學習使用電路模擬套裝 - web.nuu.edu.twweb.nuu.edu.tw/~tzen/ELAB1_Point.pdf · 教科書:...

學習使用電路模擬套裝

軟體。學習並熟練各種電子量

測儀器之使用。認識各種電子零件並熟

悉規格及使用規範。學習電子電路製作並驗

證電子學理論。學習利用理論設計電路

並以軟體模擬再以電子

元件實現。

成果：40%，成果前5次每次12%，5次以上每次10%滿100分止

報告：25%，全學期繳交4份報告，先交預習再交成果報告

測驗：25%，期中、期末

平時：10%

實驗內容實驗0 儀器使用及軟體模擬實驗一二極體特性實驗實驗二二極體整流電路實驗三二極體倍壓實驗四積納二極體(Zener Diode)之特性實驗五雙接面電晶體特性(BJT)及偏壓實驗六共射極放大電路實驗七共集極與共基極放大器實驗八串級放大器實驗九開關電路與非穩態振盪電路實驗十史密特觸發電路實驗十一 A類放大-達靈頓放大電路實驗十二 B類放大

教科書:

1. 硬體電路: 陳瓊興，電子學實驗(上),全華圖書

2. 軟體模擬：林志一、曾龍圖，電子學實習，高立圖書

報告繳交方式:1.實驗前完成預習並以軟體模擬及討論完畢，於該實驗上課

前週一~週四16:10前繳交至辦公室信箱，逾時須次週繳交。2.該週實驗完畢經驗收成果後，次週將記錄及討論附於預習

報告後繳交完成一份報告。3.預習或成果報告遲交每週扣5分至該項成績0分為止

十字起子

一字起子

尖口鉗

斜口鉗

常用工具

剝線鉗

銲錫

烙鐵

麵包版

五孔導通

掌上型三用電錶(自備工具)

指針式數位式

電解電容(有極性)

陶瓷電容(無極性) 薄膜電容

(無極性)

水泥電阻

半可調電阻可調電阻(10圈)

可調電阻

電阻(1/2 W)

精密電阻

電阻(1/8 W)

排阻

1 2 3

1

2

3

大功率電晶體

中功率電晶體

中功率電晶體

小功率電晶體

小功率電晶體

NPN

PNP

二極體

積納二極體

二極體符號

積納二極體符號

電阻值識別:

-2-19876543210

無色

銀金白灰紫藍綠黃橙紅棕黑

%1 %2 %5.0 %25.0 %1.0 %05.0 %5 %10 %20

%5110

1

0

%51010 1

顏色

代表數值

準確度

個位

十位

次冪

準確度

百位

十位個位次冪

誤差下圖中之電阻值?

例如: 103K

p31010十位

個位次冪

誤差

數值文字代碼:

T:

G:

M:

K:

m:

μ:

n:

p:

1210910610310

310

610

910

1210

(法拉)

RR

人體等效電阻

Fstep/Attn:頻率範圍及衰減選鈕

Func:輸出波形選擇

Sweep:掃瞄模式

Amplitude:振幅旋鈕

DC Offset:直流偏壓旋鈕

Sub Func:子功能開閉選鍵

DC Off-set:直流偏壓

Symmetry:對稱波

輸出接頭

多功能飛梭調鈕

進位及退位按鑑

衰減指示燈

Sub Func:子功能開閉選鍵(飛梭調鈕 on/Off)

DC Off-set:直流偏壓開關

Symmetry:對稱波開關

Time

V

5v

-5v

T

正弦對稱振幅±5v,1K Hz

HzKmT

f 1sec1

11

電源開關

定電壓輸出端可調雙電壓輸出端外殼接地端

+Vset:正電壓設定鍵

-Vset:負電壓設定鍵

Track:對稱或獨立設定

5V/3.3 Output定電壓輸出選擇

+Iset:正電流設定鍵

-Iset:負電流設定鍵

Clear:清除目前設定

Enter:設定生效輸入鍵

On/Off:輸出開關鍵

+

+

-

-

:正電壓電流增加微調鍵

:負電壓電流增加微調鍵

:正電壓電流減少微調鍵

:負電壓電流減少微調鍵

輸出具有保護功能當短路或輸出電流大於Iset時發出鳴叫並且自動降低輸出電壓

功能選擇 v, ,R,A,mA,C量測

功能鍵:儲存比較及設定模擬光指示鍵

有效位數鍵Recall data

選擇(-)

量測範圍鍵Recall data

選擇(+)

電壓電阻量測

電流量測

power 直流電壓量測

交流電壓量測

電阻量測直流電流量測(先按Shift鍵)

交流電流量測(先按Shift鍵

測量電壓電阻測棒插孔

測量電流電阻測棒插孔

數位示波器(scope)

0:電源開關 1:Multipurpose多功能飛梭調鈕 2:cursor游標按鍵 3:Measure量測按鍵 4:Help協助按鍵 5:Run/Stop執行/停止(儲存)按鍵 6:放大 7:Save/Reacll儲存回復 8:Default Setup出廠設定9:Single單次掃描 10:Course主題介紹 11:Function 功能鍵 12:Utility公用工具 13:Autoset自動設定 14(V)Position CH1垂直位置調鈕 15:CH1啟動按鍵 16:Scale CH1 電壓刻度調鈕 17 :CH1信號輸入BNC腳座18(V)Position CH2垂直位置調鈕 19:CH2啟動按鍵 20:Scale CH2 電壓刻度調鈕21 :CH2信號輸入BNC腳座22(H) 水平位置調鈕23:Acquire資料取樣形式 24:Scale時間刻度25:Menu觸發源設定 26:Level觸發準位調鈕 27:Force Trig強迫觸發 28:Ext Trig外部觸發 29:Probe Comp 5V1KHz基準信號 30:Math(M)數學運算 31:FFT快速複立葉轉換 32:Ref(R)參考線設定 33:印表機及檔案連接 34~38:功能選項按鍵 39:功能選項按鍵啟動或關閉

Channel 1 Channel 2 外部輸入(同步)

Channel 1 時基線位置調整

電壓刻度調整

Channel 1 致能及功能設定

游標功能選擇

觸發準位調整

時基線左右調整

時基線刻度調整

多功能飛梭選擇工具設定

觸發信號設定

即時或儲存

自動設定

標準測試信號

Channel 1 時基線位置調整

Channel 1 致能及功能設定

游標功能選擇GDS-2072(數位示波器)

Channel 1 Channel 2 外部輸入(同步)

電壓刻度調整

觸發準位調整

時基線左右調整

時基線刻度調整

多功能飛梭選擇工具設定

觸發信號設定

自動設定

標準測試信號2V,1KHz

選擇鍵

執行或暫停

關閉選單回到上一層按鍵

重要提示:使用示波器時Ch1與Ch2之接地夾在示波器內部共同接在一起，使用

兩個Channel 時，不可將兩個接地夾，夾在電路不同點處以免造成短路現象。

使用前將螢幕面板設為繁體中文Power on→按壓12:Uitility鍵→按壓35Language鍵→使用1:Multipurpose多功能飛梭調鈕選擇繁體中文→按壓1:Multipurpose多功能飛梭調鈕完成中文顯示

示波器快速使用設定TektronixTBS 1072B-EDU):

開機步驟:1. 將CH1CH2測棒連接到29基準信號2. Power on後等待開機完成後(Run/Stop)為綠燈3. 按壓13AutoSet自動設定(螢幕出現上下兩個波形)4. 按壓25Menu設定觸發信號源選CH1或CH2(一般選量測輸入信號之C

5. hannel CH1)6. 設定觸發準位26:Level（必須使觸發準位基準線位於信號振幅之內，否則波形無法同步會在螢幕上水平移動）

7. 選擇14position及16Scale調整CH1信號之大小及位置8. 選擇18position及20Scale調整C21信號之大小及位置9. 選擇24Scale時間軸之大小

重要提示:使用示波器時Ch1與Ch2之接地夾在示波器內部共同接在一起，使用

兩個Channel 時，不可將兩個接地夾，夾在電路不同點處以免造成短路現象。

Power on→按壓:鍵→按壓35Language鍵→使用1:Multipurpose多功能飛梭調鈕選擇繁體中文→按壓1:Multipurpose多功能飛梭調鈕完成中文顯示

示波器快速使用設定GDS 2072):

開機步驟:1. 將CH1CH2測棒連接到29基準信號2. Power on後等待開機完成後(Run/Stop)為綠燈3. 按壓13AutoSet自動設定(螢幕出現上下兩個波形)4. 按壓25Menu設定觸發信號源選CH1或CH2(一般選量測輸入信號之C

5. hannel CH1)6. 設定觸發準位26:Level（必須使觸發準位基準線位於信號振幅之內，否則波形無法同步會在螢幕上水平移動）

7. 選擇14position及16Scale調整CH1信號之大小及位置8. 選擇18position及20Scale調整C21信號之大小及位置9. 選擇24Scale時間軸之大小

示波器交流(AC)及直流(DC)模式差異

＝＋

示波器DC模式示波器AC模式

只在須要量測AC漣波時才使用AC模式

1.同時量測CH1及CH2信號時觸發信號源選擇較大信號的CH比較容易同步2.當CH1及CH2信號頻率不同時只有被設定為觸發信號源之CH可以同步

1. 利用電源供應器輸出直流電壓並以數位電表量測電壓(電壓表並聯)

R1=1K R2=2K

DCV

＋

－

VR1 VR2 vDCV 10

以數字電表量出 VR1VR2

DM

DM: Digital Meter

單電源輸出為COM1 及＋

DCV

實體圖

步驟:1.先用DM量測電阻並記錄R1,R2值驗証誤差值在色碼標示

範圍2.設定電源輸出:電壓:V+=10v, i+=約1.5倍10v/(R1+R2)3.DM置於Vdc檔位並選擇適當Rang4.量測DCV是否為10v,量測VR1,VR2以分壓法計算理論值並

計算誤差百分比

理論值

量測值

誤差百分比

R1 R2項目 DCV VR1 VR2

誤差百分比= %100

理論值

理論值量測值

2. 利用電源供應器輸出直流電壓並以數位電表量測電流(電流表串連) 注意電流大小以免燒毀電流保險絲

R1=1K R2=2K

DCV

＋

－

VR1 VR2＋－

DM

DCV DM

實體圖

步驟:1.先將DM串接在電路中(如實體圖所示)2.設定電源輸出:電壓:V+=10v, i+=約1.5倍 10v/(R1+R2)3.DM置於A檔位4.啟動DCV輸出量測電流此電流讀值很小5.關閉DCV將DM置於mA檔重新量測電流6.計算電流理論值並計算誤差百分比

R1=1k R2=2k

4. 利用信號產生器輸出波形並以示波器量測:正弦波

1.正弦波 1KHz, Vpp=±1v

2 方波 2KHz, Vpp=±20mV

1v

-1vT

KHzmT

f 1sec1

1

sec10

113

提示:信號產生器輸出小訊號時請配合衰減按鈕 ( Attn) 使用-20db或-40db

4. 利用信號產生器輸出波形並以示波器量測RC電路

VR

Vc

R=100 C=1uf

83.578.187

tan159100

15.15910102

1

2

1

122

63

R

XXRjjXRZ

fcX

ccc

c

R

Z

Xc

Θ

VR Vc

提示:Ch1,Ch2接地共同接於A點並將Ch2反相(Inv)

A

Ch2Ch1

Θ

0360

T

tT

t

00

0

0

00

0

2.3299.58.570367.0903.159

83.5767.38.570367.0100

83.570367.083.578.187

007.7,83.578.187

007.7)2sin(10)sin(207.7

cc

r

s

s

IXV

IRV

Z

VIZ

fttV

sV

rV

cV

I

VS與VC比較其相位差 Vs與VR比較

VR

= 4Vp-p

330

f =1KHz

4.7uVs Vc

Vs

計算下圖之Vc,VR

Vc Vr

實驗ㄧ:二極體特性量測


＋＋

＋

＋＋＋＋＋＋＋

－

－－

－

－

－

－

－

－

－

P型材料 N型材料

＋＋

＋

＋＋＋＋＋＋＋

－

－－

－

－

－

－

－

－

－

空乏區

半導體材料

圖1-1 P型及N型半導體

圖1-2 PN半導體接合後產生空乏區


P NP N

sI :逆向飽和電流

:為1~2之常數,在室溫時,

FVFI

rV :矽二極體約0.6v,鍺二極體約0.2v

(障璧電壓)

(1-1))1(/

TD VV

sD eII

FV

FI

rV

sI

圖1-3 順向偏壓

(a)

(b)

(c)

圖1-4 (a)二極體結構 (b)符號(c)實體圖

圖1-5 特性曲線

(1-2)


vT

q

KsTVT

11600 T:絕對溫度，在室溫下VT約25mV

DV

DI

R

VI

IVDQV

DQIIV

R

VD

DI

R

V

R

VIRIVV ID

DDDI

負載線

操作(Q)點

當上升或 R 降低時 Q 點沿著特性曲線上升若太大會使二極體產生永久性崩潰(擊穿)無法復原

IV

圖1-6 電路圖圖1-7 工作點決定

(1-3)


圖1-8 模擬結果

圖1-9 模擬電路圖


儀器使用注意事項:

1.所有儀器信號源電源應有相同之參考(接地)點(A~E連接在一起)

DC Power

Supply

+v -v

A

電路(麵包)板

+v

-v

B

CD

E

DM

FGScope

2. 示波器兩個信號測棒共用同一接地，如使兩測棒接地夾在電路之不同電位點將造成短路。

強烈建議:1.只使用其中一根測棒接地夾夾在電路參考點2. 或使用導線連接示波器面板接地端至電路參考點

接地端

參考點

圖1-10 各項設備接地端

圖1-11 示波器接地方式


DC Power

Supply

+v

DM

1. DC Power OUTput Off

2. DM串聯到電路中如圖1-12

3. DM 測棒改到電流A插孔4. DM 調鈕轉到 mA檔5. DC Power Output On

6. 調整輸出電壓並記錄二極體電壓電流7. 完成下表並繪出曲線圖

圖1-12 電流表使用電路

實驗步驟：一、直流量測特性曲線

R=

V Vr ID

計算值Vd

1

2

3

4

ID

量測值

表1-1 記錄表

.

.

R:100~500

注意:1. 需使飽和2. 電源需增加3. 注意電阻功率勿使電阻燒毀

DV

RIPR

2

setI


Channel 1

Channel 2 GF.

390

1. 如圖1-13接線，AC V 使用信號產生器調出波形:

DC Off-set=+4V(使信號無負電壓)

頻率：100~500HZ

3. 示波器使用X-Y模式4. 示波器測棒接地接在 A點5. 使用逆向電壓(ch2 inv)

6. 觀察示波器波型如圖1-14

HzvV pp 10,8

A

(Vr)

(VD)

VD

Vr

(Inv)

圖1-13 特性曲線實驗電路

圖1-14 示波器x-y顯示之特性圖

實驗步驟:

二、特性曲線示波器量測

驗收:1.完成記錄並描出特性圖2.利用示波器x-Y模式顯示圖1-14之結果

BC


從I-V數據中求出 : 將(1-1)式兩邊取對數

討論:

1. 溫度上升時電壓如何變化2. 值為何?

rV

圖1-15 斜率特性圖

(1-4)

NUU EE LAB02

1

二極體整流(rectify)電路

•二極體半波整流•二極體全波整流•濾波電路•漣波因數

NUU EE LAB02

2

整流(AC-DC)步驟：

變壓器AC-AC

整流AC-DC

濾波Filter

穩壓Regulator

市電輸入

直流電輸出

半波

全波

圖1. ac-dc轉換步驟

圖2. 轉換過程之波型

NUU EE LAB02

3

2

pV

DCAVG VV

PP

PDC VV

ttdVV 318.0sin2

1

0

VVV

VVV

DC

effP

45.02318.0

2 2

二極體承受之逆向峰值電壓:

PVPIV

漣波因數(Ripple factor):

%100)(

% DC

R

V

rmsV

:)(rmsRV 漣波電壓之有效值(均方根值)

半波(Half Wave) 整流

AC

R

圖3.半波整流波型

圖4.半波整流電路

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

NUU EE LAB02

4

%121%100318.0

385.0%100%

385.0)()2

(

,2

sin2

1

)(

2

1

222/122

)(

2

1

0

22

)(

P

P

DC

rmsR

PPP

DCrmsrmsR

PPrms

V

V

V

V

VVV

VVV

VttdVV

(5)

(6)

(7)

圖5 半波整流等效電路

NUU EE LAB02

5

全波(Full Wave)整流

全波全橋式整流

全波半橋式整流

1.變壓器須要有中間抽頭2. 二極體須承受二倍峰值電壓3. 變壓器線圈須承受2倍電流4.只須使用二個二極體

1.變壓器不須要有中間抽頭2. 二極體只須承受一倍峰值電壓3. 變壓器線圈須承受1倍電流4.須使用四個二極體

實驗電路

圖6 全波半橋整流電路

圖7 全波全橋整流電路

FD1

D2 R

Vout

+ + D3

D4 L

110V AC

60Hz

NUU EE LAB02

6

%4.48%100637.0

308.0%100%

308.02

2

637.02

)(

21

22

21

22

)(

P

P

DC

rmsR

PPP

DCrmsrmsR

PP

DC

V

V

V

V

VVV

EEV

VV

V

濾波(Filter)

由於整流後之DC電壓具有甚大之漣波，為使輸出電壓之漣波降低利用電容可充放電之特性使輸出漣波降低稱為濾波，在信號處理方面也汎指輸入經濾波後取出或隔離特定頻率之信號。此處之濾波指濾掉交流成份

輸出 DC AC

(8)

(9)

(10)

圖8 全波整流

圖9 漣波分解

NUU EE LAB02

7

半波整流濾波

RCPo eVV

1

)( ppRV

DCV

設RC很大

)1(RC

tVV Po

忽略充電時間: Tt

3232

2

2

1

,)1(

)(0

)()(

)()(

ppRP

TP

rmsRP

dcR

PPppRppRPP

V

RC

TV

T

dtRC

tV

VRC

tVV

RCf

V

RC

TVVVV

RC

TV

)(2

1rmsRPDC VVV

圖10 半波整流硬體電路

CT

FVsec

R

Vout

LC

圖10 半波整流濾波及漣波大小

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

變壓器盒

NUU EE LAB02

8

全波整流濾波

週期T為半波之1/2

圖11 全波全橋式整流電路

圖12 全波全橋式整流率波

F0.7V

R

Vout

+

_ _

+

0.7V L

+

+

_

_

D1

D2

D3

D4

110V AC

60Hz

C

NUU EE LAB02

9

模擬結果：半波 R=100 C=200uf

(a)

(b)

圖12 模擬結果 (a)交流電壓波形 (b)半波整流濾波波形

NUU EE LAB02

10

全波+濾波 R=100 C=200u

(a)

(b)

圖13 模擬結果 (a)全波整流模擬電路 (b)全波整流濾波波形

NUU EE LAB02

11

實驗步驟：一、半波整流1. 使用交流變壓器電源（黑盒子）並按圖10接線（電容暫時不使用R=100(水泥電阻)

2. 利用示波器量測VOUT波形3. 以DM量測VOUT電壓值4. 改變電阻值 R=200重做2~3

5. 完成記錄表1半波部份記錄二、半波整流加濾波1. 加入電容220uF，R=200 以示波器量測波形最大值Vp

2. 以DM量測VOUT

3. 將示波器AC/DC按鍵置於AC(使示波器螢幕下方顯示 )量測VR(P-P)

4. 計算漣波因數5. 改變R=100重做2~4

6. 完成表2 A半波整流濾波部份三、全波整流如圖7接線，實驗步奏與半波相同四、全波整流加濾波如圖11接線改變R及C完成表2 B、C部份

V~

%

注意:水泥電阻溫度隨負載電流及時間上升小心燙傷。

1.討論不同電容對濾波的效果2.討論不同電阻對漣波之影響3.討論全橋與半橋整流的差異

NUU EE LAB03

1

二極體倍壓電路

NUU EE LAB03

2

AC －

＋

iv

＋－1cv

＋

－2cv R

1D

2D

圖1.二倍壓電路

第一週期:

沿D1順向將C1充電到Vm

第二週期:

Vi+VC1經D2將C2充電到2Vm

由於C2上並聯R會使電容電壓下降故R太小會使電壓無法達到2Vm C=100uf 50V

mV3

mV4

1C

2C

3C

4C1D 2D

3D 4D

圖2.三、四倍壓電路

圖二為四倍壓電路1.求出各電容上之電壓2. 理想情況下需要幾個週期才可到達四倍電壓

3.實驗時在處並接電阻電壓有何差別(R=100k,10k,1k)

mV4

12vAC

NUU EE LAB03

3

四倍電壓(Vm=15v) Vc4電壓

驗收:三倍、四倍電壓

R=100k R=10k R=1k

VC4= VC4= VC4=

Vc3= Vc3= Vc3=

C=表1. 記錄表

圖3. 四倍壓波形圖3. 四倍壓C4上之電壓波形

圖4. 四倍壓模擬電路

NUU EE LAB04

1

積納(Zener)二極體

•Zener 二極體特性•Zener 二極體之應用

NUU EE LAB04

2

外觀符號

•操作在逆向•積納(zener)效應:當二極體空間在150~200埃(1埃= )

電場強度達共價鍵遭破壞產生大量電子稱積納崩潰

M1010

cmv /106

•累增效應：積納崩潰後之電子加速撞擊其他價鍵產生更多電子

•透納效應(tunneling effect):共價鍵遭破壞後始得空乏區變窄電阻隨電流增加而下降(負電阻)

V V

I

I

逆向偏壓

(崩潰)

障壁電壓(VB)

順向偏壓

R

F

F

R

圖1 Zener外觀及符號圖2 Zener特性曲線

NUU EE LAB04

3

VZ

IZM

I

ZTI

Vin

IZ

ZKI ：膝點電流，約為之ZMI 10/1

ZKIZMI ：最大電流

ZTI ：工作電流，一般設計在最大電流1/4~1/2處

ZP ：最大承受功率

Z

ZZM

V

PI

當積納電流小於無法保持電壓，電流大於時造成永久性崩潰(擊穿)

ZKIZV

ZMI

圖3.逆向特性曲線

NUU EE LAB04

4

R

1K

1N4735

6.2V

VIN

+

_

應用：1. 穩壓2. 提供參考電壓3. 交流限幅器

inV

sR

LRAC

圖4. DC穩壓電路圖5. AC限幅電路

NUU EE LAB04

5

+

_

inV

sR

ZV LR

圖6.輸入電壓可變穩壓電路

+

_

inV

sR

ZV LR

圖7.負載電阻可變穩壓電路

直流穩壓:

1. 當RL固定Vi變動

s

L

ZZMZiii

L

Lszi

in

Ls

Lzizii

RR

VIVVVVb

R

RRVV

VRR

RVVIVVa

)(, .

,0, .

maxmax

min

minmin

2. 當Vi固定RL變動

zi

szL

Ls

LiZL

zLL

VV

RVR

RR

RVVV

IIRa

min

min

min

maxmin 0, .

RLzsRs IIIRIP ,2

限流電阻需滿足下列之散逸功率

(3)

(1)

(2)

(4)

(5)

NUU EE LAB04

6

+

_

inV

sR

ZV LR

sZZi

sZLZRsi

L

ZRRZR

ZZLL

RIVV

RVRVIRV

R

VIIII

IIIRb

s

LLs

max

max

max

max

maxminmax

)(

,

,, .

3.當Vin,RL都會變動時求穩壓範圍

提示:電壓最小時負載最大(Iz==0)

電壓最大時負載最小(IZ=IZmax)

設計:VIn=12~24v,Rs=270

PZ=0.15w,VZ=5V

求RL變化範圍

圖8.負載電阻及電壓可變穩壓電路

(5)

NUU EE LAB04

7

電壓調整率:

A. 輸入調整率 %100

in

out

V

V

B. 負載調整率 %100

FL

FLNL

V

VV

其中滿載電壓為額定電壓,對穩壓器而言輸出滿載電流時之電壓為滿載電壓

I

V

FLI

FLV

NLV

(6)

(7)

圖9. 電壓調整率

驗收:1.量測特性曲線2.由老師指定Rs Pmax及RL變化範圍學生計算Vin變化範圍並以電路驗證

NUU EE LAB04

8

ccV zV zI

sR

A

V

ccV

sR特性量測:

1如圖10接線其中電流表以DM直流檔量測電壓表以示波器代替

2 逐漸增加電壓測量電壓電流3電壓增加至積納電壓達到崩潰後記錄此時電流(膝點電流)

4繼續增加電壓至電流達到膝點電流之2~4倍

圖10特性量測接線

※量測點至少15 點以上

表 1:特性曲線

NUU EE LAB04

9

Vdc RL Vz IZ

表2: 記錄表 Rs= Pz= Vz=

說明:相同輸入Vdc電壓分別測量RL 最小、中間值及最大值

NUU EE LAB05 BJT

1

雙接面電晶體Bipolar Junction Transistor

NUU EE LAB05 BJT

2

N

N

P

C(集極)

E(射極)

B(基極)基-集接面

基-射接面

P

N

P

C(集極)

E(射極)

B(基極)基-集接面

基-射接面

NPN PNP

B

C

E

B

C

E

圖一: BJT結構及符號

NUU EE LAB05 BJT

3

順偏逆偏順偏逆偏

R1 R2 R1 R2

P N P

B

II CEN NP

I B

II CE

C-B逆偏B-E順偏

圖2a: NPN電晶體偏壓圖2b: PNP電晶體偏壓

EBc VVV

NUU EE LAB05 BJT

4

C

E

B

++

_

_

0.7V

0.7V

C

E

B

+

+

_

_

Open

Open

N

P

N

P

N

P

圖3 BJT內部等效圖

NUU EE LAB05 BJT

5

VBB

RB

RC

VCC

I

I

I B

C

E

CEV

BEV V BB

R B

R C

VCC

I

I

IB

C

E

BBCEBC IIIIII )1(,

VVBEsat 7.0

BB

BB

BB

BEBBB

R

V

R

VVI

7.0

vVRIVV CEsatCCCCCE 2.0,

圖4 CE式偏壓電路

偏壓

NUU EE LAB05 BJT

6

100k

390

2N2222

RB

RC

Vcc

+

++ _

_

_V

V

V

RB

RC

CE

VBB

uAIB 20

uAIB 10

uAIB 30

uAIBsat 100

vVCEsat 2.0

負載線

圖5 BJT特性曲線

圖6 BJT特性曲線量測電路

NUU EE LAB05 BJT

7

圖7 BJT特性曲線模擬結果

圖8 BJT特性曲線模擬電路

NUU EE LAB05 BJT

8

偏壓電路

BI

負載線 cR

1

CCCCCEBC

B

BEBBB RIVVII

R

VVI

,, 由關係可以決定電晶體之靜態

工作點(直流工作點或偏壓工作點Q點)

當外加電壓(Vcc,VBB)固定時可改變RB設定IB並由RC決定VCE

一般電晶體因很大故很小的IB會使Ic 變動很大，以此原理便

可設計 RC 使輸出電壓 Vout 產生巨幅變動達成”放大信號”做用

VBB

BR

RC

VCE

+VCC = 10V

100K

+

_

outV

圖9. (a)偏壓電路 (b)靜態工作點

(a)(b)

NUU EE LAB05 BJT

9

200

=10V

R B

RC

+VCC

Input signal

outVc

自偏壓電路1.最簡單之自偏壓電路2. 在信號未加入前設計靜態工作點可得到最大擺幅。3.輸出擺幅(Amplitude)由負載電阻決定，

CCCEQ VV2

1

-A

(a)

(b)

(c)

圖10 (a)ㄇ自偏壓電路 (b) 信號放大特性 (c) 放大器示意圖

NUU EE LAB05 BJT

10

A AA

圖11 (a)線性操作 (b)輸出受截止限制 (c)輸出受飽和限制

C

CCCEQ

R

VV2

1

C

CCCEQ

R

VV2

1

CCCEQ VV2

1

太大太小

NUU EE LAB05 BJT

11

1.為了不使電晶體在放大信號的過程產生飽和或截止現象，必須使靜態VCE為VCC之1/2

2. 基極靜態電流也會影響操作點之決定因此一般也選擇為IBsat之1/2

圖11 (d) 偏壓正確但輸入信號太大

NUU EE LAB05 BJT

12

偏壓之方式

RB

RC

+_VBE

+V CC

RC

RE

R1

R2

+V CC

RC

R B

+V CC

圖12 (a)基極偏壓 (b)基極分壓器偏壓c)集極迴授偏壓

(b) (c)

(a)

NUU EE LAB05 BJT

13

RB

RC

+_VBE

+V CC

(a) 基極偏壓(自偏壓)

CBCCCCCCCE

BC

B

BECCB

RIVRIVV

II

R

VVI

優點: 結構簡單缺點: 當因工作溫度改變時，操作點容易漂移

(b)基極分壓器偏壓 RC

RE

R1

R2

+V CC

)(baseinR

Eininbasein

Bin

EBEEinEBE

EEBEEBEin

RIVR

II

RIRIVVVif

RIVVVV

/

)(

圖13 基極偏壓(自偏壓)

圖14 基極分壓器偏壓

NUU EE LAB05 BJT

14

依照戴維寧電路:

RC

RE

RTH+VTH

+VCC

CCTHTH VRR

RV

RR

RRRRR

21

2

21

2121 ,//

BETH

EEEEBETHBTH VR

RIRIVRIV )(

E

BETHETHE

THE

BETHE

R

VVIRR

RR

VVI

,/,

/

可以不受之影響使操作點穩定

一般設計為

EI

TH

E

RR 10

優點: 操作點不受直流增益值( )變動之影響缺點:會降低交流增益大小

電路較複雜

圖15 基極分壓器偏壓戴維寧等效電路

NUU EE LAB05 BJT

15

(c)集極迴授偏壓

RC

R B

+V CC

負迴授(negative feed-back) 原理:

若因溫度上升而變大則也上升使得上的壓降增加因而下降也降低使操作點穩定，反之亦然。

CI

CV

CVCR

BC

BECC

BC

BECCBC

BC

BECCB

BEBBCBBEBBCCCC

RR

VV

RR

VVII

RR

VVI

VRIRIVRIRIV

1

)1(

)1(

圖16 集極迴授偏壓

NUU EE LAB05 BJT

16

CS9013

E B C

CS9012

E

B

C

PNPNPN

圖17 電晶體接腳圖表1 電晶體規格表B

NUU EE LAB05 BJT

17

BJT特性實驗及曲線描繪:1.利用掌上型電表分辮EBC接腳並按圖18 接線，其中VBB使用固定輸出電壓，Vcc使用可調電壓(兩電壓須共地) ，實體圖如圖19所示

2. 設定RB,使IB=50uA3. 固定此RB，緩慢增加Vcc，記錄Vc、

VCE,4.當Vc不再隨Vcc增加而上升時即達到

穩定工作點可再將Vcc增加，此時Vce將隨Vcc上升

5.改變RB使IB=100uA重作1~46.描繪特性曲線圖

100k

RB

Vcc++ _

_

＋

CE

VBB

Rc1k

iB

ic

V

－VC

Vc Ic Vce

IB=表1:記錄表

圖18 實驗電路圖

(Vce-Ic)

驗收： (1) 繪出兩條特性曲線(2) 設計基極分壓器偏壓電路

1~5組: Vcc為 10~15v,Rc不可為1k6~10組 Rc=1k,Re不可為39011~15組 Re=390,Vc=16~20v16~組 R2=5.1K,Rc=2K計算過程及設計結果(使VCE=1/2VCC)

NUU EE LAB05 BJT

18

CS9013

E CB

Vcc5/3.5V

100K

VR

RC

IB

圖1 實驗電路實體圖註: 使用DM量IB，IC

使用示波器量VC,VCE

IC

NUU EE LAB05 BJT

19

軟體模擬與討論:

模擬:

• 依照課本利用掃瞄模式完成特性實驗• 設計各式偏壓使直流工作點位於1/2Vcc

• 變動Vcc 5%觀察直流工作點是否漂移• 變動Rc 10%%觀察直流工作點是否漂移• 改變電晶體之β值 10%觀察直流工作點是否漂移

討論方向引導:

各種參數變化對不同偏壓電路的影響綜合上述模擬會採用何種偏壓設計?原因為何?

NUU EE LAB06 CE_Amp

1

共射極放大器Common Emitter Amplifier

NUU EE LAB06 CE_Amp

2

RC

ER

R1

R2RL

RSC1 C2

Vin

VBQ

ICQ

VCEQ

+VCC

Vb

Vce

Ic

電路說明:

1. 為直流偏壓電路使電晶體於適當操作點工作2. 當微小的信號經由 C1藕合至電路時因使得在Rc上造成放大之壓降，此一信號經C2輸出(VcEQ) 。

3. C2輸出電壓與輸入相角差180度4. 因經由C2之信號為交流其並無推動能力，換言之其電流甚小，故一般稱CE式

放大為電壓放大器5. 藕合電容C1可以阻隔信號源之直流準位使其不影響偏壓工作點6. 電容C2阻隔直流輸出把交流放大信號傳至下一級電路

Ec RRRR ,,, 21

BC II inv

圖1 (a) 信號放大特性圖 (b) CE式放大

(a)(b)

NUU EE LAB06 CE_Amp

3

放大器的設計

直流偏壓:設Vce=0.5Vcc

1.預估輸入阻抗2.決定3.決定4. 決定RC使得VCE=1/2VCC

4. 計算VB=VE+0.7

5.計算R1,VB=VCCx[R1/(R1+R2)]

旁路電容提供交流旁路使交流增益增加

CI

max2/1~10/1, CEC III

例:已知要求

Ebasein RR )(

ERRR )20/1~10/1(, 22

,150

560533150/8080)( 選擇kRkR Ebasein

KKRR E 7.44.810

12 選擇

R1KR1

22K

R2

4.7K

R560

R

C2

C3

C1

Vout

VCC=+12V

Vin

E

L

1.27.4

7.412

1.27.04.1

4.15605.2,5.2

121

2

KR

K

RR

RVV

vvvVVV

vmAVmAI

ccB

BEEB

EC令

KR 221

KKKR

vRmAv

VRIVVVV

C

C

ECCCCECCE

2~183.1

641.15.212

圖2 CE式放大電路

NUU EE LAB06 CE_Amp

4

Vin

R

R1 R2 Rin(base)

Base

Vin

R

Rin=R1//R2//Rin(base)

S S

圖4 基極交流等效電路

圖3 共射極放大器的交流等效電路

交流等效電路

實際加在基極信號之大小由:

1.信號內阻串聯Rin 決定

)(21 ////, Baseinin

ins

insb RRRR

RR

RVV

2. 為了使信號能儘可能傳入，Rin

必須愈大愈好Rs愈小愈好

負載效應(Loading Effect ):

當下一級電路(負載)聯上前一級輸出因分壓使信號因此變小稱為負載效應。為減小負載效應一般電路要求輸入阻抗要盡可能大輸出阻抗要盡可能小。

outR

Vs

RS

R1 R2re

RE1

RC RL

RinRin(base)

C

B

E

outV

NUU EE LAB06 CE_Amp

5

r

R

C

B

E

R

VC

E

e

C

輸出阻抗

CoutCccCLout RRRrrRRR ,////

交流電壓增益(放大倍率)

Ee

C

Eee

Cev

EeebCeCeacc

b

cv

Rr

R

Rri

RiA

RrivRiRivv

vA

)(

)(,,

:

:

:

:

:

ac

ac

b

c

e

r

r

r

交流射極電阻

交流集極電阻，遠大於RC

交流基極電阻

ec ii /

bc ii /

圖6 共射極放大器的輸出交流等效電路

NUU EE LAB06 CE_Amp

6

R

R1

R2

R

C2

C3

C1

R

Rc=RC//RL

R1//R2

+VCC

L

E

C

圖7 交流耦合負載的共射極放大器(a)完整的放大器 (b)

交流等效電路

加入射極旁路電容:增加交流電壓增益

e

Cv

r

RA EC R

fCXC

3

32

1

使得選

(a) (b)

NUU EE LAB06 CE_Amp

7

R

R1

R2

R

C2

C3

C1

RVin

Vout

R

L

+VCC

E1

E2

C

圖8 部份旁路射極電阻電路

隨溫度改變為使放大率穩定必須犧牲部份增益若使

er

eE rR 1

11 E

C

eE

Cv

R

R

rR

RA

最大散逸功率

(max)(max)(max) CCEC IVP

圖9 最大功率曲線圖

NUU EE LAB06 CE_Amp

8

圖10模擬電路

圖11模擬電路輸入(黑)及輸出(藍)

NUU EE LAB06 CE_Amp

9

實驗步驟提示:

1. 先測量電晶體β值

2. 如例題決定RE再決定R2

3. 選擇IC電流大小(約1~5mA)

4. 計算Rc使其壓降約0.5Vcc

5. 計算VB電壓

6. 計算R1

7. 如圖8接線(C1,C2,C3,RL及Vin暫時不加入)，先加上Vcc量測靜態工作點是否正確

8. 加入C1,C2,C3,RL及Vin

9. 使用示波器量測Vin及Vout

10.計算AV=Vout/Vin值是否達100倍(低於100倍可增加Rc重新設計)

11.逐漸增加Vin觀察是否正負半週同時產生飽和及截止現象

NUU EE LAB06 CE_Amp

10

驗收項目:

利用電晶體設計Av≥100,已知:Vcc=10v or 15v,Vin=20mv(p-p) ，5kHz

，電路最多使用2個可變電阻。

同組驗收Rc、Vcc須不同

討論提示:

1. 共射極的輸入與輸出波形兩者相位關係為何?

2.採用部份旁路射極電阻的目的何在？3.負載電阻經由電容器耦合到共射極放大器的集極，對增益有何影響？4.在本實驗中，電晶體的射極有一個旁路電容C3，其作用為何？請以實驗中獲得的數據做說明。5. 何謂電壓放大?電流放大?功率放大?CE放大器之電流放大如何計算

NUU EE LAB07 CC&CB_Amp

1

共集極、共基級放大器Common Collector and Common Base

Amplifier


2

R

R2

R1

R+

C2

+

C1

Vout

E L

+VCC

Vin

RS

•共集極放大器電路又稱為射極隨藕器(Emitter Follower)•信號從基極輸入從射極輸出•具有高輸入阻抗低輸出阻抗•常用於隔絕器或緩衝器(buffer)•集極交流接地•非反相電流放大 Vs

RS

R1 R2re

RE RL

Rin Rin(base)

C

B

E

outV

Vin=V b

圖1 共集級直流電路

圖2 共集級交流等效電路

1VA

圖1共集極放大電路

圖2共集極交流等效電路


3

sR

21 // RR r

bi bi

ERLR

outV

圖3 共集級π型電路

1)//(

)//(

)]//)(1([

)//)(1(

,

)]//)(1(//[// 21

ins

in

LEe

LE

ins

in

LE

LE

in

b

b

out

in

outv

ins

in

s

b

LEin

RR

R

RRr

RR

RR

R

RRr

RR

v

v

v

v

v

vA

RR

R

v

v

RRrRRR

sV

bi)1(

射極外部電阻射極內部電阻

射極外部電阻分壓項

vA

電流增益

ac

b

e

in

e

iiI

I

I

IA

若 eac RRR 21 //

內部電流增益

輸出電流增益in

Li

I

IA 0

LI


4

共基極放大器

Q1

R1

R2R

R

R

C

C2

C1

Vin

E

+VCC

C3

L

Vout

•具有高的電壓增益不具電流增益•低輸入阻抗不利於連接具有高輸出阻抗

之後端•較少使用在中低頻

驗收項目：CC式放大器

2N2222A

R R

R2

R1

+

C2

+

C1

VCC=12V

Vs=2~6V

1~10KKHz

out

EL

V

選擇RE:100~1k

設計R1,R2使VCE=1/2Vcc

加入Vs計算Av及Aii

Aio>5圖4 共基極放大電路

圖5 共集極驗收電路

提示:要使電流放大倍率增加須增加輸入阻抗降低輸出阻抗

NUU EE LAB09 SE_Amp

1

NUU EE LAB09 SE_Amp

2

串級放大器•提昇整體增益•每一級輸出與下一級輸入需考慮阻抗匹配及準位匹配•如果阻抗無法匹配必須使用變壓器或緩衝級做隔離

一般信號放大之步驟：

檢波前置放大

中級放大

後級放大

信號輸出信號輸入

電壓放大

電流放大

功率放大

NUU EE LAB09 SE_Amp

3

C2為藕合電容使兩級間直流成份不互相干擾第二級輸入阻抗成為第一級之負載為減少負載效應，第一級輸出阻抗要小第二級輸入阻抗要大

功率放大: iVP AAA

利用兩級CE及CC式放大達成整體之功率放大率

Q1 Q2

R3

R4

R1

R2 C4

C1Vin

C2

R5

R6 R8

C3

Vout

VCC = +12V

Vs=50mV

1KHz

CE-電壓放大CC-電流放大

圖一 CE 串聯CC 放大電路

vce1

ve2

NUU EE LAB09 SE_Amp

4

第一級電壓增益：

)2(431 ////// baseinCC RRRRR

Q1 Q2

R3

4.7K

R4

1K

R1

47K

R2

10K

C4

C1Vin

C2

R5

47K

R6

10K

R7

4.7K

R8

1K

C3

C5

Vout

VCC = +10V

Vs=100uV1KHz

RS

5.688.23

63.1

63.157.3//10//47//7.4 58.3 ,8.2325

07.5)7.4)(05.1(10 05.11

05.1,05.17.0

75.11057

1010

1

)(

111

21

2

k

r

RA

kkkkkRkRI

mvr

vkRIVVmAk

IVV

vvk

kv

RR

RV

e

CV

Cbasein

E

e

CCCCCEBE

B

第二級電壓增益：

5.1978.23

7.4,7.4 2

22

k

r

RAkR

e

CvC

整體電壓增益：

135295.1975.6821 vvV AAA

兩級CE放大:提升整體電壓放大

圖二兩級CE式放大

NUU EE LAB09 SE_Amp

5

驗收：兩級串連CE,CC放大

討論：1. 如圖三電路忽略變壓器(20:1)本身阻抗，求輸出阻抗2. 如要使喇叭得到最大功率要如何調整電路？

R2

R1

+

C2

+

C1

Vout

Re

+VCC

Vin

RS

81:20

圖三喇叭放大電路

NUU EE LAB09 SE_Amp

6

實驗步驟及注意事項:

1. 按圖一接線

2. 靜態工作點量測:Q1之Vce1及Q2之Ve2在輸入電壓Vs=0時約為1/2vcc

3. 第一級CE放大需達100倍，當加入Vs後Vin2上可量出5v 1kHz(Av=100)

4. Vout約為4.7v 1KHz

Q1 Q2

R3

R4

R1

R2 C4

C1Vin

C2

R5

R6 R8

C3

Vout

VCC = +12V

Vs=50mV

1KHz

CE-電壓放大CC-電流放大

圖一 CE 串聯CC 放大電路

vce1

ve2

vin2

NUU EE LAB8電晶體開關電路及非穩態振盪電路

電晶體開關電路及

非穩態振盪電路


電晶體開關電路 •將電晶體做操作在截止區(開)及飽和區(關)

對NPN電晶體:B極沒輸入或加負電壓電晶不導通開路、截止

B極輸入使電晶體電晶導通達到飽和( Vce≒0) 閉路、飽和

BI 要夠大才可使電晶體飽和

圖1 開關電路”開”狀態等效電路

圖2 開關電路”關”狀態等效電路


開關電路之優點減少損失提昇效率

延長晶體使用壽命

vVce 6

10R

12ccV

放大區操作

AIc 6.0

WIVP

WIVP

CRR

CCET

6.36.0*6

6.36.0*6

損失功率造成電晶體發熱

10R

12ccV

AI satC 2.1)(

RV

v12

WIVP

WIVP

T

CRR

CsatCET

6.34/2.1*12

06.04/2.1*2.0

)off(Turn , T4

3 ),on(Turn ,

4

1

)(

開關

T

圖3 線性操作

圖3 開關操作

圖4 PWM輸出


振盪電路

無穩態多諧振盪器(astable multivibrator)不需輸入信號輸出在on, off間固定頻率轉變，無穩定狀態

無穩態多諧振盪器是不需要外加觸發信號就能發生振盪，屬於自激式多諧振盪器。

單穩態多諧振盪器(monostable multivibrator)輸入信號使輸出轉態(off變on或on變off)但一定時間後自動回到原來狀態此電路又稱單擊(one-shooting)

單穩態多諧振盪器與雙穩態多諧振盪器是需要外加觸發信號才能發生振盪

雙穩態多諧振盪器(bistable multivibrator)兩個輸入可使輸出轉態並穩定如RS正反器或是雙頭開關


電晶體無穩多諧振盪電路

圖5 無穩多諧振盪電路


設Q1=Q2,Rc1=Rc2,Rb1=Rb2,Cb1=Cb2, Rb>>Rc

在加上電源時假設Q1先Turn On,使Vce1≒0

Cb2開始由Rb2充電,使Q2 Turn off

圖6 無穩多諧振盪電路Q1導通

VB1=0.7V

＋－


•當Cb1北被反相充電至0.7v時會再使Q1 turn on 如此週而復始

•因為 Rc<<Rb故Cb1很快充電至飽和

•當Cb2充電到約+0.7v時會使Q2 Turn on

•Q2 turn on 會使Cb1反相電壓(負壓)加在Q1之 BE間強迫Q1 turn off

逆向偏壓

＋

圖7 無穩多諧振盪電路Q1導通Cb1及 Cb2 充電路徑

圖8 無穩多諧振盪電路Q2導通Q1逆向偏壓


各點電壓波形

T1=0.693*RB2*CB2

無穩態多諧振盪器週期公式T=T1+T2=0.693*(RB2CB2+ RB1 CB1 )

≒1.4RBCB

(設RB1=RB2=RB，CB1=CB2=CB)

輸出頻率 F=1/T=1/1.4RBCB

圖9 無穩多諧振盪各點波形


1Q

2Q

1LED 2LED

2RB 1RB

2CB 1CB

Vcc

交替閃爍信號燈

將RC1及RC2以發光二極體(LED)

替代可以在Q1,Q2輪流導通時造成

二極體交替閃爍

LED:發光二極體,發光強度隨流入電流改變,使用時以25~40mA,約有2.5~3V

壓降

1RL 2RL

RL1,RL2:為限流電阻其值決定如下

mwmAV

IVVVR

VVVVmAI

satCsatCELedCCL

ccLedsatc

5.6225*5.2P

1000.2)/25mA-2.5-(5

/)(

5,5.2,25

RL1

)()(1

)(

驗收:交替信號燈頻率:10~20hz

圖10 交替閃爍信號燈電路

NUU EE LAB10

1

史密特觸發電路

又稱為整型電路

具有狀態記憶功能

可設定上下限觸發準位

NUU EE LAB10

2

電路說明: (必要條件)

未輸入信號時Q2導通,此時RE上之電壓稱上觸發準位:

21 CC RR

2)(22 CsatCCCEQTH RIVVV

當輸入電壓時Q1導通，Q2之BE極被短路使得Q2截止，此時RE上電壓稱為下觸發準位

VVV THin 7.0

1)(11 CsatCccEQTL RIVVV

當Q1導通時輸入必小於下觸發準位才會使Q1截止Q2導通

電路中之Cp為加速電容使Q2轉態速度提升

2CR1CR

ER

BR

PC

1CI 2CI

1Q 2Q

CCV

outV

THV

inV

2CR1CR

ER

BR

PC

1CI 2CI

1Q 2Q

CCV

outV

TLV

inV

TLTH VV

圖1:未觸發狀態Q1 off

圖2:觸發狀態Q1 on

NUU EE LAB10

3

THV

TLV

整型電路應用

輸入信號在VTH與VTL之間變動時經由史密特電路可使輸出一整型後之方波，可避免輸出跳動

感光器史密特整型電路開關電路

HV

LV

路燈點滅

路燈自動點滅系統inV

THVTLV

outV

圖3 整型電路

圖4 史密特電路應用

NUU EE LAB10

4

圖5 模擬電路

1

4

5

Q1

2N2222

2

3

5

Q2

2N2222

1

6

R1

1k

2

6

R2

5k

5

R3

1k

42

R4

5k

2 4C1

20p

6

V1

3

V2

5

55 55

5

4

4442

222222

222

6 66

66 66

6

3

vin

1

vout

模擬電路

NUU EE LAB10

5

圖5 模擬輸出(VTH=2.6，VTL=1.4)

NUU EE LAB10

6

圖6 模擬輸出圖5之X-Y模式

NUU EE LAB10

7

模擬步驟:

1. 如圖5接線

2. 設定v1=5V,V2為正弦波 offset=2.5，Peak Amplitude=2.5，frequency=1K

3. 觀察輸出與輸入波型(如圖五)

4. 量測上下觸發準位電壓

5. 改變R2=10K、3k 重新模擬觀察上下觸發準位電壓是否改變

6. 改變RE為500、1.5k重新模擬觀察上下觸發準位電壓是否改變

7. 設v1=10V，設計上觸發準位VTH=5V、VTL=2V

模擬討論:

1. 討論影響上下觸發準位電壓的因素有那些？

2. 設計VTH=5V、VTL=2V的步驟

NUU EE LAB10

8

2CR1CR

ER

BR

PC

1Q 2Q

vVCC 5

Cds(光敏電阻):有一透光視窗當光線照射時將使電阻下降可當光感測器使用。

Cds

Vr

原理說明:

當光線充足時使Vin電壓上升達到上觸發電壓，使Q1導通，Q2截止，LED不亮。當光線下降使Vin下降低於下觸發準位使Q1截止，Q2導通，LED點亮

Vin

先量測Cds電阻變化範圍，依分壓定理求Vr並計算Vin最高(VTH)及最低電壓(VTL)

估計Rc2及LED壓降及IC2(sat)使得RE上電壓略低於VTH

計算RC1使Q1導通時 RE上電壓略高於VTL

電路設計步驟圖6 驗收電路

NUU EE LAB10

9

測試方法:

1. 如圖7電路接線設計VTH=3v,VTL=2V

2. 利用示波器Ch1觀察FG信號並調整信號產生器輸出1KHz、5v單(正)向方波。

3. 將Ch2接於Q2之C極

4. 如圖5之電路量測上、下觸發準位電壓

5. 將示波器切換到X-Y模式

6. 觀察及記錄波型。

7. 改變RE可變電阻。

8. 觀察並記錄上下觸發準位之變化。

9. 改變RC1觀察並記錄上下觸發準位之變化。

10. 將圖7改接成如圖6

11. 以手遮蔽光敏電阻觀察LED之點亮情況

12. 量測量測上、下觸發準位電壓

2CR1CR

ER

BR

PC

1Q 2Q

vVCC 5

Cds

圖7 測試電路

1kHz

單向5v正弦波

Ch1

Ch2

NUU EE LAB10 A類放大器及達林頓放大

1

A類功率放大器及達靈頓對


2

0

Ic(sat)

Vcut(o ff)VCEQ

ICQQ

I

VCE

C

0 0AvVin Vout

設計工作點於1/2Vcc使輸出信號360度都在線性區放大器於靜態時(輸入信號=0)有最大消耗功率(損失):

CQCEQloss IVP

選擇功率晶體時額定功率需大於上式

A類功率放大器:

(1)A類放大: 使電晶體全區域操作在線性區。

(2) 功率放大:具有電流及電壓放大，一般先電壓放大

圖1 (a) A類放大示意圖 (b)A類放大靜態工作點

(a)

(b)


3

圖2 (a)Q點接近飽和(b) Q點接近截止(c) Q點位於中央

CCEQCEQCCEQrmsrmsout RVVRVVIP /5.0)707.0)(/707.0( 2(a)

(b)CCEQCCEQCEQrmsrmsout RIRIIVIP 25.0)707.0)(707.0(

CEQCEQCCEQCEQrmsrmsout IVIVVIP 5.0)707.0)(707.0( (c)

(a) (b) (c)

交流輸出功率計算方式


4

Ａ類放大器定義：對輸入信號做３６０度線性反相或非反相放大之電路稱為A類放大器。

優點：１．電路結構簡單２．沒有交越失真〔註〕

缺點：１．電路損失大，AC最大輸出功率為靜態功率之一半２．適用輸出功率較小之電路

效率:放大器之效率=

設Q點位於中央DCin

out

P

P

直流輸入功

交流輸出功

25.02

5.05.0max

CQCEQ

CQCEQ

CCCC

CQCEQ

DCin

Out

IV

IV

IV

IV

P

P


5

達靈頓電路 (Darlington pair)

特性：

高輸入阻抗

高電流放大

(c) PNP+PNP=PNP

Q1Q2

C

B

E

(a) NPN+NPN=NPN

Q2Q1

C

B

E

(b) NPN+PNP=NPN

Q1Q2

C

B

E

(d) PNP+NPN=PNP

CQ1

Q2B

E

圖 3 各種達靈頓對的組合


6

LR

CCV

inVinV

很小圖 inin IV , 4很小很大圖 inin IV , 5

LR

CCV


7

1R

2R

cR

LRccV

1Q

2Q

NPN High-Power Trans.

MJE3055

B C E

達靈頓電路實習:

(1)使用圖7電路 :9013(2N2222)+3055之結構

(2) 調整偏壓使之為

(3) RL=Rc=200,5W

(4)MJE3055 散熱片高溫注意勿燙傷

(5)電源電流設定(Iset)須足夠大

圖7 答靈頓A累放大電路

1Q

2Q

:9013(2N2222)

:MJE3055

2Q CEVCCV2/1

驗收:(1) 360度放大不失真(2)計算交流功率放大倍率

圖6 功率電晶體接腳圖


8

MJE3055:NPN

MJE2955:PNP

圖8 功率電晶體規格表


9

2N2222+3055組成達靈頓放大

軟體模擬:

1. 按圖9連接模擬電路，其中Q2須選擇NPN功率(Power)電晶體。

2. 偏壓設計同CE式。靜態電壓Vc=1/2Vcc。

3. 模擬結果如圖10、11

4. 利用游標計算電壓、電流及功率放大率。

5. 改變Rc=100及500

6. 重新設計R3

7. 重新計算第4項放大率8. 討論Rc對放大率之影響。

圖9 模擬電路圖

3

1

Q1

2N3055

3

2

1

Q2

2N2222

3

4

Rc

200

2

R2

4.7k

2

4

R3

?

3 5

C2

1u

3

33 33

3

4

44 4

4

Vcc

4 44

4

5

R4

200

5

vout

6 2

C4

5u

6

Vs

6

vinIoutIin

3

Vc


10

639.12

14.8

uA

mAAi圖10 模擬電路電流波形

輸出電流

輸入電流


11

8.20536.3263,6.3250

63.1 vipv AAA

mv

vA圖11 模擬電路電壓波形

輸出電壓

輸入電壓

NUU EE LAB11Cla_B_Amp

1

B類放大器


2

Av0 0t t t

t t t0 1 2

0 1 2

•B類放大器使輸出在180度範圍內工作•Q點設計於截止區

圖1 推挽(push-pull)式放大器

Q1導通

Q2

OFF

R

Vin

-VCC

+VCC

00

VinVout

L

Q1OFF

Q2

導通R

Vin

-VCC

+VCC

00

VinVout

L

圖 2 正半週npn導通圖3 負半週pnp導通


3

Vin

0

V

-V

BE

BE

Vout

交越失真(crossover distortion):

不論npn或 pnp存在0.7v之B極E極電壓使的輸入信號小於±0.7v時輸出信號為零稱為交越(零點)失真

Q1C9013

Q2cs9012

RL1k

Vs=10Vp-p1.0KHz

Vout

-VCC=-9V

VCC=+9V

RS

Vin

模擬並實現推挽式放大器

圖4 交越失真

圖5 推挽式放大電路


4

圖6 模擬電路輸出

圖7 模擬電路


5

圖8 模擬電路 Ic1 與 Ic2 各導通180度


6

圖9 驗收電路CE放大+推挽式(B類)放大

硬體驗收電路:

1. 設計第一級CE放大100倍2. 第一級輸出經電容Cc藕合推挽(B類)放大器直接推動RL

3.量測交越失真的大小

注意事項:

1. 2SC9012為PNP電晶體2. 須使用雙電源+12V,-12V

3. CE放大器靜態工作點為1/2Vcc

4.RL=100歐姆5瓦5. 功率電路Iset要適度增加

CCVGndeeV

+12v-12v

圖10 雙電源接腳圖

2N2222

2SC9013

2SC9012

CE

Cc

RL

Vcc=+12V

Vee= -12V

50mv,1KHz

Vc1

Vout

NUU EE LAB10Cla_AB_Amp

1

AB類放大器


2

AB類放大器:1. 導通角度大於180度小於360度2. 可以消除推挽式放大器之交越失真

Vin

R1

R2

Q1

Q2

RL

Vout

+VCC

D1

D2

-vcc

利用兩個二極體串聯，當D1 D2導通時

)()(21 NPNBRPNPBEDD vvvv

此預先加在BE極之電壓可使電晶體處於導通邊界，當輸入信號加入時便可立刻導通，便可消除交越失真，其中每個電晶體導通角為對應之0~180+Θ

此Θ角為使輸入信號低於|0.7|v之角度

對NPN 輸入低於-0.7v

對PNP 輸入高於 0.7v


3

Vin

C1

C2

R1

R2

Q1

Q2

C3

RL

Vout

+VCC

D1

D2

若輸出使用電容藕合可使用單電源如下圖其直流等效電路中則A點電壓為Vcc/2,若兩電晶體互補VCEQ1=VCEQ2=Vcc/2

21 RR

R1

R2

Q1

Q2

D1

D2

+VCC

A

直流等效電路


4

Vin

D1

D2

R1

R2

Q1

Q2

RL

VCE

CEQV

IE(sat) Vin

D1

D2

R1

R2

Q1

Q2

RL

VCE

CEQV IE(sat)

%5.78785.025.025.0

25.0

)(

)(

max

)(

satccc

satccc

DC

out

satcccout

IV

IV

P

P

IVP

效率:


5

Vs=10Vp-p

D11N4001

D21N4001

R110K

R10K

Q1

Cs9013

Q2

cs9012

R

1k

Vout

L

2

f=1.0KHz

0 Vdc

VCC=+9V

-VCC=-9V

RS Vin VE

B1

B2

V

V

硬體電路:

學習使用電路模擬套裝 - web.nuu.edu.twweb.nuu.edu.tw/~tzen/ELAB1_Point.pdf · 教科書:...

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