4.要求教师每学期上交教案。
教案
授课时间
2014年3月13日 授课学时:
2学时
教学内容(章节)
15.7差分放大电路5.8互补对称功率放大电路
课型
新授课
教学目标
了解差分放大电路和互补对称功率放大电路的原理和作用
教学重、难点
差分放大电路和互补对称功率放大电路的静态和动态分析
教学方法及手段
以讲授为主,并加以举例;课堂适当提问和习题练习
教学准备
网络听课学习教学方法
教学过程
一、差分放大电路
1.直接耦合:
将前级的输出端直接接到后级的输入端。
2.直接耦合存在的两个问题:
(1)前后级静态工作点相互影响
(2)零点漂移
零点漂移:
指输入信号电压为零时,输出电压发生缓慢地、无规则地变化的现象。
产生的原因:
晶体管参数随温度变化、电源电压波动、电路元件参数的变化。
零点漂移的危害:
直接影响对输入信号测量的准确程度和分辨能力。
二、差分放大电路的工作原理
1.电路结构对称,在理想的情况下,两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等。
2.零点漂移的抑制
静态时,ui1=ui2=0;uo=VC1-VC2=0当温度升高时ICVC(两管变化量相等)uo=(VC1+VC1)-(VC2+VC2)=0
对称差分放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制作用。
3.信号输入
(1)共模信号ui1=ui2 大小相等、极性相同
两管集电极电位呈等量同向变化,所以输出电压为零,即对共模信号没有放大能力。
差动电路抑制共模信号能力的大小,反映了它对零点漂移的抑制水平。
(2)差模信号ui1=–ui2 大小相等、极性相反
两管集电极电位一减一增,呈等量异向变化,
uo=(VC1-VC1)-(VC2+VC1)=-2VC1即对差模信号有放大能力。
4.典型差分放大电路中元件作用
RE的作用:
稳定静态工作点,限制每个管子的漂移。
EE负电源:
用于补偿RE上的压降,以获得合适的工作点。
RP电位器:
起调零作用。
三、共模抑制比
1.作用:
全面衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力。
2.表达式:
或
式中KCMR共模抑制比Ad为差模放大倍数Ac为共模放大倍数
教学过程
3.KCMR越大,说明差放分辨差模信号的能力越强,而抑制共模信号的能力越强。
(1)若电路完全对称,理想情况下共模放大倍数
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- 关 键 词:
- 电工学 14 15 教案 讲解