《电子技术基础》电子教案

中等职业教育电类专业规划教材 《电子技术基础》电子教案主编范国伟

电子技术基础 • 第一章半导体二极管和三极管 • 第二章基本放大电路 • 第三章集成运算放大器 • 第四章直流稳压电源 • 第五章晶闸管电路 • 第六章门电路及组合逻辑电路 • 第七章触发器和时序逻辑电路 • 第八章数字技术的常用电路

第1章半导体二极管和三极管 • 1．1 半导体的基本知识在我们日常接触的物质中，一类是电阻率很小，容易导电的金属，如金、银、铜、锡等，这类物质叫做导体；另一类是电阻率很大，几乎不能导电的物质，如橡胶、陶瓷、玻璃等，这类物质叫绝缘体。但是在自然界里面，还有一些物质，它们的导电本领即电阻率，处在导体和绝缘体之间，这种物质我们叫它为半导体。目前用来制造晶体管的材料主要有锗、硅等。

1．1．1 、半导体的导电方式 • 半导体中载流子有两种：一种是带负电的自由电子，另一种是带正电的空穴，它们数目相等，但总数不多，远远低于金属导体中载流子的数量，所以半导体的导电性能比导体差而比绝缘体好。 • 在金属导体中导电的是自由电子，而在半导体中，电子和空穴是同时参与导电的，这是半导体导电的重要特征。

1．1．2 、 N型半导体和P型半导体 1、N型半导体 • N型半导体，又称为电子型半导体。是在纯净半导体中掺入微量的五价元素（如磷元素）制成的，其中含有数量较多的带负电的自由电子，还有少量的带正电的粒子（称为空穴）。即在N型半导体中电子是多数载流子，空穴是少数载流子。 2、P型半导体 • P型半导体，又称为空穴型半导体。是在纯净半导体中掺入微量的三价元素（如硼元素）制成的，其中含有数量较多的带正电的粒子（称为空穴），还有少量的带负电的自由电子。即在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。

1．1．3 、 P N结及其单向导电性 • PN结的单向导电性PN结在未加外电压时，扩散运动与漂移运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。当电源正极接P区，负极接N区时，称为给PN结加正向电压或正向偏置; 当电源正极接N区、负极接P区时，称为给PN结加反向电压或反向偏置。

1．2半导体二极管 • 1．2．1、二极管的结构、符号和类型 • 二极管是由一个PN结构成的半导体器件，即将一个PN结加上两条电极引线做成管芯，并用管壳封装而成。P型区的引出线称为正极或阳极，N型区的引出线称为负极或阴极，它的文字符号为“V”，图形符号如图1—4所示，图形中箭头表示PN结正向电流的方向。

二极管的符号和类型 • 二极管有许多类型，根据制作材料的不同，二极管可分为硅管和锗管；按工艺可分为点接触型和面接触型；按用途可分为整流二极管、检波二极管、光电二极管、开关二极管、激光二极管等。

1．2．2、二极管的伏安特性曲线 • 1、正向特性当正向电压升高到一定值Uth以后内电场被显著减弱，正向电流才有明显增加,Uth 被称为门限电压或阀电压。Uth视二极管材料和温度的不同而不同，常温下，硅管一般为0.5V左右，锗管为0.2V左右。 • 2、反向特性当二极管两端外加反向电压时，PN结内电场进一步增强，使扩散更难进行。这时只有少数载流子在反向电压作用下的漂移运动形成微弱的反向电流IR。反向电流很小，常温下，小功率硅管的反向电流在nA数量级，锗管的反向电流在μA数量级。

1．3 稳压管 • 稳压二极管又叫稳压管， • 它是用特殊工艺制造的面接触型硅半导体二极管，它既具有普通二极管的单向导电特性，又可工作于反向击穿状态。在反向电压较低时，稳压二极管截止；当反向电压达到一定数值时，反向电流突然增大，稳压二极管进入击穿区，此时即使反向电流在很大范围内变化时，稳压二极管两端的反向电压也能保持基本不变，实现稳压。其被反向击穿后，当外加电压减小或消失时，PN结能自动恢复而不至于损坏。但若反向电流增大到一定数值后，稳压二极管则会被彻底击穿而损坏。稳压管主要用于电路的稳压环节和直流电源电路中，常用的有2CW型和2DW型。

1．4 半导体三极管 • 1．4．1、三极管的结构、符号和类型 • 半导体三极管也称为晶体管，它是电子线路中的主要放大元件。 • 三极管好像是两个反向串联的PN结。但是如果把两个孤立的PN结，比如两个二极管反向串联起来，是不会有放大作用的。

1．4．2、三极管的电流放大作用 • 1、具有放大作用的条件 • 要使三极管具有电流放大作用，必须给三极管加上合适的工作电压，即：使发射结正偏，集电结反偏。也就是说发射结的P区接电源负极，N区接电源的正极。三极管放大电路不论采用哪种管型和哪种电路形式，都要满足这个基本条件。即对于NPN型三极管，c、b、e三个电极的电位必须符合：UC＞UB＞UE；对于PNP型三极管，电源的极性与NPN型相反，应符合UC＜UB＜UE。

2、电流放大作用 • β就是三极管的共发射极电路的电流放大系数。在表1—4中，当IB=0时，IC不等于零，这时的IC值叫做穿透电流，用ICEO表示。所谓穿透电流就是当基极开路，在发射极与集电极之间加一电压时流过集电极的电流。穿透电流对温度很敏感，当温度升高时，它就显著增加。选择三极管时，一般希望ICEO小，β选在40~100为宜。如有特殊需要可自行选择。

1．4．3、三极管的伏安特性曲线 • 1、输入特性曲线 • 输入特性曲线是指当三极管的集电极和发射极之间的电压UCE保持一定时，加在基极和发射极之间的电压UBE和基极电流IB之间的关系曲线。 • 2、输出特性曲线 • 三极管的输出特性曲线是指当基极电流IB为常数时，三极管集电极电流与集电极和发射极之间的电压UCE之间的关系曲线。

1．5其他半导体器件 • 1．5．1、场效应管 • 场效应管是一个电压控制器件，它是利用场效应原理工作的晶体管，可分为结型场效应管和绝缘栅型场效应管。 • 1．5．2、发光二极管 • 发光二极管是一种将电能直接转换成光能的光发射器件，简称LED,它是由镓、砷、磷等元素的化合物制成。这些材料构成的PN加上正向电压时，就会发出光来，光的颜色取决于制造所用的材料。 • 1．5．3、光电二极管 • 光电二极管又称光敏二极管。它的管壳上备有一个玻璃窗口，以便于接受光照。其特点是，当光线照射于它的PN结时，可以成对地产生自由电子和空穴，使半导体中少数载流子的浓度提高。 • 还有开关二极管、变容二极管、隧道二极管等。

第2章基本放大电路 • 2．1基本放大电路的组成 • 在三极管放大电路中，因为它与外部电源、信号源及元件的电路组合方式不同，所以它的工作特性也不同。按照输入电路与输出电路的交流信号公共端的不同，三极管放大电路可分为共发射极、共基极和共集电极三种基本放大电路。这种接法上的改变使放大电路的性能发生了变化，并各具特色。

2．1．1、共发射极基本放大电路 • 三极管处于放大状态时必须满足发射结正向偏置、集电结反向偏置的外部条件，对三极管放大电路来说也是如此。 • 由三极管V组成的共发射极放大电路（又称固定偏置电路）。由下图可见电路中只有一个放大器件，且以三极管的发射极作为输入回路和输出回路的公共电极，故称为共发射极放大电路。

共发射极放大电路的特点是： • 1、具有较高的放大倍数； • 2、输入和输出信号相位相反； • 3、输入电阻不高； • 4、输出电阻取决于Rc的数值。若要减小输出电阻，需要减小Rc的阻值，这将影响电路的放大倍数。

2．2 共发射极放大电路的分析 • 为了进一步理解放大电路性能，需要对放大电路进行必要的定量分析。分析方法较多，这里只介绍近似估算法和图解分析法两种。在放大电路中，直流量和交流量共存。由于电容、电感等电抗元件的存在，直流量所流经的通路与交流信号所流经的通路是不完全相同的。为了研究问题方便起见，常把放大电路分成直流通路和交流通路分开来研究。

2．3静态工作点的设置和稳定 • 信号在放大过程中，总是希望信号的幅值得到增大而信号的波形不变。假如信号经过放大器后，输出信号的波形与输入信号相差很远，放大就显得没有意义了。输出波形与输入波形不完全一致称为波形失真。由于特性曲线非线性引起的波形失真称为非线性失真。产生非线性失真的原因与静态工作点选择得是否合适。

2．4阻容耦合多级放大电路 • 由于单级放大电路的放大倍数有限，不能满足实际的需要，因此实用的放大电路都是由多级组成的。 • 多级放大器通常可分为两大部分，即电压放大(小信号放大)和功率放大(大信号放大) 。

2．5放大电路中的负反馈 • 负反馈在电子线路中的应用十分广泛，几乎所有的实用放大器，都引入负反馈。因此了解负反馈对放大电路的影响，是十分必要的。 • 反馈：可描述为将放大电路的输出量（电压或电流）的一部分或全部，通过一定的方式送回放大电路的输入端。我们有时把引入反馈的放大电路称为闭环放大器，没有引入反馈的称为开环放大器。

反馈的极性与类型的判断 • 判别反馈极性通常采用电压瞬时极性法。简单地说就是先将反馈网络与放大电路的输入段断开，然后设定输入信号有一个正极性的变化，再看反馈回来的量是正极性的还是负极性的，若是负极性，则表示反馈量是削弱输入信号，因此是负反馈。反之则为正反馈。 • 负反馈的四种基本形式 1、电压串联负反馈 2、电流串联负反馈 3、电压并联负反馈 4、电流并联负反馈

2．6 功率放大器 • 前面已经介绍了一些基本放大电路，经过这些放大电路处理后的信号，往往要送到负载，去驱动一定的装置。例如，收音机中扬声器的音圈、电动机控制绕组、计算机监视器或电视机的扫描偏转线圈等。这时我们要考虑的不仅仅是输出的电压或电流的大小，而是要有一定的功率输出，才能使这些负载正常工作。这类主要用于向负载提供功率的放大电路常称为功率放大电路。

2．6．1、对功率放大器的要求 • 1、输出功率大：功率放大电路的任务是向负载提供足够大的功率。 • 2、效率高：功率放大器的效率是输出功率与直流电源提供的直流功率之比。 • 3、非线性失真小：为使输出功率大，功率放大器采用的三极管均应工作在大信号状态下。

2．6．2、功率放大器的分类 • 1、按放大电路的频率可分为：低频功率放大电路和高频功率放大电路。 • 2、按功率放大电路中三极管导通时间的不同可分为：甲类功率放大电路、乙类功率放大电路和甲乙类功率放大电路。 • 3、按功率放大电路输出端的特点可分为：有输出变压器功率放大电路、无输出变压器功率放大电路（又称OTL功率放大电路）、无输出电容器功率放大电路（又称OCL功率放大电路）和桥接无输出变压器功率放大电路（又称BTL功率放大电路）。

2．7 正弦波振荡电路 • 许多技术领域中都要用到不同大小、不同频率的正弦信号。例如：在无线电通信、广播和电视中需要用正弦信号来作为载波，以便把语言、音乐和图象信号调制到载波上，然后转换为电磁波发射出去；又例如：在电子测量中也经常需要用到各种频段的正弦信号发生器。因此，就需要有一种便于产生各种不同大小的正弦信号的电路，这种电路就是我们在这一节要讨论的正弦波振荡电路。

2．7．1．振荡的基本概念 • 振荡电路的基本组成 • （1）放大电路没有放大就不可能产生正弦波振荡，它是满足幅值平衡条件必不可少的电路。放大电路必须结构合理，静态工作点选择适当，以保证放大电路具有放大作用。 • （2）正反馈电路其作用主要用来满足自激振荡的相位条件。 • （3）选频电路起振时，电路中激起的电压和电流的变化往往是非正弦的，含有各种频率的谐波分量，因此输出的信号也将是含有不同谐波成分的非正弦波。 • （4）稳幅电路其作用是使振荡幅值稳定，改善波形。

振荡电路的种类 • LC正弦波振荡电路 LC正弦波振荡电路的构成与RC正弦波振荡电路相同，包括有放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电路。这里的选频网络是由LC并联谐振电路构成。 • RC正弦波振荡电路当LC振荡器用于低频振荡时，所需L和C的数值均应加大，这种损耗小的大电感和大容量电容制作困难。而使用RC振荡器却显得方便而经济。 • 石英晶体正弦波振荡电路石英晶体正弦波振荡电路具有非常稳定的固有频率。对于振荡频率的稳定性要求高的电路, 应选用石英晶体作选频网络。

第3章集成运算放大器 • 应用半导体制造工艺把晶体管、电阻、电容以及电路的连线都做在同一块硅片上，然后封装在一个管壳内，这样制成的电子电路称为集成电路。它的优点是体积小，重量轻，性能好，功耗低，而且元件之间引线短，焊点少，因而提高了工作的可靠性和灵活性，实现了元件、电路和系统的三结合，为电子技术的应用开辟了一个新时代。

3．1 集成运算放大器的简单介绍 • 集成运算放大器（Operational Amplifier）简称集成运放，是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路。它的增益高（可达60~180dB），输入电阻大（几十千欧至百万兆欧），输出电阻低（几十欧），共模抑制比高（60~170dB），失调与飘移小，而且还具有输入电压为零时输出电压亦为零的特点，适用于正，负两种极性信号的输入和输出。

3.1.1、集成运算放大器的组成与分类 • 1、集成运算放大器的组成 • 集成运算放大器的种类很多，电路也各不相同，但基本结构一般都由输入级、中间级、输出级和偏置电路四个部分组成 • 2、集成运算放大器的分类按照集成运算放大器的参数来分，集成运算放大器可分为如下几类: • （1）通用型运算放大器（2）高阻型运算放大器 • （3）低温漂型运算放大器（4）高速型运算放大器 • （5）低功耗型运算放大器（6）高压大功率型运算放大器

3.1.2、集成运算放大器的主要参数 • 1、输入失调电压Uio 2、输入失调电流Iio • 3、最大差模输入电压Uidm 4、最大共模输入电压Uicm • 5、转换速率Sr 6、开环差模电压放大倍数Auo • 7、最大输出电压 UOPP 8、差模输入电阻γid • 9、输出电阻γO 10、共模抑制比KCMR

3.1.3、集成运算放大器的传输特性 • 集成运放的传输特性就是集成运放的输出与输入的关系特性。它可以分为两个区域：线性区和非线性区，如下图所示。 • 1、线性区 • 在线性区，构成集成运放的放大管工作在放大区，集成运放传输特性呈放大关系，可以用公式来表示 • Uo = A uo（U +—U） • U +——同相输入端的电压 • U——反相输入端的电压 • A uo——开环差模电压放大倍数 • U o——运算放大器的输出电压 • 由于集成运放的开环差模电压放 • 大倍数都非常大，而输出又为有限值， • 所以集成运放的线性区比较窄。图3—3集成运放的传输特性 • 2、非线性区 • 当集成运放的输入信号较大时，构成集成运放的放大管则工作在饱和区，所以集成运放的输出达到了正负最大值。这个区域称为非线性区。此时， • 当U i＞0，即U +＞U时，Uo = +UoM，即正饱和。 • 当U i＜0，即U +＜U时，Uo = —UoM，即负饱和。

3.1.4、理想集成运算放大器的特点 • 1、集成运算放大电路的理想模型 • 在分析运算放大器时为了便于分析和计算，一般可将它视为一个理想运算放大器。理想运算放大器的主要条件为： • 开环差模电压放大倍数：Auo→∞ • 差模输入电阻：γid→∞ • 输出电阻：γO→0 • 共模抑制比：KCMR→∞ • 输入偏置电流IB1=IB2=0

2、理想集成运算放大器线性区的特点 • （1）因为理想运算放大电路的输入偏置电流为零和输入电阻为无穷大，则该电路不会向外部电路索取任何电流，所以流入放大器反相输入端和同相输入端的电流为零。也就是说集成运算放大电路是与电路相连接的，但输入电流又近似为零，相当于断开一样，故通常称为“虚断”。 • （2）因为开环差模电压放大倍数为无穷大，所以当输出电压为有限值时，差模输入电压=0，即。也就是说集成运算放大电路两个输入端对地的电压总是相等的。二者不接地，但电位又总相等，相当于短路，通常称为“虚短”。如果同相输入端接地（或通过电阻接地），即，则反相输入端电位也为零，但又不接地，则称为“虚地”。

3．2 基本集成运算放大电路 • 集成运算放大器因信号输入的方式不同而分为反相输入和同相输入两种基本电路。本节讨论这两种基本电路的特性，并通过对它们的讨论说明集成运算放大器的特点和分析方法。

3.2.1、反相输入比例集成运算放大器 • 反相输入比例运算放大电路的特点： • （1）反相端为虚地，所以共模输入可视为0，对运放共模抑制比要求低； • （2）输出电阻小，带负载能力强； • （3）要求放大倍数较大时，反馈电阻阻值高，稳定性差； • （4）如果要求放大倍数100，则R1=100 kΩ，Rf =10MΩ。

3.2.2、同相输入比例集成运算放大器 • 同相比例运算放大电路的特点： • (1)输入电阻高； • (2)由于 UP = Ui = UN (电路的共模输入信号高)，因此集成运放的共模抑制比要求高。

3．3 集成运算放大器的应用 • 集成运算放大器最早用于模拟电子计算机中，完成对信号的加减、乘除、微分、积分等运算。近代集成运算放大器的发展，使得运算放大器的应用远远超出运算范畴，而在各种模拟信号和脉冲信号的测量、处理、产生、变换等方面都获得广泛的应用。本节主要介绍运算放大器在信号运算、处理、产生等方面的应用电路。

3.3.1、集成运算放大器在信号运算 方面的应用 • 1、加法运算电路 • 加法运算又叫求和运算，在反相比例运算放大器的基础上增加几个输入支路便组成了反相加法运算电路，也称反相加法器。 • 2、减法运算电路 • 减法运算电路是实现若干个输入信号相减功能的电路，常用差动输入方式来实现，

3.3.2、集成运算放大器在信号处理 方面的应用 • 运算放大器除了能对输入信号进行运算外，还能对输入信号进行处理。信号处理电路的种类很多，这里只介绍电压比较器。 • 电压比较器是将输入端的模拟信号ui和一个参考电压UR进行幅度比较，输出高低电平（压）的电路，

3.3.3、集成运算放大器在波形产生 方面的应用 • 集成运算放大器与一些外接元件组合，可以灵活地产生各种不同波形、不同频率的周期振荡信号。这里只介绍集成运放正弦波振荡器。 • 用集成运算放大器来代替其中的两级放大器同样可组成正弦波振荡电路，如图3—12所示。图中左边的电路构成RC串并联选频网络，右边则为集成运算放大电路。集成运算放大电路和电阻R1与R2组成了电压串联负反馈放大电路，其电压放大倍数。RC串并联网络引入正反馈到同相输入端，这一部分既是选频电路，又是正反馈网络。当选频电路元件参数满足R1= R2= R时，由第二章的知识可知，该电路谐振频率为，改变R或C的数值，就可改变振荡电路的频率。

3．4 使用运算放大器的注意问题 • 1、辩认管脚，以便正确连线。 • 2、用万用表的电阻挡（“×100Ω”或“×1kΩ”挡），对照管脚测试有无短路和断路现象。 • 3、对于内部无自动稳零措施的运放需外加调零电路，使之在输入信号为零时输出电压也为零。 • 4、对于单电源供电的运放，有时还需在输入端加直流偏置电压，设置合适的静态输出电压，以便能放大正、负两个方向的变化信号。 • 5、为防止电路产生自激振荡，应在集成运放的电源端加上去耦电容。有的集成运放还需外接补偿电容C。

第4章直流稳压电源 • 将交流电变换为直流电的过程叫做整流，进行整流的设备叫做整流器，如下图。整流器一般由四部分组成： 1、整流变压器把输入的交流电压变为整流电路所要求的电压值。 2、整流电路由整流器件组成，它把交流电变成方向不变，但大小随时间变化的脉动直流电。 3、滤波电路把脉动的直流电变为平滑的直流电。 4、稳压电路保持稳定的直流电压供给负载。

4．1 单相整流电路 • 在单相整流电路中，常用的整流形式有半波，全波，桥式与倍压等几种，这些整流电路是利用二极管的单向导电性来将交流电变换为直流电，因此二极管是构成整流电路的关键器件。这种用作整流的二极管称为整流二极管，简称整流管。

4.1.1 、单相半波整流电路 1、工作原理：在交流电一个周期内,二极管半个周期导通半个周期截止,以后周期重复上述过程负载RL上电流和电压波形如图4-3 所示。由于该电路输出的脉动直流电的波形是输入的交流电波形的一半，故称为半波整流电路。 2、负载RL上的直流电压和电源的计算依据数学推导或实验都可以证明,单相半波整流电路中,输出到负载RL 上的半波脉动直流电压平均值UL＝0.45U2 3、整流二极管上的电流和最大反向电压由于二极管在u2 负半周时截止,承受全部u2反向电压,所以二极管所承受的最大反向电压URM就是u2 的峰值，即URM≈1.414U2

4.1.2 、单相全波整流电路 单相全波整流电路实际上是由两个单相半波电路组成,电路如右图所示:在整流变压器次级引出两个电压u2a和u2b,以0点为参考点，两电压大小相等，相位相反。 1、工作原理由此可见:在交流电一个周期内,二极管V1和V2交替导通,负载电流IL=IL1＋IL2。因此，负载RL上得到全波脉动直流电压和电流 2、负载RL上的直流电压和电流的计算UL＝0.9U2 3、整流二极管上的电流和最大反向电压URM≈2.82U2

4.1.3 、单相桥式整流电路 单相桥式整流电路如右图所示:电路中四只二极管接成电桥形式，所以被称为桥式整流电路 1、工作原理由此可见:在交流输入电压的正负半周，都有同一方向的电流流过RL。四个二极管中，两个两个轮流导通，IL=IL1＋IL2，在负载上得到全波脉动的直流电压和电流。 2、负载RL上直流电压和电流计算 UL＝0.9U2 3、整流二极管上的电流和最大反向电压URM≈1.57U2

4．2 三相整流电路 • 前面我们讨论的都是单相整流电路，它们的输出功率一般不超过几千瓦，如果负载功率太大，将会影响电网三相负荷不平衡。目前工矿企业中使用的大功率直流电源，大多数是从三相整流电路得来的。三相整流电路具有输出电压脉动小，输出功率大，变压器利用率高并能使相电网的负荷平衡等优点，在电气设备中被广泛应用。 • 三相整流电路有多种类型，而三相半波整流电路是最基本的，其他类型都是由三相半波整流电路以不同方式组合成的。

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