基本放大电路教案（精选8篇）
基本放大电路教案 篇1
放大电路的基本分析方法（20分钟）
一、参考教材
第二章 2.1.4 放大电路的基本分析方法
《模拟电子技术简明教程》 张国平、曾高荣主编，电子工业出版社出版
二、教学内容
1.放大电路的直流通路和交流通路 2.估算法确定静态工作点 3.图解法确定静态工作点
三、教学目的
1.掌握放大电路的直流通路与交流通路的画法；
2.掌握估算法确定静态工作点 3.掌握图解法确定静态工作点
四、教学重点、难点
1.放大电路的直流通路与交流通路的画法 2.估算法和图解法确定静态工作点 3.分析静态工作点的意义
五、教学方法
采用课堂讲授加PPT展示的方法，通过例题讲解加深学生对教学内容的理解。
六、教学过程设计
1.旧课复习（3分钟），回顾上一节的知识点，如组成放大电路的基本原则、特点、主要性能指标等。2.新课内容（17分钟）
1）首先引入静态和动态两个概念，使学生理解放大电路的分析实际上为直流通路和交流通路分析的叠加；并且在分析中要采用先静态后动态的分析顺序；引出静态工作点的概念。
2）放大电路的直流通路和交流通路：详细介绍直流通路和交流通路的画法，并通过实例分析来加深印象。可以让学生自己进行随堂练习以确保对这一知识点的领会和掌握。在进行实例分析时，简单介绍放大电路的基本分类（共射、共基、共集）。
3)通过电路实例分析，介绍如何通过估算法获得静态工作点。
4）图解法是放大电路常用的分析方法之一，简单介绍图解法与微变等效电路分析法的区别，及适用范围。通过分步解析的方式，详细介绍图解法确定静态工作点。
七、作业
复习题 二（5）；三（3）；习题 2.3, 2.4
八、教学后记
基本放大电路教案 篇2
基本放大电路又称放大器, 其功能是把微弱的电信号不失真地放大到所需要的数值。这里微弱的电信号是可以由传感器转化的模拟电信号, 也可以是来自前级放大器的输出信号或是来自于广播电台发射的无线电信号等。基本放大电路, 是指由一只放大管构成的简单放大电路。放大电路中的放大, 其本质是实现能量的控制和转换。当输入电信号较小, 不能直接驱动负载时, 需要另外提供一个直流电源。在输入信号的控制下, 放大电路将直流电源的能量转化为较大的输出能量, 从而驱动负载。这种用小能量控制大能量的能量转换作用, 即为放大电路中的放大。因此, 基本放大电路实际上是一个受输入信号控制的能量转换器。
二、基本放大电路的分类及工作原理
在放大电路中, 应用最广泛的是共发射极放大电路 (简称共射电路) , 常见的共发射极放大电路有两种, 一种是基本共发射极放大电路, 另一种是静态工作点稳定的共发射极放大电路, 也称分压式共发射极放大电路。
1. 电路的组成及各元器件的作用
为了实现不失真地放大输入的交流信号, 放大电路的组成必须遵循以下规则:
(1) 加入直流电源的极性必须使晶体管处于放大状态, 即发射结正偏, 集电结反偏。
(2) 为了保证放大电路不失真的放大输入的交流信号, 在没加入输入信号时, 还必须给晶体管加一个合适的直流电压、电流, 称之为合理地设置静态工作点。
(3) 如下图所示按照上述原则组成的基本共发射极放大电路。
电路中各元件的作用:
VT为NPN型晶体管, 是放大电路中的核心器件, 在电路中起放大作用。Vcc为直流电源, 是放大电路的能源, 其作用有两个, 一是保证晶体管工作在放大状态, 通过Rb、Rc (Rb>Rc) 给晶体管的发射结提供正偏电压, 给集电结提供反偏电压;二是提供能量, 在输入信号的控制下, 通过晶体管将直流电源的能量转换为负载所需要的较大的交流能量。
Rb为基极偏置电阻, 作用有两个:一是给发射结提供正偏电压通路;二是决定静态基极电流Ib的大小。当Vcc、Rb的值固定时, Ib也固定了, 所以这种电路也被称为固定偏置放大电路。
Rc为集电极负载电阻, 作用有两个:一是给集电结提供反偏电压通路;二是通过Rc将晶体管集电极电流的变化转换成集成电极电压的变化, 从而实现电压放大。
C1、C2为耦合电容, 作用是“隔直通交”, 即把输入信号中交流成分传递给晶体管的基极, 再把晶体管集电极输出电压中的交流成分传递给负载。因此要求C1、C2在输入信号频率下的容抗很小 (可视为短路) 。在低频率放大电路中, C1、C2容量均取的很大, 常采用几十微法的电解电容。
2. 放大电路的工作原理
从放大电路的组成可知, 放大电路正常放大信号时, 电路中既有直流电源Vcc, 又有输入的交流信号Ui, 因此电路中晶体管各级的电压电流中有直流成分, 也有交流成分, 总电压、总电流是交直流的叠加。为了便于分析, 通常把放大电路中的直流分量和交流分量分开讨论。当没加输入信号时电路中只有直流流过, 称这种情况为放大电路的直流工作状态, 简称静态。加入输入信号后, 电路中交直流并存, 当只考虑交流不考虑直流时, 这种情况下称放大电路处于交流工作状态, 简称动态。
(1) 放大电路的静态, 为了不失真地放大输入信号, 必须保证晶体管在输入信号的整个周期内, 始终处于放大状态。例如:当输入信号为正弦波时, 如果不设置直流工作状态, 则幅值为0.5V以下的输入信号都会使晶体管处在截止状态 (硅管) , 而不能通过放大电路, 输出信号将出现失真。因此, 在没加输入信号前, 需要给放大电路设置一个合适的工作状态。当电路参数 (Vcc、Rb、Rc) 确定之后, 对应的直流电流、电压Ib、Ic、Uce也就确定了, 根据这三个直流分量, 可以在晶体管输出特性曲线上确定一个点, 称这个点为静态工作点, 用Q表示。通常直流工作点上的电流、电压用Ibq、Icq、Uceq表示。
(2) 放大电路的动态, 在放大电路的输入端加上正弦信号Ui, 经过C1送到电路的输入端产生电压为Ubc, 由Ubc产生一个按正弦变化的基极电流Ib, 次电流叠加在静态电流Ibq上, 使得基极的总电流为IB=Ib+IBQ。晶体管放大, 集电极产生一个和Ib变化规律一样, 且放大β倍的正弦电流Ic (Ic与Ui相位相同) , 这个电流叠加在静态电流ICQ上, 使集电极的总电流为Ic=ICQ+Ic。当Ic流过Rc时, Rc上也产生一个正弦电压URC=Rc Ic (与Ic的变化相同) 由于Uce=Uce-Ic Rc, 所以Rc上的电压变化, 必将引起压管压降Uce反方向的变化 (与Ic的变化相反) 。
由上述可知, 基本共发射极放大电路是利用晶体管的电流放大作用, 并依靠Rc将电流的变化转化为电压的变化, 使输出电压的数值上比输入电压大很多, 相位上与输入电压相反, 从而实现电压放大。
3. 基本放大电路的分类
(1) 静态工作点稳定的共发射极放大电路。放大电路静态工作点位置不仅决定电路是否会产生失真, 还影响着电路的电压放大倍数、输入电阻等动态参数。如果静态工作点不稳定, 放大电路的这些参数就会发生变化, 严重时会使放大电路不能正常工作。因此如何保持静态工作点的稳定是十分重要的。
(2) 共集电极放大电路。共集电极放大电路具有输入电阻大、输出电阻小及较强的电流放大能力, 但它不具备电压放大作用。因此, 它从信号源索取的电流小, 带负载的能力强, 还可以通过输入输出电阻的变换, 使多极放大电路前后级阻抗达到匹配。所以在多极放大电路中, 共集电极放大电路常用作输入级、输出级缓冲级。
(3) 共基极放大电路。共基极放大电路具有输入电阻小 (只有几十欧) 、输出电阻较大 (与基本共发射极放大电路相同) 的特点, 虽然具有较强的同相电压放大能力, 但不具备电流放大作用。它的同频率较好, 适于做宽频带放大电路。
(4) 共源极放大电路。常用的共源极放大电路有两种:一种是自给偏压式共源极放大电路, 另一种是分压式共源极放大电路。
(5) 共漏极放大电路。共漏极放大电路又称为源极跟随器、源极输出器, 它与晶体管射极跟随器有类似的特点, 如输入阻抗高、输出阻抗低、放大倍数小于且接近1等, 应用比较广泛。
三、基本放大电路的主要性能指标
任何一个放大电路, 均可将其视为一个两端口网络, 如下图所示。
在放大电路的输入端A、B处接信号源, 称此闭合回路为输入回路。信号源是所需放大的输入电信号, 输入电信号可以等效电压源或电流源。图中Rs是信号源的内电阻;Us为理想电压源。
在放大电路的输出端C、D处接负载, 称此闭合回路为输出回路。负载是接受放大电路输出信号的换能器。为了分析问题方便, 一般负载用纯电阻RL来等效。
信号源和负载对放大电路的工作将产生一定影响。直流电源是用以提供放大电路工作时所需要能量的, 同时也为放大电路中的放大管处于正常放大状态提供合适的直流电压。
四、结语
模拟电子技术在现代国防建设、科学研究、工农业生产、医疗、通信及文化生活等各个领域得到了极为广泛的应用, 并起着巨大的作用。特别是在各个领域中的自动化控制中, 模拟电子技术无处不在。所以在研究基本放大电路时我们应该持严谨的科学态度, 认真对每一项工作负责, 通过自己的努力能够更好地、更详细地运用基本放大电路。
摘要：自然界中的物理量大部分是模拟量, 如温度、压力、长度、图像及声音等, 都需要用传感器转换成电信号, 而转换后电信号一般都很小, 不足以驱动负载工作 (或进行某种转换和传输) 。于是, 人们在得到这个很小的电信号时, 首先要对它们进行放大。这里所说的放大不是将原物的形状按一定比例放大, 放大电路中的放大的本质是能量的控制和转换。因此电子电路中放大电路得到了广泛应用。
关键词：基本放大电路,工作原理,性能指标
参考文献
对三极管基本放大电路原理的分析 篇3
如图1所示，三极管共射基本放大电路的工作原理是：电路利用三极管的电流放大作用，把电流放大转换成电压放大，即对交流信号电压起放大与倒相的作用。它是三极管构成模拟电路的一个典型应用，是电子技术基础的重点和难点内容之一。理解并掌握这一原理，是学习和运用晶体管电路及电子技术的入门。
二、电路工作原理分析
当ui=0（静态）时，电容C1被充电到UC1=UBE，电容C2被充电到UC2=UCE。输入信号ui后，设ui=uimSinωt为一正弦量，则输入电压uBE=UBE+ui，基极电流iB=IB+ib。由于三极管的电流放大作用，集电极电流iC=βiB=β（IB+ib）=IC+ic（β为三极管的电流放大系数，β≥1）。因ic流过集电极电阻RC，在RC上要产生电压降，故在三极管的输出端即管子集—射极间将产生放大了的信号电压uCE=UCE+uce。uBE、iB、iC、uCE，它们都是在直流分量的基础上叠加以交流分量，如图2（a）～（d）所示，这就是三极管共射放大电路电压放大的基本工作过程。然而，要考虑该电路放大电压信号的输出，则要分输出端是“空载”还是“负载”两种情况来讨论。
1.输出端不接负载电阻RL，即电路“空载”输出时的工作情况
此时，图1中RL=∞，io=0，uo=0，且iC=iRC，则电路输出即管子集—射极间电压为：
uCE=UCC—iRCRC=UCC—iCRC=UCC—（IC+ic）RC=UCC—ICRC—icRC=UCE—icRC=UCE+uce
它表明uCE由直流分量与交流分量uce=—icRC两部分组成，在这里交流分量。在这种情况下，如图3所示，由于输出端未接入负载电阻RL，输出电压uce既加于三极管的集、射极间，同时也加在集电极电阻RC两端。
RC一方面形成集电极的直流通路，使直流电源电压通过RC加到集电结上；另一方面，它又是负载电阻，把被三极管放大了的集电极电流转化为输出电压u0=uce，使放大器具有电压（功率）放大的功能。从集电极电阻RC所承受的交流输出电压表达式可知uce=—icRC=—βibRC，与输入信号电压ui=ibrbe（rbe为小信号放大情况下三极管的等效输入电阻，通常rbe≤RC）相比，输出电压uce幅度被放大了。
Av=■=■=■=
—β■，∵Av≥1∴UO=Uce≥Ui），
但二者的相位相反，这是因为输入信号ui正半周，uBE↑→IB↑→IC↑→uCE↓，可见，输出与输入相位相反，在输入信号ui负半周亦然。如果在输出端即在电容C2与地间接入负载电阻RL，此时输出电压的直流分量UCE将被电容C2隔断，而交流分量uCE可通过电容C2传送给负载，对这种情况下电路的讨论分析将如下所述。
2.输出端接入负载电阻RL，即电路“带载”输出时的工作情况
如图4所示，由于电路的交流通路多了一条交流负载支路，输出总电流即流过管子集电极的电流iC为两条支路电流的合成，即iC=iRC+iO ，其中直流负载RC支路电流iRC=IC+■RC，由直流分量IC与交流分量■RC两部分所组成，iO为交流负载RL支路电流。于是，有电路输出电压即管子集—射极间电压为：
uCE=UCC—iRCRC=UCC—（IC+■RC）RC=UCE—■RCRC=UCE+uce，
这里uce=—■RCRC。因为iC=IC+■RC+iO=IC+iC，其中iC=■RC+iO为对应于交流等效负载电阻（即RC与RL二者的并联）RL'所通过的电流，则又有uCE=UCE+uce=UCE—iORL=UCE—iCRL'=UCE—（iC—IC）RL'=UCE+ICRL'—iCRL'令UCC'=UCE+ICRL'，称之为接入负载电阻RL情况下电路的等效直流电源电压，则管子集—射极间输出电压表达式可写为uCE=UCC'—iCRL'，此时电路“带载”的电压放大倍数为：
Av'=■=■=■=—β■，∵RL'（=RL∥RC） 即“带载”输出电压放大倍数小于“空载”输出电压放大倍数。根据式uCE=UCC'—iCRL'，可在三极管输出特性曲线上作出其所表示的直线，称之为电路的交流负载线。 如图5所示，图中的直流负载线是指电路静态情况下输出回路的电压电流关系式uCE=UCC—ICRC所对应的直线。交流负载线能直观地分析电路的工作情况，包括求各直流量（静态工作点Q）、放大倍数、分析电路中信号的传输及失真情况等的依据，这种通过作交、直流负载线研究分析电路的方法称之为电路的图解分析法。 三、现行教材欠妥之处与改正建议 笔者发现，一些现行教材在阐述三极管共射放大电路的工作原理，对其“带载”与“空载”两种情况进行分析时却不够缜密，出现了将二者混淆的欠妥之处。之所以出现上述问题，其根本原因就在于忽略了电路在“动态”工作情况下交流负载支路中电流的存在。笔者认为，对三极管共射基本放大电路工作原理的分析，若对于中等职教，考虑到教材一般到本节时尚未引入交流通路概念，加之学习者的学习基础和认识能力有限，为简易起见，一种是以电路的“空载”输出情况作分析，另一种是仍可采用原图、式（即“带载”的电路图、“空载”电路的输出电压的表达式），但必须说明：该式所对应的仅是电路的“空载”情况，即假设负载电阻未接入，然后可补充说明：在电路接入负载电阻的情况下，输出信号电压的交流分量可通过电容分离出来，传送到输出端，使负载上得到输出电压，或在等效负载电阻上得到输出电压；若对于高职高专等教育层次，不妨针对电路“带载”输出情况加以分析。由上述可知，“带载”分析不仅电路物理概念全面清晰，而且导出输出电压表达式（该式与作直流负载线所依据的表达式具有相同的形式）为图解分析作输出回路的交流负载线打下了基础，这对于促进学生发散思维，提高其分析认识电路与解决实际问题的能力都具有重要的意义。 电路的基础知识与基本测量 【课题名称】 2.1 电路与电路图 【课时安排】 1课时（45分钟）【教学目标】 1．了解电路的基本组成及各部分的作用。 2．理解电路的三种工作状态及其特点，明确家用电路中预防短路的常用方法与措施。 3．学会简单电路图的识读与绘制。【教学重点】 重点：电路的三种工作状态分析 【教学难点】 难点：短路时电路的特点及注意事项 【关键点】 电路三种工作状态的正确分析 【教学方法】 直观演示法、讲授法、谈话法、理论联系实际法、多媒体演示法 【教具资源】 手电筒、多媒体课件、直流电源、小灯泡、开关、连接导线若干 【教学过程】 一、导入新课 教师可演示手电筒的开、关过程及其现象，引导学生明白手电筒电路实际上就是一个最简单的直流电路。进而教师可利用多媒体课件展示实际电路的画面，如图2.1所示，从而引出本节课的学习内容。 二、讲授新课 教学环节1： 电路的基本组成及各部分作用 教师活动：教师可利用多媒体或实验演示实际电路；引导学生说说生活中实际电路的例子及各部分的作用。 学生活动：学生可根据多媒体展示或实验演示的实际电路，在教师的引导下总结实际电路的基本组成及各部分的作用，同时可联系生活实际进行拓展。 知识点： 1．电路的基本组成：电源、负载和传输环节。 2．各部分的作用：电源是提供电能的装置；负载也称为用电器或用电设备，是把电能 图2.1 实际电路 转换成其他形式能量的装置；传输环节是构成电路通路的部分。 教学环节2： 电路的三种工作状态及其特点 教师活动：教师可利用实验或多媒体演示电路的两种基本工作状态——通路与断路；进而多媒体演示电路的特殊状态——短路，如图2.2所示；引导学生分析各种状态下电路的特点。 学生活动：学生在教师的引导下，理解通路与断路是电路的两种基本工作状态，并自行分析三种工作状态下电路各自的特点，同时联系生活实际说说电路发生短路时的危害及预防短路的方法与措施。 知识点： 电路通常有三种工作状态，即通路、断路和短路。通路是指正常工作状态下的闭合电路，此时电路中有电流；断路也称为开路，此时电路中没有电流，即I=0；短路时，电源提供的电流比正常通路时大许多倍，严重时会烧毁电源和短路内的电气设备，因此，不允许电源短路。 注意：教师特别要强调电路发生短路时的危害，同时联系生活实际，让学生明白家用电路中预防短路的常用方法与措施——安装熔断器或自动空气开关。 教学环节3： 电路模型与电路图 教师活动：教师可根据具体实例解释电路模型与电路图的基本概念。学生活动：学生练习简单电路图的画法。 三、课堂小结 教师与学生一起回顾本节课的学习内容，引导学生总结如下： 1．电路的基本组成及各部分的作用。 2．电路的三种工作状态及其特点。注意：不允许电源短路。3．电路模型和电路图 四、课堂练习 教材中思考与练习第1、2题 五、课后作业 “学习辅导与练习”同步训练中的2.1 图2.2 电路的三种工作状态 【课题名称】 2.2 电流及其测量 【课时安排】 1课时（45分钟）【教学目标】 1．理解电流的基本概念与定义，掌握电流的常用单位。 2．学会区分电流的实际方向与参考方向。 3．明确测量直流电流的方法与步骤。【教学重点】 重点：直流电流的测量方法与步骤 【教学难点】 难点：电流实际方向与参考方向的区分 【关键点】 明确电流的大小及其测量 【教学方法】 多媒体演示法、讲授法、谈话法、理论联系实际法 【教具资源】 多媒体课件、直流电源、小灯泡、开关、连接导线若干、电流表、万用表 【教学过程】 一、导入新课 教师可演示小灯泡实验电路，如断开开关，电路中无电流，小灯泡不亮；合上开关，电路中有电流通过，小灯泡亮。从而让学生明白小灯泡的亮暗，是与通过小灯泡的电流大小有关，进而引出本课的学习内容——电流及其测量。 二、讲授新课 教学环节1： 电流的基本概念与定义 教师活动1：利用多媒体动画展示电荷的定向移动形成电流的过程。 学生活动1：仔细观察多媒体动画，在教师的引导下，理解电流的形成过程、电流方向的规定。 教师活动2：教师可利用多媒体或黑板展现一个复杂电路，并设计在不知某支路电流实际方向的情况下，求该支路电流大小的情景，从而引出电流参考方向的概念。 学生活动2：学生可通过教师讲解，理解电流参考方向与实际方向的概念以及它们之间的区别与联系。通过实例，练习并掌握根据支路电流的参考方向与计算值，来确定该支路电流的实际方向的方法。 教师活动3：教师讲解电流大小的定义及其常用单位，并通过相关例题对电流大小进行计算。 学生活动3：学生通过听讲与练习，学习电流大小的计算及常用单位之间的转换。教师活动4：教师可利用多媒体展示直流电流、脉动直流电流、交流电流的相关波形图。学生活动4：学生可根据展示的波形图，并在教师的引导下，理解直流与交流的概念。知识点： 电流的形成：电荷的定向移动形成电流；电流的方向：规定正电荷的移动方向为电流的方向，自由电子的移动方向与电流方向相反。参考方向与实际方向：为计算方便常先假设一个电流方向，称为电流的参考方向。电流大小的定义：电流的大小等于通过导体横截面的电荷量与通过这些电荷量所用时间的比值，用I表示，即I q 。电流的常用单位：安培（A），t还有毫安（mA）、微安(A)。常用电流的类型：电流通常分为直流电与交流电。直流电又可分为恒稳直流电与脉动直流电。 注意：教学中，教师可通过联系生活实际，让学生知道闪电电流大小、一般家用电器的工作电流大小、手电筒中小灯泡正常发光时的电流大小以及电子手表工作时的电流大小等相关常识。 教学环节2：电流的测量 教师活动：利用可利用多媒体展示电流表测量直流电流时的接线电路图与万用表测量直流电流时的接线示意图，并结合展示的电流表接线电路图与万用表接线示意图，分别讲解电流表与万用表测量直流电流的方法和步骤。讲解时最好结合万用表和电流表实物。 学生活动：学生可通过仔细观察实物或根据展示的电流表接线电路图与万用表接线示意图，并在教师的引导下，学习测量直流电流的方法、操作步骤及注意事项。 知识点： 测量直流电流的方法、操作步骤及注意事项。测量直流电流一般用直流电流表，也可用万用表的直流电流挡代替电流表进行测量。 电流表使用时应注意：①与被测电路串联；②注意电流的极性。使被测电流从电流表的“+”接线柱流进，“－”接线柱流出；③选择合适的量程。电流表选用量程一般为被测电流的1.5～2倍，若事先无法确定被测电流的大小，量程的选择一般应从大到小，直到合适为止；④防止短路。 万用表测直流电流时应注意挡位与量程选择开关应选择在直流电流区的合适位置。其他注意事项同电流表。 三、课堂小结 1．电流的形成、方向、参考方向与实际方向、电流大小的定义、常用单位与类型。2．直流电流的测量方法、操作步骤与注意事项。 四、课堂练习 教材中思考与练习第1、2、3题 五、课后作业 “学习辅导与练习”同步训练中的2.2 【课题名称】2.3 电压及其测量 【课时安排】 2课时（90分钟）【教学目标】 1．理解电压、电位、电动势的基本概念，掌握其常用单位。 2．掌握电压与电位之间的关系，电源电动势与端电压之间的关系。 3．明确测量直流电压的方法与步骤。 4．了解常用电池及其应用。【教学重点】 1．电压、电位、电动势的基本概念；电压的大小与方向。 2．电压与电位之间的关系；电源端电压与电动势之间的关系。3．测量直流电压的方法与步骤。【教学难点】 难点：电压、电位、电动势的的基本概念；电源端电压与电动势之间的关系 【关键点】 明确电压的大小及其测量 【教学方法】 多媒体演示法、讲授法、谈话法、理论联系实际法 【教具资源】 多媒体课件、直流电源、小灯泡、开关、连接导线若干、电压表、万用表 【教学过程】 一、导入新课 教师演示小灯泡实验电路。如在小灯泡安全使用范围内，分别用完全相同的2节1.5V电池串接后供电和其中的1节1.5V电池供电，让学生观察小灯泡亮度。进而引导学生明白小灯泡的亮度与加在小灯泡两端的电压（即电源提供的电压）大小有关，从而引出本节课的学习内容——电压及其测量。 二、讲授新课 教学环节1： 电压与电位 （一）电压 教师活动1：教师可利用多媒体动画演示电场力做功的过程，引导学生分析，引出电压的定义式。 学生活动1：学生仔细观察多媒体动画，在教师的引导下，理解电压的定义式。教师活动2：教师可利用多媒体课件，讲解电压的方向、参考方向与实际方向。学生活动2：学生在教师的引导下，通过练习掌握电压参考方向与实际方向之间的联系和区别。 （二）电位 教师活动：教师可利用类比的方法，借助电压的联系进行讲解。 学生活动：学生在教师的引导下分析总结电位的定义及电位与电压之间的关系。知识点： 电压的定义式：A、B两点间的电压UAB在数值上等于电场力把正电荷由A点移到B点所做的功WAB与被移动电荷的电荷量的比值。即UABWAB。电压的方向：规定电压的方向由q高电位指向低电位，即电压降低的方向。电压的单位是V（伏），通常还有kV（千伏）和mV（毫伏）。在电路计算时，若事先无法确定电压的真实方向，常常先假定电压的参考方向。电位：电路中某点的电位就是该点与参考点之间的电压，规定参考点的电位为零。电压与电位之间的关系：电压就是两点间的电位差。在电路中，A、B两点间的电压等于A、B两点的电位之差，即UABVAVB。 教学环节2： 电源电动势与端电压 （一）电源电动势 教师活动：教师可通过实物展示常用电池的电动势，利用多媒体动画演示正电荷在电源力、电场力作用下移动过程。 学生活动：学生仔细观察各种电池的电动势，并在教师的引导下分析电源力做功的性质与过程，从中理解电动势大小的定义式。 （二）电源电动势与端电压 教师活动：教师可演示电源端电压测试实验，用电压表或万用表测量电源开路与通路时端电压的值，帮助学生分析电动势与端电压之间的关系。 学生活动：学生观察电源端电压测试演示实验，在教师的引导下分析电源电动势与端电压之间的关系。 知识点： 电源电动势通常标在电池的外表面；电动势的大小：等于电源力把正电荷从低电位（负极）移动到高电位（正极），克服电场力所做的功W，与被移动电荷量q的比值。即EW。q电源两端的电压称为电源的端电压。当电源开路时，电源的端电压U在数值上等于电源的电动势E，即U＝E；当电源工作时，电源的端电压U在数值上小于电源的电动势E，即U＜E。 教学环节3：电压的测量 教师活动：教师可利用多媒体展示电压表测量直流电压时的接线电路图与万用表测量直流电压时的接线示意图，教师结合展示的电压表接线电路图与万用表接线示意图，分别讲解电压表与万用表测量直流电压的方法和步骤。讲解时可结合万用表和电压表实物。 学生活动：学生仔细观察电表实物或根据展示的电压表接线电路图与万用表接线示意图，并在教师的引导下，学习测量直流电压的方法、操作步骤及注意事项。 知识点： 测量直流电压的方法、操作步骤及注意事项。测量直流电压一般用直流电压表，也可用万用表的直流电压挡代替电压表进行测量。 电压表使用时应注意：①与被测电路并联；②注意电压的极性。直流电压表的“+”接线柱接电压的正极，“－”接线柱接电压的负极；③选择合适的量程。电压表选用量程一般为被测电压的1.5～2倍，若事先无法确定被测电压的大小，量程的选择一般应从大到小，直到合适为止。 万用表测直流电压时应注意挡位与量程选择开关应选择在直流电压区的合适位置。其他注意事项同电压表。 教学环节4：常用电池及其应用 教师活动：教师可利用多媒体课件或实物展示各种常用电池，并介绍其应用。学生活动：学生仔细观察各种常用电池，了解其应用。 三、课堂小结 1．电压与电位。2．电源电动势与端电压。3．电压的测量。4．常用电池及其应用。 四、课堂练习 教材中思考与练习第1、2题 五、课后作业 “学习辅导与练习”同步训练2.3中的部分内容。 【课题名称】实训项目一 万用表的基本操作 【课时安排】 2课时（90分钟）【教学目标】 1．熟悉指针式万用表面板各部分组成及其功能。2．掌握万用表测量直流电压、电流及电阻的方法与步骤。3．学会万用表测直流电压、电流及电阻时的正确读数。【教学重点】 万用表测量直流电压、电流及电阻的方法与步骤；正确读数。【教学难点】 难点：读数 【关键点】 直流电压的测量与读数 【教学方法】 多媒体演示法、实物展示法、讲授法、谈话法、理论联系实际法、实践操作法 【教具资源】 多媒体课件、万用表、电池、电池盒、面包板、小灯泡、导线若干、色环电阻若干 【教学过程】 一、导入新课 教师可设置问题情景：如小明玩赛车时把新旧电池混在了一起，请学生们帮小明想办法来区分新旧电池，从中引出本节课的学习内容——万用表的基本操作。 二、讲授新课 教学环节1： 认识指针式万用表面板 （一）指针式万用表面板 教师活动：教师可展示指针式万用表实物，利用多媒体讲解万用表各部分组成、作用及其相关操作。 学生活动：学生每人或两人一组准备一个万用表，在教师的引导与讲解下，结合万用表实物学习、认识万用表面板各部分组成及其作用。 （二）操作前的准备 教师活动：教师可边示范边讲解操作前的各项准备工作。 学生活动：学生可在教师的讲解和引导下，模仿、练习操作前的所有准备工作。知识点： MF47A型指针式万用表主要分为刻度盘和操作面板两部分。操作面板上主要有机械调零旋钮、电阻调零旋钮、挡位与量程选择开关、表笔插孔等。万用表操作前的准备：①将万用表水平放置；②机械调零；③插入表笔；④电气调零；⑤使用完毕后转换开关的放置。 教学环节2：直流电压与电流的测量 （一）直流电压的测量 教师活动：教师可用测量电池两端电压为例，结合多媒体课件，边示范边讲解万用表测量电池两端电压的操作方法与步骤。 学生活动：学生可仔细观察教师的示范操作过程，模仿、练习万用表测干电池两端电压的方法与操作步骤。 注意：红表笔接高电位端，黑表笔接低电位端。 （二）直流电流的测量 教师活动：教师可结合多媒体课件，演示直流电流测量的方法与操作步骤。 学生活动：学生可仔细观察教师的演示实验并结合多媒体课件，总结直流电流测量的方法与步骤。 知识点： 万用表测直流电压的操作步骤：①选择挡位与量程。转换开关应旋至直流电压测量区，量程的选择一般为被测电压的1.5～2倍，若事先无法确定被测值的大小，量程的选择一般应从大到小，直到合适为止。②与被测电压并联。红表笔接高电位端，黑表笔接低电位端。 万用表测量直流电流的操作步骤：①选择挡位与量程。转换开关应旋至直流电流测量区，量程的选择一般为被测电压的1.5～2倍，若事先无法确定被测值的大小，量程的选择一般应从大到小，直到合适为止。②与被测电流串联。电流从红表笔流进，黑表笔流出。 教学环节3：直流电阻的测量 教师活动：教师可用测量10k的色环电阻器为例，结合多媒体课件，边示范边讲解万用表测量电阻的操作方法与步骤。 学生活动：学生仔细观察教师的示范操作过程，边总结边练习万用表测色环电阻的操作过程。 知识点： 万用表测电阻的操作方法与步骤：①选择倍率。测量电阻时，转换开关应旋至电阻测量区，倍率的选择应以测量时指针在刻度盘的中间位置为标准。②电阻调零。每次选好或更换倍率后，测量之前必须进行电阻调零。电阻调零操作方法同“电气调零”。③测电阻。用万用表的红、黑表笔分别接被测电阻的两端。 教学环节4：正确读数 （一）测量直流电压与电流时的读数 教师活动：教师可通过1—2个具体实例，讲解测直流电压与电流时正确读数的步骤。学生活动：学生可在教师的引导下，练习正确读数。知识点： 读数时，一般刻度盘与量程选择开关配合进行。测量直流电压与电流时，应该看刻度盘中从上至下的第二根标尺，其左端为“0”，右端为满量程，标有“250、50、10”三组量程。标尺上共标有50小格、10大格，选择哪一组量程读数方便，具体要看挡位与量程选择开关所选择的位置。正确的读数步骤：①根据挡位与量程选择开关所处位置，明确满量程的值；②计算每小格所代表的值；③明确指针所指的格数；④计算测量值：测量值＝指针所占格数×每小格所代表的值。 （二）测量电阻时的读数 教师活动：教师可通过1—2个具体实例，讲解测电阻时正确读数的步骤。学生活动：学生在教师的引导下，练习正确读数。知识点： 测电阻，应该看刻度盘中最上方的第一根标尺，其左端为无穷大“”，右端为“0”，并且标尺刻度是不均匀的。电阻的测量值＝刻度数×倍率。 三、课堂小结 1．认识指针式万用表面板各部分组成及其作用。2．直流电压与电流的测量。3．直流电阻的测量。4．正确读数。 注意：测量电阻时，每次选好或更换倍率后，测量之前必须进行电阻调零。 四、课堂练习 1．万用表测量直流电压，若量程选择开关选择在直流10V，指针所指的位置如图2.3所示，那么被测电压值为多少？若是测量直流电流，量程选择开关选择在直流50mA，指针所指的位置仍为如图2.3所示，那么被测电流值为多少？ 2．若图2.3所示为测量某电阻时指针所指的位置，已知挡位与量程选择开关选择在R×10挡，试计算被测电阻的值。 五、课后作业 “学习辅导与练习”同步训练2.3中的部分内容。 图2.3 指针所指位置示意图 【课题名称】实训项目二 万用表测直流电压与电流 【课时安排】 1课时（45分钟）【教学目标】 1．学会根据原理图在面包板上搭接简单电路。 2．熟练掌握万用表测量直流电压与电流的操作过程与方法，并能正确读数。【教学重点】 万用表测量直流电压与电流并正确读数。【教学难点】 难点：小电路的搭接 【关键点】 明确直流电压与电流的测量过程与方法 【教学方法】 实践操作法、多媒体展示法、做中学、个别指导 【教具资源】 万用表、各种直流电源、面包板、小灯泡、导线若干 【教学过程】 任务一 直流电压的测量练习1．测干电池两端的电压 教师活动：教师可示范测电池两端电压的操作方法与过程，并组织学生进行测量。学生活动：学生可在教师的引导下练习测电池两端电压，并把测量结果填入规定的表格中。 注意：挡位与量程选择开关旋至直流2.5V挡较合适。2．测直流电源的输出电压 教师活动：教师可示范测直流电源输出电压（6V）的操作方法与过程，并组织学生进行测量。 学生活动：学生可在教师的引导下练习测电阻两端电压，并把测量结果填入规定的技训表中。 注意：挡位与量程选择开关旋至直流10 V挡较合适。任务二 直流电流的测量练习1．搭接小电路 教师活动：教师可介绍面包板的使用方法；分析小电路原理图，利用多媒体展示搭接的实物图，并布置任务与要求。 学生活动：学生根据要求在面包板上正确搭接电路。2．测电路中的电流 教师活动：教师可现场示范或利用多媒体展示测电流的正确操作方法与步骤。学生活动：学生可在教师的组织与引导下练习直流电流的测量。任务三 实训小结 教师活动：教师可引导学生总结用万用表测直流电压与电流的操作步骤、注意事项及收获与体会，并检查任务完成情况、仪器仪表的使用情况、安全文明操作以及团队协作精神。 学生活动：学生在教师的引导下自行总结测量直流电压与电流的操作过程、注意事项及收获与体会，并根据要求进行自我评价。 课后拓展 想一想如何用万用表测家用插孔中220V的交流电？请写出其操作步骤。 【课题名称】2.4 电阻及其测量 【课时安排】 2课时（90分钟）【教学目标】 1．理解电阻的含义，会利用电阻定律计算导体电阻的大小。 2．学会常用电阻器的识别，掌握色环电阻器标称阻值、允许误差的识读，理解电阻器额定功率的含义。 3．掌握万用表测直流电阻的方法与步骤，了解使用兆欧表测绝缘电阻及用电桥对电阻进行精密测量的方法。 4．了解电阻与温度的关系及其在家电产品中的应用。【教学重点】 1．电阻的含义，利用电阻定律计算导体电阻的大小。 2．常用电阻器的识别，色环电阻器标称阻值、允许误差的识读，电阻器额定功率的含义。【教学难点】 难点：色环电阻器标称阻值的识读；电阻器额定功率的含义。【关键点】 明确电阻的大小及其测量 【教学方法】 多媒体演示法、讲授法、谈话法、实例教学法、实践操作法 【教具资源】 多媒体课件、常用电阻器若干、万用表、兆欧表、单臂电桥、电动机 【教学过程】 一、导入新课 教师可利用多媒体或实物展示“220V 100W”与“220V 40W”的两个普通白炽灯，让学生仔细观察灯泡中灯丝的粗细，“220V 100W”的白炽灯灯丝相对较粗，教师进而分析灯丝电阻与灯丝的粗细有关，从而引出本课的学习内容——电阻及其测量。 二、讲授新课 教学环节1：电阻与电阻定律 教师活动：教师可运用类比或提问的方式讲解电阻的基本概念、常用单位及其电阻定律，利用电阻定律讲解一定的例题。 学生活动：学生可在教师的引导下理解电阻的基本概念，掌握其常用单位，学习电阻定律，通过例题学会电阻定律的具体应用。 知识点： 电阻：当自由电子在导体中作定向运动时会受到阻碍，表示这种阻碍作用的物理量称为电阻。电阻的单位是（欧姆），常用的还有k（千欧）、M（兆欧）。电阻定律：实验证明，在温度不变时，一定材料制成的导体的电阻跟它的长度成正比，跟它的横截面积成反比，这个规律称为电阻定律，用公式表示为：RL。导体的电阻与温度有关，通常情S况下，纯金属的电阻随温度的升高而增大；有的合金如康铜和锰铜的电阻与温度变化的关系不大；碳和有些半导体的电阻随温度的升高而减小。 教学环节2：电阻器 （一）常用电阻器 教师活动：教师可利用实物或多媒体展示各种常用的电阻器外形。学生活动：学生可仔细观察展示的各种常用的电阻器外形。 （二）电阻器的主要参数 教师活动：教师可通过具体的实例，讲解电阻器主要参数标称阻值、允许误差和额定功率的识读。特别是标称阻值和允许误差的识读，主要以直标法、文字符号法、色标法为例，并给学生一定的练习。 学生活动：学生可在教师的引导下，学习电阻器主要参数的识读方法，特别是直标法、文字符号法和色标法的识读，并根据教师提供的习题进行练习。 知识点： 电阻：当自由电子在导体中作定向运动时会受到阻碍，表示这种阻碍作用的物理量称为电阻，用字母R表示。电阻的单位是欧姆，符号是，常用单位还有k（千欧）和M（兆欧）。电阻定律：在温度不变时，一定材料制成的导体的电阻跟它的长度成正比，跟它的横截面积成反比。用公式表示为：RL。导体的电阻与温度有关，通常情况下，纯金属的S电阻随温度的升高而增大。有的合金如康铜和锰铜的电阻与温度变化的关系不大。而碳和有些半导体的电阻随温度的升高而减小。常用电阻器一般可分为固定电阻器、可变电阻器和敏感电阻器等。电阻器的主要参数：标称阻值、允许误差和额定功率。电阻器阻值常用的表示方法有直标法、文字符号法和色标法。 教学环节3：电阻的测量 （一）万用表测电阻 教师活动：教师可以测量10k的色环电阻器为例，结合多媒体课件，边示范边讲解万用表测量电阻的操作方法与步骤。 学生活动：学生仔细观察教师的示范操作过程，可在教师的引导下边总结边练习万用表测色环电阻的操作过程。 （二）单臂电桥测电阻 教师活动：教师可以测量100精密电阻器为例，结合多媒体课件，边示范边讲解单臂电桥测电阻的操作方法与步骤。 学生活动：学生仔细观察教师的示范操作过程，可在教师的引导下边总结边练习单臂电桥测电阻的操作过程。 （三）兆欧表测绝缘电阻 教师活动：教师可以测电动机接地电阻为例，结合多媒体课件，边示范边讲解兆欧表测绝缘电阻的操作方法与步骤。学生活动：学生仔细观察教师示范操作过程，可在教师的引导下边总结边练习兆欧表测绝缘电阻的操作过程。 知识点： 万用表测电阻的操作方法与步骤：①选择倍率。测量电阻时，转换开关应旋至电阻测量区，倍率的选择应以测量时指针在刻度盘的中间位置为标准。②电阻调零。每次选好或更换倍率后，测量之前必须进行电阻调零。电阻调零操作方法同“电气调零”。③测电阻。用万用表的红、黑表笔分别接被测电阻的两端。单臂电桥测电阻的方法与步骤：①先将检流计的锁扣打开（内→外），调节调零器把指针调到零位。②把被测电阻接在“Rx”的位置上。③估计被测电阻的大小，选择适当的桥臂比率，使比较臂的四档都能被充分利用。④先按电源按钮B（锁定），再按下检流计的按钮G（点接）。⑤调整比较臂电阻使检流计指向零位，电桥平衡。⑥读取数据：被测电阻=比较臂读数之和×比率臂。⑦测量完毕，先断开检流计按钮，再断开电源按钮，然后拆除被测电阻，再将检流计锁扣锁上，以防搬动过程中损坏检流计。兆欧表测绝缘电阻的一般步骤：①将兆欧表放置在平稳的地方。②开路试验。将兆欧表的两接线端分开，摇动手柄。正常时，兆欧表指针应指向“∞”。③短路试验。将兆欧表的两接线端接触，摇动手柄。正常时，兆欧表指针应指向“0”。在摇动手柄时不得让L和E短接时间过长，否则将损坏兆欧表。④用单股导线将“L”端和“E”端分别接在被测电阻两端，摇动手柄，摇动手柄的转速要均匀，一般规定为120/mim，允许有±20%的变化。⑤使用后，将“L”、“E”两导线短接，对兆欧表作放电工作，以免触电事故。 教学环节4：电阻与温度的关系在家电产品中的应用 教师活动：教师可联系生活实际或利用多媒体说明正温度系数电阻器和负温度系数电阻的具体应用场合。 学生活动：学生可根据教师提供或讲解的实例了解正温度系数电阻器和负温度系数电阻的具体应用场合。 三、课堂小结 1．电阻与电阻定律。2．常用电阻器。3．电阻器的主要参数。4．电阻的测量。 5．电阻与温度的关系在家电产品中的应用。 四、课堂练习 教材中的思考与练习题 五、课后作业 “学习辅导与练习”同步训练中的2.4。 【课题名称】实训项目三 万用表测电阻 【课时安排】 1课时（45分钟）【教学目标】 1．熟悉万用表测固定电阻器的基本操作，并会正确读数。2．学会万用表测电位器、光敏电阻器阻值的变化。【教学重点】 万用表测固定电阻器并正确读数。【教学难点】 难点：万用表测电位器和光敏电阻器阻值的变化 【关键点】 万用表测电阻的基本操作 【教学方法】 讲授法、实践操作法、多媒体展示法、个别辅导法 【教具资源】 万用表、小灯泡、色环电阻器若干、光敏电阻器、电位器 【教学过程】 任务一 各种电阻器的识别 教师活动：教师可结合多媒体展示各种电阻器实物，并讲解各种电阻器的特点和用法。学生活动：学生可仔细观察多媒体与教师的讲解，了解各种电阻器的特点和用法。知识点： 小灯泡两端的电阻是固定电阻。电位器有三个端，其中1、3端之间的值是固定的，1、2或2、3端之间的电阻是可变的。光敏电阻器的阻值会随光照强度的变化而变化。 任务二 测小灯泡电阻和色环电阻器 教师活动：教师可提示小灯泡电阻和色环电阻器阻值的大致范围，提醒学生正确选择倍率。 学生活动：学生可在教师的提示和提醒下正确选择倍率，并按要求进行测量，把测量结果填入相应的表格中。 注意：每次选择倍率后必须进行电阻调零。任务三 测电位器和光敏电阻器的阻值 教师活动：教师可利用多媒体说明并讲解电位器和光敏电阻器的特点和使用方法，并说明测量要求。 学生活动：学生可在教师的指导下学习电位器和光敏电阻器的特点和使用方法，并按要求进行测量训练。 注意：电位器的三个端点不要搞错。知识点： 测电位器标称阻值及阻值变化情况操作步骤：①选择合适的挡位与倍率。②测标称阻值。万用表的红、黑表笔分别接电位器的“ 1、3”两个管脚进行测量，并正确读数。③测阻值变化情况。万用表的红、黑表笔分别接电位器的“ 1、2”或“ 2、3”两个管脚，同时旋转电位器的旋钮，观察万用表指针的变化情况。测光敏电阻器阻值变化情况操作步骤：①选择合适的挡位与倍率。②测阻值变化情况。用万用表的红、黑表笔分别接光敏电阻器的两个管脚，然后用黑纸片慢慢靠近光敏电阻器，直到完全挡住光照为止。在这个过程中，仔细观察万用表指针的变化情况。 任务四 实训小结 教师活动：教师可引导学生总结用万用表测固定电阻器、电位器及光敏电阻器的操作步骤、注意事项及收获与体会，并检查任务完成情况、仪器仪表的使用情况、安全文明操作以及团队协作精神。 学生活动：学生可在教师的引导下自行总结测量固定电阻器、电位器及光敏电阻器的操作过程、注意事项及收获与体会，并根据要求进行自我评价。 课后拓展 请问你知道热敏电阻器吗？通过课外学习说一说热敏电阻器的特点和使用方法。 【课题名称】2.5 部分电路欧姆定律 【课时安排】 1课时（45分钟）【教学目标】 1．学会用欧姆定律分析和解决实际问题。2．理解电阻的伏安特性。 3．会区分线性电阻和非线性电阻，了解其典型应用。【教学重点】 1．运用欧姆定律分析和解决实际问题。2．电阻的伏安特性。【教学难点】 难点：电阻的伏安特性 【关键点】 用欧姆定律分析和解决实际问题 【教学方法】 多媒体演示法、讲授法、谈话法、练习法 【教具资源】 多媒体课件、电阻器、二极管 【教学过程】 一、导入新课 教师可通过展示1—2个具体实例让学生自主练习，学生在练习的过程中回忆并复习初中已学过的部分电路欧姆定律。 二、讲授新课 教学环节1：部分电路欧姆定律 教师活动：教师可设计并出示各种类型的例题。学生活动：学生可在教师的引导下自主练习相关例题。知识点： 部分电路欧姆定律：在电阻电路中，电路中的电流I与电阻两端的电压U成正比，与电阻R成反比，这就是部分电路欧姆定律。部分电路欧姆定律可以用公式表示为IU。 R注意：欧姆定律的变式RU并不表示电阻的阻值会随电阻两端电压的变化而改变，也 I不会随通过电阻的电流变化而改变，此公式只是说明电阻的阻值可通过测量电阻两端的电压与通过电阻的电流大小来进行计算。 教学环节2：电阻的伏安特性 教师活动：教师可利用多媒体展示线性电阻（如固定电阻器）和非线性电阻（二极管）两端电压与通过的电流之间的关系图，并讲解线性电阻与非线性电阻的特点。 学生活动：学生可仔细观察教师展示的各种电压与电流之间的关系图，并在教师的讲解下理解电阻的伏安特性。 教学环节3：非线性电阻的典型应用 教师活动：教师可联系学生的生产生活实际，结合多媒体展示，讲解各种非线性电阻的典型应用。 学生活动：学生可联系生产生活实际，仔细听讲。知识点： 线性电阻与非线性电阻：电阻阻值不随电压、电流变化而改变的电阻称为线性电阻。人们平常所说的电阻都是线性电阻，线性电阻的阻值是一个常数，其电压与电流关系符合欧姆定律。反之，电阻阻值随电压或电流变化而改变的电阻称为非线性电阻。非线性电阻的阻值不是常数，其电压与电流关系不符合欧姆定律。伏安特性：一般把电阻两端电压U和通过电阻的电流I之间的对应变化关系，称为电阻的伏安特性，二者之间的变化关系曲线称为伏安特性曲线。线性电阻的伏安特性曲线是一条通过原点的直线，非线性电阻的伏安特性曲线是一条曲线。 三、课堂小结 1．部分电路欧姆定律。2．电阻的伏安特性。3．非线性电阻的典型应用。 四、课堂练习 教材中思考与练习第1、2题 五、课后作业 “学习辅导与练习”同步训练中的2.5。 【课题名称】2.6 电能与电功率 【课时安排】 1课时（45分钟）【教学目标】 1．理解电能与电功率的基本概念，学会电能与电功率的计算。2．知道额定值（额定电压、额定功率）的含义。3．了解单相电能表的铭牌。【教学重点】 电能与电功率的计算；额定值的理解 【教学难点】 难点：额定值的理解 【关键点】 电能与电功率的计算 【教学方法】 多媒体演示法、讲授法、谈话法、举例法、练习法 【教具资源】 多媒体课件、单相感应式电能表 【教学过程】 一、导入新课 教师可通过创设以下情境：若在标有“220V、40W”的灯泡、“220V、55W”的电风扇、“220V、1500W”的电吹风、“220V、1000W”的电饭煲两端都加上220V电压，请问连续使用1小时后，你知道哪个用电器消耗电能最多？哪个最少？分别为多少？然后引出电能的概念。 二、讲授新课 教学环节1：电能与电功率 教师活动：教师可讲解电能与电功率的计算公式和常用单位。学生活动：学生可仔细听教师的讲解。知识点： 电能：在电场力的作用下，电荷定向运动形成的电流所做的功称为电能。电流做功的过程就是将电能转换成其它形式的能的过程。如果加在导体两端的电压为U，在时间t内通过导体横截面的电荷量为q，则电流所做的功即电能W＝U q＝Uit。电能的单位是焦〔耳〕，简称焦，符号是J。在实际使用中，电能常用千瓦·时（俗称度）为单位，符号是kW·h，即1kW·h＝3.6×10J。 电功率：电功率是描述电流做功快慢的物理量。电流在单位时间内所做的功叫做电功率。如果在时间t内，电流通过导体所做的功为W，那么电功率为P＝W/t。纯电阻电路，电功率的公式还可以写成P＝UI＝U2/ R＝I2R。 教学环节2：额定值 6教师活动：教师可通过例举一些电器中的铭牌数据，说明额定值的意义。然后例举一些含有额定值并需要计算电能与电功率的相关例题。 学生活动：学生可通过边思考边听教师讲解，从而理解额定值所代表的意义。然后在教师的引导下，做一些练习题，以便掌握电能与电功率的计算。 知识点： 额定值：额定值就是保证电气设备能长期安全工作的最大电压、电流和功率，分别称为额定电压、额定电流和额定功率。电气设备的额定值通常标在一块金属牌（铭牌）上，固定在设备外壳上，因而有时额定值又称为铭牌数据，如灯泡上220V、40W即为额定值。 教学环节3：电能表 教师活动：教师可结合多媒体展示电能表实物，讲解电能表上铭牌数据所代表的意义。学生活动：学生可边仔细观察实物及多媒体，边在教师的引导下理解铭牌数据所代表的意义。 知识点： 在电能表的铭牌上都标有一些字母和数字，其中DD228电能表的型号，DD表示单相电能表，数字228为设计序号；一般家庭使用就需选用DD系列的电能表，设计序号可以不同。220V、50Hz是电能表的额定电压和工作频率，它必须与电源的规格相符合。5（10）A是电能表的标定电流值和最大电流值，5（10）A表示标定电流为5A，允许使用的最大电流为20A。1200r/kWh表示电能表的额定转速是每千瓦﹒时1200转。 三、课堂小结 1．电能与电功率。2．额定值。3．电能表。 四、课堂练习 教材中思考与练习第1、2题 五、课后作业 1．“学习辅导与练习”同步训练中的2.6。 在实际的放大电路中，无论是分立元件放大器还是集成放大器，其末级都要求输出较大的功率以便驱动如音响放大器中的扬声器、电视机的显像管和计算机监视器等功率型负载。能够为负载提供足够大功率的放大电路称为功率放大电路，简称功放。 功率放大电路按构成放大电路器件的不同可分为分立元件功率放大电路和集成功率放大电路。由分立元件构成的功率放大电路，电路所用元器件较多，对元器件的精度要求也较高。输出功率可以做得比较高。采用单片的集成功率放大电路，主要优点是电路简单，设计生产比较方便，但是其耐电压和耐电流能力较弱，输出功率偏小。 功率放大电路按放大信号的频率，可分为高频功率放大电路和低频功率放大电路。前者用于放大射频范围（几百千赫兹到几十兆赫兹）的信号，后者用于放大音频范围（几十赫兹到几十千赫兹）的信号。本章主要讨论的是低频功率放大电路。 6.1 功率放大器的一般问题 6.1.1功率放大器的特点及主要指标 从能量控制和转换的角度来看，功率放大电路和一般的放大电路没有本质的区别。但功率放大电路上既有较大的输出电压，同时也有较大的输出电流，其负载阻抗一般相对较小，输出功率要求尽可能大。因此从功率放大电路的组成和分析方法，到电路元器件的选择，都与前几章所讨论的小信号放大电路有很大的区别。低频功率放大器的主要指标有以下几项： 1．提供尽可能高的输出功率Po 功率放大器的主要要求之一就是输出功率要大。为了获得较大的输出功率，要求功率放大管（简称功放管）既要输出足够大的电压，同时也要输出足够大的电流，因此管子往往在接近极限运用状态下工作。 所谓最大输出功率，是指在输入正弦信号时，输出波形不超过规定的非线性失真指标时，放大电路最大输出电压和最大输出电流有效值的成积，即： PoUoIoUom2Iom212UomIom 2．提供尽可能高的功率转换效率 功率放大器实质上是一个能量转换器，它将直流电源提供的功率转换成交流信号的能量提供给负载，但同时还有一部分功率消耗在功率管上并产生热量。 所谓效率就是负载得到的有用信号功率和电源提供的直流总功率的比值，其定义为 PoPV （6.1） 式中，Po为输出信号功率，PV为直流总功率。显然， 越大越好，但总有0≤ ≤1。设功放管的损耗功率为PVT，则有 PV =Po+PVT （6.2） 式（6.2）表明，提高效率 可以在保持输出功率Po不变的情况下降低损耗功率PVT。 值得注意的是，效率越低，输出功率就越低，相对的消耗在电路内部的损耗功率也就越124 高，这部分电能使元器件和功率管的温度升高，对电路的工作造成不利。 3．非线性失真要小 功率放大器是在大信号下工作，电压电流摆动幅度很大，所以不可避免地产生非线性失真。而同一功率管的输出功率越大，非线性失真也就越严重。在实际应用中，我们应根据负载的不同要求来选择重点，如在音响和测量设备中应尽量减小非线性失真。而在控制继电器和驱动电机等工业控制场合，允许有一定的非线性失真，而以输出功率为主要目的。 4．功率管的散热要好 在功率放大器中，即使最大限度地提高效率，仍有相当大的功率消耗在功率管上，使其温度升高。为了充分利用允许的管耗，使管子输出的功率足够大，就必须研究功率管的散热问题。为了功率管的工作安全，必须给它加装散热片。功率管装上散热片后，可使其输出功率成倍提高。 6.1.2功率放大电路工作状态的分类 电路测试42 基本放大电路效率的测量 （见9.6） 功率放大电路按放大器中三极管静态工作点设置的不同，可以分为甲类、乙类、甲乙类三种。如图6-1所示。 图6-1 功率放大电路的三种工作状态 a）甲类 b）甲乙类 c）乙类 甲类功率放大电路通常将工作点设置在交流负载线的中点，放大管在整个输入信号周期内都导通，有电流流过。甲类功放的导通角为θ=360°。 在甲类放大器中，当工作点确定之后，不管有无交流信号输入，直流电源提供的功率PV始终是恒定的，且为直流电压VCC与直流电流IC之积，PVVCCIC 因此，由式（6.2）容易理解，当交流输出功率Po越小时，管子及电阻上损耗的功率即无用功 率PVT反而越大，这种损耗功率通常以热量的形式耗散出去。也就是说，在没有信号输出时，放大器的负荷恰恰是最重的，最有可能被热击穿，显然这是极不合理的。 甲类功放的最大缺点是效率低下，可以证明在理想情况下，甲类放大电路的效率最高也只能达到50%。实际的甲类放大器的效率通常在10%以下。如果能做到无信号时，三极管处于截止状态，电源不提供电流，只在有信号时电源才提供电流。把电源提供的能量大部分用到负载上，整体效率就会提高很多。按照此要求设计的放大器就是乙类功率放大器。乙类功率放大电路通常将工作点设置在截至区，放大管在整个输入信号周期内仅有半个周期导通，有电流流过。乙类功放的导通角为θ=180°。 甲乙类功率放大电路通常将工作点设置在放大区内，但很接近截至区，放大管在整个输入信号周期内有大半个周期导通，有电流流过。甲乙类功放的导通角为180°≤θ≤360°。 甲乙类和乙类放大器的效率大大提高，因此甲乙类和乙类放大器主要用于功率放大电路中。 功率放大电路还有丙类，丁类等。丙类放大器一般用在高频发射机的谐振功率放大电路中，其导通角为θ≤180°。丁类放大器工作于开关状态，由于其工作效率高而得到越来越广泛的应用。 6.2 乙类互补对称功率放大电路 6.2.1 OCL电路的组成 乙类放大电路虽然管耗小，有利于提高效率，但存在严重的失真，只有半个周期导通，即输出信号只有半个波形。常用两个对称的乙类放大电路，一个放大正半周信号，而另一个放大负半周信号，从而在负载上得到一个合成的完整波形，这种两管交替工作的方式称为推挽工作方式，这种电路称为乙类互补对称推挽功率放大电路。 电路测试43 基本互补对称电路的测试（见9.6） 功率放大器的基本电路如图6-2a所示，该电路中，VT1和VT2分别为NPN型管和PNP型管，两管的基极和发射极分别相互连接在一起，信号从基极输入，从射极输出，RL为负载。这个电路可以看成是由图6-2b，6-2c两个射极输出器组合而成。 图6-2 两射极输出器组成的基本互补对称电路 a）基本互补对称电路 b）由NPN管组成的射极输出器 c）由PNP管组成的射极输出器 （1）静态分析 当输入信号ui=0时，两个三级管都工作在截至区，此时的静态工作电流为零，负载上无126 电流流过，输出电压为零。输出功率为零。 （2）动态分析 当信号处于正半周时，VT2截止，VT1放大，有电流通过负载RL；而当信号处于负半周时，VT1截止，VT2放大，仍有电流通过负载RL。负载RL上流过的电流是一个完整的正弦波信号。 在电路完全对称的理想情况下，负载电阻上的直流电压为零，因此，不必采用耦合电容来隔直流，所以，该电路称为无输出电容电路（OCL电路）。 6.2.2 OCL电路的性能分析 参见图6-2a，为分析方便起见，设晶体管是理想的，两管完全对称，其导通电压UBE = 0，饱和压降UCES = 0。则放大器的最大输出电压振幅为VCC，最大输出电流振幅为VCCRL，且在输出不失真时始终有ui = uo。 1.输出功率Po 设输出电压的幅值为Uom，有效值为Uo；输出电流的幅值为Iom，有效值为Io。则 PoUoIoUom2Iom2RL12122I2omRLUom2RL 2（6.3） 当输入信号足够大，使Uom=Uim =VCC UCES≈VCC时，可得最大输出功率 PoPomUomRLVCC2RL2 （6.4） 2.直流电源供给的功率PV 由于VT1和VT2在一个信号周期内均为半周导通，因此直流电源VCC供给的功率为 PV1 12100VCCiC1d(t) 2VCCICmsintd(t) 210VCCUomRLsintd(t) VCCUomRL 因为有正负两组电源供电，所以总的直流电源供给的功率为 PV2VCCUomRL2πVCCRL2 （6.5） 当输出电压幅值达到最大，即Uom≈VCC时，得电源供给的最大功率为 PVm1.27Pom （6.6） 3.效率 PoPV4UomVCC （6.7） 当输出电压幅值达到最大，即Uom≈VCC时，得最高效率 m PomPVm478.5% （6.8） 这个结论是假定互补对称电路工作在乙类，且负载电阻为理想值，忽略管子的饱和压降UCES和输入信号足够大（Uim≈Uom≈VCC）情况下得来的，实际效率比这个数值要低些。 4.管耗PVT 两管的总管耗为直流电源供给的功率PV与输出功率Po与之差 即 PVTPVPo2VCCUomRLUom2RL2 2Uom2VCCUom （6.9）RL4 显然，当ui =0即无输入信号时，Uom =0, Po, 管耗PVT和直流电源供给的功率PV 均为0。5.最大管耗和最大输出功率的关系 电路测试44 基本互补对称电路最大管耗的测量（见9.6） 当输出电压幅度最大时，虽然功放管电流最大但管压降最小，故管耗不是最大；当输出电压为零时，虽然功放管管压降最大但集电极电流最小。故管耗也不是最大。由式（6.7）知，管耗PVT是输出电压幅值Uom的一元二次函数，存在极值。对式（6.7）求导可得 dPVT/dUomUom2VCC RL2令dPVT/dUom0，则： VCCUom202 （6.10） Uom式（6.10）表明，当输出电压Uom2VCCVCC0.6VCC时具有最大管耗。 将式（6.10）代入式（6.7）可得最大管耗为： 22VCC22V222VCCVCC12VCC11CC （6.11）222RLRLRL4PVT1m而最大输出功率Pom12VCCRL2，则每管的最大管耗和电路的最大输出功率具有如下的关系 PVT1m1VCC22RL0.2Pom （6.12） 式（6.12）常用来作为乙类互补对称电路选择管子的依据，例如，如果要求输出功率为5W，则只要用两个额定管耗大于1W的管子就可以了。 需要指出的是，上面的计算是在理想情况下进行的，实际上在选管子的额定功耗时，还要留有充分的余地。 功放管消耗的功率主要表现为管子结温的升高。散热条件越好，越能发挥管子的潜力，增加功放管的输出功率。因而，管子的额定功耗还和所装的散热片的大小有关。必须为功放管配备合适尺寸的散热器。 6.2.3 功率晶体管的选择 在选择功率晶体管时，必须考虑晶体管的最大集电极功耗PCM、最大管压降VBR, CEO、最大集电极电流ICM。 ① 每只功率管的最大允许管耗PCM必须大于实际工作时的PVT1m。 ② 由于乙类互补对称功率放大电路中得一个晶体管导通时，另一个晶体管截止。当输出电压达到最大不失真输出幅度时，截止管所承受的反向电压为最大，且近似等于2 VCC。因此，应选用击穿电压VBR, CEO2VCC的功率管。 ③ 通过功率晶体管的最大集电极电流为VCC/RL，选择功率晶体管的最大允许的集电极电流应满足ICM>VCC/RL。 【例6-1】已知乙类互补对称功放电路如图6-2a所示，设VCC=24V，RL=8试求： ① 估算其最大输出功率Pom以及最大输出时的PV、PVT1和效率，并说明该功率放大电路对功率晶体管的要求。 ② 放大电路在 = 0.6时的输出功率Po的值。解 ① 求Pom 由式（6.4）可求出 Pom12VCCRL2(24V)22836W 而通过晶体管的最大集电极电流，晶体管的c, e极间的最大压降和它的最大管耗分别为 ICmVCCRL24V83AUCEm2VCC48VPVT1m0.2Pom0.236W7.2W 功率晶体管的最大集电极电流ICM必须大于3A，功率管的击穿电压VBR, CEO必须大于48V，功率管的最大允许管耗PCM必须大于7.2W。 ② 求 =0.6时的Po值。由式（6.6）可求出 Uom4VCCUomRL2424V0.6(18.3V)8218.3V 则 Po121220.9W 6.2.4 OTL电路和BTL电路 OCL乙类互补对称功率放大电路的特点是：双电源供电、由于电路无需输出电容所以电路可以放大变化较缓慢的信号，频率特性较好。但由于负载电阻直接连在两个晶体管的发射极上，假如静态工作点失调或电路内元器件损坏，负载上有可能因获得较大的电流而损坏，实际电路中可以在负载回路中接入熔断丝。 OCL乙类互补对称功率放大电路具有很多优点，但是采用双电源的供电方式很不方便，互补对称电路也可采用单电源供电，即为OTL乙类互补对称功率放大电路。 OTL乙类互补对称功率放大电路如图6-3所示，VT1和VT2组成互补对称功放的输出电路，信号从基极输入，发射极输出；VT1为前置放大级，RL为负载，C1为耦合电容，C2为输出端所接的大电容，由于VT1和VT2对称，所以静态时大电容C2上的电压为VCC/2，所以C2可以作为一个电源使用，C2还有隔直流的作用。 OTL乙类互补对称功率放大电路虽然少用一个电源，但由于大电容C2的存在，使电路对不同频率的信号会产生不同的相移，输出信号会产生失真。OTL电路的分析计算方法和OCL基本相同，只要把前面推导出的计算公式中的VCC换成VCC/2即可。 +VCCRCRB1iC1VT1C2+VCCVT1VT2VT3iLRLCEiC2uoRLuoVT3C1RB2uiVT2VT4uiRE 图6-3 OTL互补对称电路 图6-4 BTL互补对称电路 OCL电路和OTL电路的特点是效率高，但不足是电源利用率不高，电路中负载上获得的最大输出电压值只有所加电源电压的一半，电路的输出功率将受到电源电压的限制。为了提高电源的利用率，使负载上获得较大的功率，可以采用平衡式无输出变压器电路，又称为BTL电路。 BTL乙类互补对称功率放大电路如图6-4所示，VT1和VT2，VT3和VT4分别组成一对互补管，BTL电路由两组对称电路组成，RL为负载；信号从基极输入，发射极输出。静态时，负载上RL的输出为零。输入信号ui正半周时，晶体管VT1和VT4导通，输出电压最大值约为VCC，输入信号ui负半周时，晶体管VT2和VT3导通，输出电压最大值约为VCC。输出功率为： PoPom12UomRL2VCC2RL2 可以证明，在同样大小的电源电压的负载的情况下，BTL电路的效率近似为78.5%。最大输出功率是OTL电路的四倍。其输出也不需要接耦合电容。其缺点是所用的晶体管数目较多。 6.3甲乙类互补对称功率放大电路 6.3.1 乙类互补对称电路的失真 电路测试45 基本互补对称电路失真的测试（见9.6） 前面所讨论的乙类互补对称电路（图6-5a所示）在实际应用中还存在一些缺陷，主要是晶体管没有直流偏置电流，因此只有当输入电压大于晶体管导通电压（硅管约为0.7V，锗管约为0.2V）时才有输出电流，当输入信号ui低于这个数值时，VT1和VT2都截止，iC1和iC2130 基本为零，负载RL上无电流通过，出现一段死区，如图6-5b所示。这种现象称为交越失真。解决这一问题的办法就是预先给晶体管提供一较小的基极偏置电流，使晶体管在静态时处于微弱导通状态，即甲乙类状态。 图6-5 工作在乙类的双电源互补对称电路 a）电路 b）形成交越失真的原理 6.3.2 甲乙类互补对称电路 1.甲乙类双电源互补对称电路 图6-6所示为采用二极管作为偏置电路的甲乙类双电源互补对称电路。该电路中，VD1, VD2上产生的压降为互补输出级VT1、VT2提供了一个适当的偏压，使之处于微导通的甲乙类状态，且在电路对称时，仍可保持负载RL上的直流电压为0；而VD1、VD2导通后的交流电阻也较小，对放大器的线性放大影响很小。另外，VT3通常构成驱动级，为简明起见，其基极偏置电路在这里未画出。 互补对称电路 互补对称电路 图6-6 利用二极管进行偏置的图6-7 利用恒压源电路进行偏置的 采用二极管作为偏置电路的缺点是偏置电压不易调整。图6-7所示为利用恒压源电路进行偏置的甲乙类互补对称电路。该电路中，由于流入VT4的基极电流远小于流过R1, R2的电流，因此可求出为VT1, VT2提供偏压的VT4管的UCE41R1/R2UBE4，而VT4管的UBE4基本为一固定值，即UCE4相当于一个不受交流信号影响的恒定电压源，只要适当调节R1, R2的 比值，就可改变VT1, VT2的偏压值，这是集成电路中经常采用的一种方法。 2.甲乙类单电源互补对称电路 在有些要求不高而又希望电路简化的场合，可以考虑采用一个电源的互补对称电路，如图6-8所示。该电路中，C为大电容，正常工作时，可使N点直流电位UN =VCC/2，而大电容C对交流近似短路，因此C上的电压uC≈UC =UN =VCC/2。当信号ui输入时，由于VT3组成的前置放大级具有倒相作用，因此，在信号的负半周，VT1导电，信号电流流过负载RL，同时向C充电；在信号的正半周，VT2导电，则已充电的C起着双电源电路中的VCC的作用，通过负载RL放电并产生相应的信号电流。即只要选择时间常数RLC足够大（远大于信号的最大周期），单电源电路就可以达到与双电源电路基本相同的效果。 那么，如何使N点得到稳定的直流电压UN =VCC/2？在该电路中，VT3管的上偏置电阻R2的一端与N点而不是与M点相连，即引入直流负反馈，因此只要适当选择R1, R2的阻值，就可以使N点直流电压稳定并容易得到UN =VCC/2。值得指出，R1, R2还引入了交流负反馈，使放大电路的动态性能指标得到了改善。 图6-8 单电源互补对称电路 需要特别指出的是，采用单电源的互补对称电路，由于每个管子的工作电压不是原来的VCC，而是VCC/2（输出电压最大也只能达到约VCC/2），所以前面导出的计算Po, PVT, PV和PVTm的公式中的VCC要以VCC/2代替。 6.4 集成功率放大器 电路测试46 集成功率放大器的测试（见9.6） 集成功率放大器由功率放大集成块和一些外部阻容元件构成。它具有线路简单，性能优越，工作可靠，调试方便等优点，额定输出功率从几瓦至几百瓦不等。已经成为音频领域中应用十分广泛的功率放大器。 集成功率放大器中最主要的组件是功率放大集成块，功率放大集成块内部通常包括有前置级、推动级和功率级等几部分电路，一般还包括消除噪声、短路保护等一些特殊功能的电路。 功率放大集成块的种类繁多，近年来市场上常见的主要有以下三家公司的产品： ① 美国国家半导体公司（NSC）的产品，其代表芯片有LM1875、LM1876、LM3876、132 LM3886、LM4766、LM386等。 ② 荷兰飞利浦公司（PHILIPS）的的产品，其代表芯片有TDA15××系列，比较著名的有TDA1514、TDA1521。 ③ 意—法微电子公司（SGS）的的产品，其代表芯片有TDA20××系列，以及DMOS管的TDA7294、TDA7295、TDA7296等。 美国国家半导体公司的小功率音频功率放大集成电路LM386因为其外围电路比较简单，双列直插式封装，8个引脚，单电源供电，电源电压范围广（4V～12V 或 5V～18V）。功耗低，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW。输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半。频带较宽（300KHZ），输出功率0.3W～0.7W，最大可达2W。LM386主要应用于低电压消费类产品，特别适用于电池供电的场合。 图6-9所示为LM386集成功率放大器的其内部电路，该电路中由差动放大电路构成输入级，其电路形式为双端输入-单端输出结构。共射放大电路构成中间放大级，VT9和VT10构成互补对称电路的输出级。采用单电源供电的OTL电路形式。内部自带有反馈回路，电阻R7从输出端连接至输入级，与R5，R6组成反馈网络，形成电压串联交直流负反馈。可以稳定静态工作点，减小失真。VT8，VD1，VD2的作用是为VT9，VT10提供适当的直流偏置，以防止VT9，VT10产生交越失真。I为恒流源，作为中间级的负载。 R⑧⑦15kΩ15kΩ增益调节C①I⑥电源R4接旁路电容R4150ΩR51.35kΩR615kΩR7VT10VD1⑤输出反相输入VT1VT3VT2VT6VT4同相输入②VT5③VD2VT850kΩ输入级R150kΩ中间级输出级R2VT7VT9④地 图6-9 LM386集成功率放大器内部电路 图6-10a所示为LM386集成功率放大器的引脚图，②脚为反相输入端，③脚为同相输入端，⑤脚为输出端，⑥脚接电源+VCC，④脚接地，⑦脚接一个旁路电容，一般取10μF, ①脚和⑧脚之间增加一只外接电阻和电容，便可使电压增益调为任意值（LM386电压增益可调范围为20～200），最大可调至200。若①脚和⑧脚之间开路，则电压放大倍数为内置值为20；若①脚和⑧脚之间只接一个10μF的电容，则电压放大倍数可达200；如图6-10b所示为LM386集成功率放大器的典型应用电路图中若R=1.2kΩ的电阻，C=10μF的电容时，电压放大倍数可达50；使用时，可通过调节电阻R的大小来调节电压放大倍数的大小。 增益旁路电源输出调节电容+VCC6R1874CE10μF8765uinC5100μF23C2LM3861234地LM38610kΩRW1μF100ΩC1R1增益反相同相调节输入输入(a)(b) 图6-10 LM386集成功率放大器的引脚图和典型应用电路 a）LM386外形引脚排列 b）LM386典型应用电路 LM386在和其它电路结合使用时有可能产生自激，对于高频自激，可在输入端和地之间，引脚8与地之间加接一个小电容；对于低频自激，可在输入端与地之间接一电阻，同时加大电源脚（6脚）的滤波电容。 选择功率放大集成块时主要应注意芯片的输出功率、供电类型、最大、最小供电电压和典型供电电压值。其次主要考虑的因素有放大倍数（增益）的大小、效率的高低，还要考虑芯片总谐波失真的大小、频率特性、输入阻抗和负载电阻的大小，最后还要考虑外围电路的复杂程度。 6.5 功率器件 1.功率晶体管 如图6-11示为典型的功率晶体管外形示意图。为保证功率晶体管散热良好，通常晶体管有一个大面积的集电结并与热传导性能良好的金属外壳保持紧密接触。在很多实际应用中，还要在金属外壳上再加装散热片，甚至在机箱内功率管附近安装冷却装置，如电风扇等。 图6-11 功率晶体管的外形图 （1）功率晶体管的热击穿 在功率放大电路中，给负载输送功率的同时，管子本身也要消耗一部分功率，这部分功率主要消耗在晶体管的集电结上（因为集电结上的电压最高，一般可达几伏到几十伏以上，而发射结上的电压只有零点几伏），并转化为热量使管子的结温升高。当结温升高到一定程度（锗管一般约为90℃，硅管约为150℃）以后，就会使管子因过热击穿而永久性损坏，因而输出功率受到管子允许的最大管耗的限制。值得注意的是，管子允许的功耗与管子的散热情况有密切的关系。如果采取适当的散热措施，就有可能充分发挥管子的潜力，增加功率管的输134 出功率。反之，就有可能使晶体管由于结温升高而被损坏。所以解决好功率晶体管的散热问题，对于提高功率放大器的整机性能具有重要的意义。 （2）功率晶体管的二次击穿 在实际工作中，常发现功率晶体管的功耗并未超过允许的PCM值，管子本身的温度也并不高（不烫手），但功率晶体管却突然失效或者性能显著下降。这种损坏的原因，有可能是由于二次击穿所造成的。下面就二次击穿问题进行简单介绍。 二次击穿现象可以用图6-11说明。当集电极电压UCE逐渐增加时，首先出现一次击穿现象，如图6-11中AB段所示，这种击穿就是正常的雪崩击穿。当击穿出现时，只要适当限制功率晶体管的电流（或功耗），且进入击穿的时间不长，功率晶体管并不会损坏。所以一次击穿（雪崩击穿）具有可逆性。一次击穿出现后，如果继续增大iC到某数值，晶体管的工作状态将以毫秒级甚至微秒级的速度移向低电压大电流区，如图6-12中BC段所示，BC段相当于二次击穿。二次击穿的结果也是一种永久性损坏。 图6-12 晶体管的二次击穿现象 产生二次击穿的原因至今尚不完全清楚。一般来说，二次击穿是一种与电流、电压、功率和结温都有关系的效应。它的物理过程多数认为是由于流过晶体管结面的电流不均匀，造成结面局部高温（称为热斑），因而产生热击穿所致。这与晶体管的制造工艺有关。 晶体管的二次击穿特性对功率管，特别是外延型功率管，在运用性能的恶化和损坏方面起着重要影响，因此在电路设计参数选择时必须考虑二次击穿的因素。如增大功率余量、改善散热情况、选用较低的电源电压、不要将负载开路或短路、输入信号不要突然增大、对功率管采取适当的保护措施。 （3）功率晶体管的安全工作区 为了保证功率管安全工作，主要应考虑功率晶体管的极限工作条件的限制，这些条件有，集电极允许的最大电流ICM、集电极允许的最大电压UBR,CEO和集电极允许的最大功耗PCM等，另外还有二次击穿的临界条件。 如图6-13阴影线内所示为功率晶体管的安全工作区。显然，考虑了二次击穿以后，功率晶体管的安全工作范围变小了。 需要指出的是，为保证功率晶体管工作时安全可靠，实际工作时的电压、电流、功耗、结温等各变量最大值不应超过相应的最大允许极限值的50%～80%。 135 6-13 功率晶体管的安全工作区 2.功率MOSFET + 功率MOSFET的结构剖面图如图6-14所示。它以N型衬底作为漏极，在其上有一层N 型外延层，然后在外延层上掺杂形成一个P型层和一个N+ 型层源极区，最后利用光刻的方法沿垂直方向刻出一个V形槽，在V形槽表面有一层二氧化硅并覆盖一层金属铝，形成栅极。当栅极加正电压时，靠近栅极V形槽下面的P型半导体将形成一个N型反型层导电沟道（图中未画出）。可见，自由电子沿导电沟道由源极到漏极的运动是纵向的，它与第3章介绍的载流子是横向从源极流到漏极的小功率MOSFET不同。因此，这种器件被命名为VMOSFET（简称VMOS管）。 图6-14 VMOSFET结构剖面图 参见图6-14，由于VMOS管的漏区面积大，因此有利于利用散热片散去器件内部耗散的功率。同时沟道长度（当栅极加正电压时在V形槽下P型层部分形成）可以做得很短（例如1.5m），且沟道间又呈并联关系（根据需要可并联多个），故允许流过的电流ID很大。此外，利用现代半导体制造工艺，使VMOS管靠近栅极形成一个低浓度的N 外延层，当漏极与栅极间的反向电压形成耗尽区时，这一耗尽区主要出现在N外延区，N区的正离子密度低，电场强度低，因而有较高的击穿电压。这些都有利于VMOS制成大功率器件。目前制成的VMOS产品，耐压达1000V以上，最大连续电流值高达200A。 与功率BJT相比，VMOS器件具有以下优点。 ① 与MOS器件一样是电压控制电路器件，输入电阻极高，因此所需驱动电流极小，功136 率增益高。 ② 在放大区，其转移特性几乎是线性的，gm基本为常数。 ③ 因为漏源电阻温度系数为正，当器件温度上升时，电流受到限制，所以VMOS不可能有热击穿，因而不会出现二次击穿，温度稳定性高。 ④ 因无少子存储问题，加上极间电容小，VMOS的开关速度快，工作频率高，可用于高频电路（其fT≈600MHz）或开关式稳压电源等。 VMOS器件还有其他一些优点，例如导通电阻rDS,ON≈3。目前在VMOSFET的基础上又已研制出双扩散VMOSFET，或称DMOS器件，这是新的发展方向之一。 3．功率模块 这里所讨论的功率模块是指由若干BJT、MOSFET或BiFET（BJT-FET组合器件）组合而成的功率部件。这种功率模块近年来发展很快，成为半导体器件的一支生力军。它的突出特点是，大电流、低功耗，电压、电流范围宽，电压高达1200V，电流高达400A。现在已广泛用于不间断电源（UPS）、各种类型的电机控制驱动、大功率开关、医疗设备、换能器、音频功放等。 功率模块包括BJT达林顿模块、功率MOSFET模块、IGBT（绝缘栅双极型三极管）模块等。按速度和功耗又可分为高速型和低饱和压降型。这里以IGBT模块为例，介绍功率模块的结构。 IGBT是由具有高输入阻抗、高速的MOSFET和低饱和压降的BJT组成的。图6-18所示为这种IGBT结构的简化等效电路和器件符号。 图6-15 IGBT的等效电路及符号 a）等效电路 b）符号 图6-15中VT2为增强型MOS管，工作时，首先在施加于栅极电压之后形成导电沟道，出现PNP管VT1的基极电流，IGBT导电；当FET沟道消失，基极电流切断，IGBT截止。 功率模块将许多独立的大功率BJT，MOSFET等集合在一起封装在一个外壳中，其电极与散热片相隔离，型号不同，电路多样化，便于应用。 知识小结 功率放大电路研究的重点是如何在允许的失真情况下，尽可能提高输出功率和效率。 功率放大电路的特点是信号的电压和电流的动态范围大，是在大信号下工作的，小信号的分析方甲类功放电路的效率低，不适合作功放电路。与甲类功率放大电路相比，乙类互补对称功率放大 法已不再使用，功率放大电路的分析方法通常采用图解法进行分析。电路的主要优点是效率高，在理想情况下，其最大效率约为78.5%。为保证晶体管安全工作，双电源互补对称电路工作在乙类时，器件的极限参数必须满足PCM＞PVT1≈0.2Pom，UBR,CEO＞2VCC，ICM＞VCC/RL。 来考虑。由于晶体管输入特性存在死区电压，工作在乙类的互补对称电路将出现交越失真，克服交越失真集成功放具有体积小、电路简单、安装调试方便等优点而获得广泛的应用。 为了保证器件的安全运行，可从功率管的散热、防止二次击穿、降低使用定额和保护措施等方面的方法是采用甲乙类（接近乙类）互补对称电路。通常可利用二极管或三极管UBE扩大电路进行偏置。 思考与练习 6.1 如何区分晶体管是工作在甲类、乙类还是甲乙类？画出在三种工作状态下的静态工作点及相应的工作波形。 6.2 在甲类、乙类和甲乙类放大电路中，放大管的导通角分别等于多少？它们中哪一类放大电路效率高？ 6.3 由于功率放大电路中的晶体管常处于接近极限工作状态，因此，在选择晶体管时必须特别注意哪3个参数？ 6.4 有人说：“在功率放大电路中，输出功率最大时，功放管的功率损耗也最大。”这种说法对吗？设输入信号为正弦波，对于工作在甲类的功率放大输出级和工作在乙类的互补对称功率输出级来说，这两种功放分别在什么情况下管耗最大？ 6.5 与甲类功率放大电路相比，乙类互补对称功率放大电路的主要优点是什么？ 6.6 乙类互补对称功率放大电路的效率在理想情况可达到多少？ 6.7 设采用双电源互补对称电路，如果要求最大输出功率为5W，则每只功率晶体管的最大允许管耗PCM至少应多大？ 6.8 在图6-8所示电路中，用二极管VD1和VD2的管压降为VT1和VT2提供适当的偏置，而二极管具有单向导电的特性，此时输入的交流信号能否通过此二极管从而也为VT1和VT2供给交流信号？并说明理由。 6.9 设放大电路的输入信号为正弦波，问在什么情况下，电路的输出出现饱和及截止的失真？在什么情况下出现交越失真？用波形示意图说明这两种失真的区别。 6.10 在输入信号正弦波作用下，互补对称电路输出波形是否有可能出现线性（即频率）失真？为什么？ 6.11 在单电源互补对称电路中，能用式（6.4）～（6.12）直接计算输出功率、管耗、电源供给的功率、效率并选择管子吗？ 6.12 在图6-16所示电路中，设晶体管的=100，UBE=0.7V，UCES=0，ICEO=0，电容C对交流可视为短路。输入信号ui为正弦波。 ① 计算电路可能达到的最大不失真输出功率Pom。② 此时RB应调节到什么阻值？ ③ 此时电路的效率为多少？试与工作在乙类的互补对称电路比较。 6.13 双电源互补对称电路如图6-17所示，已知VCC=12V，RL=16，ui为正弦波。 ① 求在晶体管的饱和压降UCES可以忽略不计的条件下，负载上可能得到的最大输出功率Pom。② 每个管子允许的管耗PCM至少应为多少？ ③ 每个管子的耐压UBR, CEO应大于多少？ 138 图6-16 习题6.12图 图6-17 习题6.13图 6.14 参见图6-17所示电路，设ui为正弦波，RL=8，要求最大输出功率Pom = 9W。晶体管的饱和压降UCES可以忽略不计，求： ① 正、负电源VCC的最小值。 ② 根据所求VCC最小值，计算相应的最小值ICM、UBR,CEO。③ 输出功率最大（Pom =9W）时，电源供给的功率PV。④ 每个管子允许的管耗PCM的最小值。 ⑤ 当输出功率最大（Pom =9W）时所要求的输入电压有效值。 6.15 参见图6-17所示电路，管子在输入信号ui作用下，在一周内VT1和VT2轮流导通约180°，电源电压VCC=20V，负载RL=8，试计算： ① 在输入信号Ui=10V（有效值）时，电路的输出功率、管耗、直流电源供给的功率和效率。② 当输入信号Ui的幅值Uim=VCC =20V时，电路的输出功率、管耗、直流电源供给的功率和效率。6.16 一单电源互补对称电路如图6-18所示，设ui为正弦波，RL=8，管子的饱和压降UCES可以忽略不计。试求最大不失真输出功率Pom（不考虑交越失真）为9W时，电源电压VCC至少应为多大？ 图6-18习题6.16图 6.17 参见图6-8所示单电源互补对称电路，设VCC=12V，RL = 8，C的电容量很大，ui为正弦波，在忽略管子饱和压降UCES情况下，试求该电路的最大输出功率Pom。 班级： 机电-156 姓名： 李学东 验 报 告 单管共射放大电路 实验目的 （1）掌握单管放大电路的静态工作点和电压放大倍数的测量方法。 （2）了解电路中元件的参数改变对静态工作点及电压放大倍数的影响。 （3）掌握放大电路的输入和输出电阻的测量方法。 实验电路及仪器设备 （1）实验电路——共射极放大电路如下图 所示。 图（1）电路图 图（2）电路图 （2）实验仪器设备 ① 示波器 ② 低频模拟电路实验箱 ③ 低频信号发生器 ④ 数字式万用表 实验内容及步骤 （1）连接共射极放大电路。 （2）测量静态工作点。 ① 仔细检查已连接好的电路,确 认无误后接通直流电源。 ② 调节RP1使RP1＋RB11＝30k ③ 测量各静态电压值，并将结果记录。 (3)测量电压放大倍数 ① 将低频信号发生器和万用表接入放大器的输入端Ui，放大电路输出端接入 示波器，信号发生器和示波器接入直流电源，调整信号发生器的频率为1KHZ，输入信号峰－峰值为20mv左右的正弦波，从示波器上观察放大电路的输出电压UO的波形，测出UO的值，求出放大电路电压放大倍数AU ② 保持输入信号大小不变，改变RL，观察负载电阻的改变对电压放大倍数的 影响，并将测量结果记录。 （4）观察工作点变化对输出波形的影响 ① 实验电路为共射极放大电路 ② 调整信号发生器的输出电压幅值（增大放大器的输入信号Ui），观察放大 电路的输出信号的波形，使放大电路处于最大不失真状态时（同时调节 RP1与输入信号使输出信号达到最大又不失真），记录此时的RP1＋RB11值，测量此时的静态工作点，保持输入信号不变。改变RP1使RP1＋RB11分别为25KΩ和100KΩ，将所测量的结果记入表3中。（测量静态工作点时需撤去输入信号） 设计总结与体会 1、设计的过程中用理论去推算，但与实际还是有一定的误差，但不影响实验结论。 2、设计过程中会发现，一但 发生变化那么放大倍数将会改变。 3、设计过程中会发现，整个过程中静态工作点没有发生改变，三极管工作在线性区；当一但三极管没有共工作在线性区或者说三极管的静态工作点发生了改变，整个设计将要失败，所以在设计的过程中必须保持静态工作点不变使三极管工作在线性区。 4、为了使设计的放大电路不受温度的影响，即为了稳定静态工作点。设计中加了，这样使得设计更加完美。 关键词：放大电路,叠加定理,基尔霍夫定律,戴维南定理,分析 1 引言 晶体管放大电路的分析一般分为静态分析和动态分析两部分。在进行放大电路的分析时, 恰当地运用电路定理, 可以使放大电路的分析迎刃而解。 2 用叠加定理分析放大电路 晶体管放大电路在工作时, 三极管各极电流和电压的瞬时值既有直流分量, 又有交流分量, 即电路处于交直流共存的状态。如果把交直流同时进行分析, 很不方便, 所以, 一般把晶体管放大电路的静态和动态分开来进行分析。放大电路没有信号输入时的工作状态称为静态, 放大电路有信号输入时的工作状态称为动态。静态分析的主要任务是确定放大电路的静态值 (直流值) IB、IC、UCE。放大电路的质量与静态值关系很大。动态分析的主要任务是确定放大电路的电压放大倍数Au、输入电阻ri和输出电阻ro, [1]只考虑其中的交流分量。晶体管工作在放大区时, 可以看成是一个线性元件, 放大电路就可以看成是一个具有两个独立源, 即交流电源和直流电源的有源线性网络。根据叠加原理, 电路中的电流和电压等于直流分量和交流分量的叠加。 3 用基尔霍夫定律分析放大电路 在固定偏置电路中, 根据基尔霍夫定律可分析电路的静态工作点。分析三极管放大电路的静态工作点, 需要画出直流通路。静态时, 电路中没有交流信号, 由于电容“隔直”的作用, 直流电流能通过的电路部分就形成放大器的直流通路。固定偏置电路直流通路如图1所示。 根据基尔霍夫电压定律 (KVL) , 可列回路电压方程IBQRB+VBEQ-VCC=0, 变形即得IBQ= (VCC-VBEQ) /RB, 同理可得ICQRC+VCEQ-VCC=0, 变形即得VCEQ=VCC-ICQRC。可见, 应用基尔霍夫电压定律可以很方便地求出三极管放大电路的静态值IBQ、VCEQ。[2] 4 用戴维南定理分析放大电路 进行动态分析时, 首先要作出放大器的交流通路。电路在交流信号下, 由于电容“通交”的作用, 当耦合电容c1、c2容量足够大时, 容抗近似为零, 对交流信号来说可看作短路;直流电压源的内阻很小, 交流电流通过直流电源时, 两端无交流电压产生, 所以画交流通路时, 直流电源可看成短路, 即直流电源的正负极连接通地。交流通路如图2所示。对于小信号微变量, 由交流通路可得放大电路的微变等效电路, 如图3所示。 利用基本放大电路的微变等效电路, 根据戴维南定理可计算放大电路的输入电阻和输出电阻。 从信号源往放大电路里边看, 放大电路的输入回路就是一个无源二端网络, 根据戴维南定理, 该无源二端网络的等效电阻等于放大电路的输入电阻。即 通常RB>>rbe, 因此Ri≈rbe。 放大电路对负载而言, 相当于一个信号源。从负载端往放大电路里边看, 放大电路的输出回路就是一个有源二端网络, 放大电路的输出电阻就等于该有源二端网络的等效电阻。根据戴维南定理, 电流源βib等于零时, 即电流源βib所在支路开路时, 该有源二端网络的等效电阻等于放大电路的输出电阻。即 根据戴维南定理也可以很方便的求出分压式偏置电路的输入电阻和输出电阻。分压式偏置电路的交流通路和微变等效电路如图4所示。 利用分压式偏置电路的微变等效电路, 根据戴维南定理, 分压式偏置电路的输入电阻为 同理, 输出电阻为ro=RC 掌握放大电路的分析方法, 恰当地运用电路定理, 不仅可以分析放大电路的工作情况和性能指标, 而且也可以根据预期性能指标设计放大电路。 参考文献 [1]袁明文, 谢广坤.电子技术[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 2013:31. 关键词：NI Multisim10；EDA；仿真；单管放大电路 中图分类号：TN721文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 08-0000-02 Single-tube Amplification Circuit Simulation Based on NI Multisim10 Yu Jianyong (Changji Vocational and Technical College,Changji831100,China) Abstract:Use NI Multisim 10 can realize the computer simulation design and virtual experiment,experiment,don't consume the actual components required components and type of experiment,experiment unlimited number of low cost,experimental speed,high efficiency;Experimental data accuracy.Design and successful experiment circuit can directly use it in production. Keywords:NI Multisim 10;EDA;Simulation;Single-pipe amplifying circuit NI Multisim10软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。作为Windows下运行的个人桌面电子设计工具，NI Multisim10是一个完整的集成化设计环境。NI Multisim10计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。使学习者可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。NI Multisim10具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，以帮助学习人员分析电路的性能。 下面就以单管放大电路的实验为例，利用NI Multisim10来完成整个实验，并且得出实验结论。就实验过程作详细说明，这一实例足以说明NI Multisim10仿真软件在教学环节中的优越性和实用性。 一、NI Multisim10软件概述 如图（1）所示，NI Multisim10启动欢迎界面： 图（1） 如图（2）所示，NI Multisim10操作界面： 图（2） 二、实验原理 在本实验中，应该掌握单管放大电路的电压增益，并比较测量值与计算值；测定单级共射极放大电路输入与输出波形的相位关系；测量共射极放大器的输入电阻，并比较测量值与计算值；测量共射极放大器的输出电阻，并比较测量值与计算值；测定负载电阻对电压增益的影响；测定无旁路电容时发射极电阻对共射极放大器电压增益的影响。 放大器的电压增益Au，可用交流输出电压峰值Uop除以输入电压峰值Uip来计算 Au=Uop/Uip 在单级共射极放大器中，集电极等效交流负载电阻为 //= 晶体管的输入电阻可估算为 300+（1+） 式中，为静态发射极电流，也可用静态集电极电流来代替。 当发射极旁路电容的容量足够大时，的容抗近似于零，与发射极电阻的并联总阻抗也近似于零，晶体管的发射极相当于交流接地，则电压增益的计算公式为 放大器的输入电阻为分压电阻、及晶体管输入电阻三者的并联值，即 =//// 输出电阻近似于等于集电极负载电阻，即 = 当发射极旁路电容断开时，在发射极电阻上产生串联电流负反馈，则电压增益为 =- 当>>时，放大器的电压放大倍数为 =- 这时输入电阻为、和[]的并联值，即 =////[] 输出电阻仍近似等于集电极负载电阻。 三、电路实验原理图 如图（3）所示 四、在NI Multisim10搭建实验电路 建立如图（4）所示的单管放大电路，连接仪器仪表，并进行设置，双击函数信号发生器—XFG1，参数设置如图（5）所示。 图（4） 图（5） 单击仿真电源开关，激活电路进行仿真分析。电路达到稳态后，波形如示波器—XSC1如图（6）所示。 图（6） 由图（6）测量数据如表（1）所示： 表（1） UipUopT -19.991mV4.616V1.004mS 建立如图（7）所示电路，并如图所示，放置相应仪器仪表，在此实验电路中测量出的、值计算晶体管输入电阻。 图（7） 由实验仪器仪表测量静态工作点及β的测量值，数据如表（2）所示 表（2） IBQ（U5）ICQ（U4）IEQ（U1）UBQ（U3）UCEQ（U2） 0.044mA3.716mA3.760mA3.255V10.011V 由表（2）中数据以及结合实验原理得出： 300+（1+）=300+（1+84）=888 由图（6）、图（7）、表（1）、表（2）以及结合实验原理得出结论如表（3）所示。 表（3）（负载RL为200KΩ电阻的情况） UipUop（测量值）Au（理论值） -19.991mV4.616V-230-187 （断开时） 1.98K8885792K-2.83 参考文献： [1]付植桐.电子技术（第3版）[M].北京:高等教育出版社.2008,11 [2]李新平,郭勇.电子设计自动化技术[M].北京:高等教育出版社,2009,6 [3]张新喜.Multisim10电路仿真及应用[M].北京:机械工业出版社,2010,2 [4]聂典,丁伟.Multisim10计算机仿真在电子电路设计中的应用[M].北京:电子工业出版社,2009,6 【基本放大电路教案】推荐阅读： 《模拟电子技术》教案：基本放大电路09-26 基本放大电路教法10-24 单管放大电路的绘制(教案)05-29 偏置放大电路06-13 运算放大电路07-02 反馈放大电路09-22 功率放大电路11-03 宽带功率放大电路10-25 放大电路的分析方法07-19 差动放大电路实验09-10基本放大电路教案 篇4
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