极管的基本电路及其分析方法

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1、,模拟电子技术,3 二极管及其基本电路,3.1 半导体的基本知识,3.3 半导体二极管,3.4 二极管基本电路及其分析方法,3.5 特殊二极管,3.2 PN结的形成及特性,3.3 半导体二极管,3.3.1 半导体二极管的结构,3.3.2 二极管的伏安特性,3.3.3 二极管的主要参数,在PN结上加上引线和封装，就成为一个分立的半导体二极管元件。 点接触型 面接触型 平面型,3.3.1 半导体二极管的结构,点接触型二极管,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。不能承受高的反向电压和大的电流。,面接触型二极管,(b)面接触型,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。但极间电容夜大，不适于

2、高频电路中。,平面型二极管,往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,半导体二极管图片和符号,(1) 二极管元件的伏安特性曲线逐点测量,(2) 二极管元件的伏安特性公式表示,不再满足欧姆定理,3.3.2 二极管的伏安特性,开启电压(门坎电压)Vth，硅管为0.5V，锗管为0.1V。 正向导通后，硅0.7，锗0.3。低电压稳压器。 硅管的反向电流极小(nA)，锗管的反向电流较大(A)。硅：0.1A；锗：10A 反向击穿时，外部电路对电流加以限制，否则器件可能被损坏。,最大整流电流（平均值）IF：是指管子长期运行时允许通过的最大正向平均电流，电流太大会烧坏。如2

3、AP1最大整流电流为16mA。 反向击穿电压 VBR和最大反向工作电压VRM :VRM约为击穿电压的一半 。 反向电流IR：指管子未击穿时的反向电流,其值愈小,则管子的单向导电性愈好 。 最高工作频率fM ：当频率大到一定程度时，二极管的单向导电性将明显地变差。 极间电容：在高频或开关状态运用时必须考虑其影响。 反向恢复时间TRR:由于结电容效应的存在，正向导通到截止需要的时间，截止到导通不存在恢复时间。,3.3.3 二极管的主要参数,二极管应用问题,种类、型号选择查器件手册（国内，日本，美国）。 正负极判断（P72 3.3.2）,3.4 二极管基本电路及其分析方法,3.4.1 简单二极管电路

4、的图解分析方法,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法,二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的V -I 特性曲线。,例3.4.1 电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源VDD和电阻R，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD 。,解：由电路的KVL方程，可得,即,是一条斜率为-1/R的直线，称为负载线,Q的坐标值（VD，ID）即为所求。Q点称为电路的工作点,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,1.二极管V-I 特性的建模,将指数模型 分段线性化

5、，得到二极管特性的等效模型。,在实际电路中,当电源电压远比二极管 的管压降大时,利用此法是可行的。,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,1.二极管V-I 特性的建模,典型值是0.7V 只有当二极管的电流iD 近似等于或大于1mA时 才是正确的。,Vth约为0.5V；,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,1.二极管V-I 特性的建模,（4）小信号模型,vs =0 时, Q点称为静态工作点 ，反映直流时的工作状态。,vs =Vmsint 时（VmVDD）, 将Q点附近小范围内的V-I 特性线性化，得到小信号模型，即以Q点为切点的一条直线。,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,1.

6、二极管V-I 特性的建模,（4）小信号模型,过Q点的切线可以等效成一个微变电阻,即,根据,得Q点处的微变电导,则,常温下（T=300K）,（a）V-I特性 （b）电路模型,应用：完成直流分析以后，将 所有的直流电源去掉（直流电 压源短路，直流电流源开路） 以及用小信号电阻替代二极管。,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,1.二极管V-I 特性的建模,（4）小信号模型,（a）V-I特性 （b）电路模型,交流电路,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,2模型分析法应用举例,（1）整流电路（理想模型）,（a）电路图 （b）vs和vo的波形,半波整流电路,不适合对小信号进行整流（100）,精

7、密整流器,2模型分析法应用举例,（2）静态工作情况分析,理想模型,恒压模型,（硅二极管典型值）,折线模型,（硅二极管典型值）,设,（a）简单二极管电路 （b）习惯画法,2模型分析法应用举例,（3）限幅电路,电路如图，R = 1k，VREF = 3V，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当vI = 6sint V时，绘出相应的输出电压vO的波形。,2模型分析法应用举例,（4）开关电路（理想模型）,电路如图所示，求AO的电压值,解：,先断开D，以O为基准电位， 即O点为0V。,则接D阳极的电位为-6V，接阴极的电位为-12V。,阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。,导通后，D的压

8、降等于零，即A点的电位就是D阳极的电位。,所以，AO的电压值为-6V。,开关电路,1.在开关电路中，利用二极管的单向导电性以接通或 断开电路。,2.在分析这种电路时，即判断电路中二极管处于导通状态还是截止状态，应掌握一条基本原则：,可以先将二极管断开，确定零电位点，然后观察（或经过计算）阳、阴两极间是正向电压还是反向电压，若是前者则二极管导通，否则二极管截止。,3.如果有多个二极管，则正向电压最大者优先导通，导通后压降为0，对其他的二极管两端的电压可能产生影响。,例：一二极管开关电路如图所示。当v1和v2为0V或5V时，求v1和v2的值不同组合情况下，输出电压o的值。设二极管是理想的。,解：(

9、1)当v1=0V, v2=5V时, D1为正向偏置，D1导通， vo=0V,此时 D2的阴极电位为5V，阳极为0V， 处于反向偏置，故D2截止。,(2)以此类推，将v1和v2 的其余三种组合及输出电压列于下表：,与运算,2模型分析法应用举例,（5）低电压稳压电路：利用二极管的正向压降特性（恒压模型和小信号模型）,例：在如图所示的低电压稳压电路中，直流电源电压 V的正常值为10V，R=10k,当 V变化1V时，问相应的硅二极管电压(输出电压)的变化如何？,解：(1)当V的正常值为10V时，利用二极管恒压降模型有 VD0.7V， 由此可得二极管流过的电流为,(2)在此Q点上，,(3)按题意，V有1

10、V的波动，它可视为峰-峰值为2V的交流信号，该信号作用于由R和rd组成得分压器上。显然，相应的二极管的信号电压可按分压比来计算，即 VD(峰-峰值),由此可知，二极管电压VD的变化为2.79mv。,思考：如何获得2.1的稳定电压？,2模型分析法应用举例,（6）小信号工作情况分析,图示电路中，VDD = 5V，R = 5k，恒压降模型的VD=0.7V，vs = 0.1sinwt V。（1）求输出电压vO的交流量和总量；（2）绘出vO的波形。,直流通路（静态）、交流通路（动态）等概念，在放大电路的分析中非常重要。,3.5 特殊二极管,3.5.1 齐纳二极管(稳压二极管),1.符号及稳压特性,利用二

11、极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。,(1) 稳定电压VZ,(2) 动态电阻rZ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,rZ =VZ /IZ,(3)最大耗散功率 PZM,(4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin,(5)稳定电压温度系数,2. 稳压二极管主要参数,3.5.1 齐纳二极管,86 表3.5.1,3. 稳压电路（分流稳压器、并联式稳压电路）,正常稳压时 VO =VZ,3.5.1 齐纳二极管,专用稳压集成电路,为限流电阻，它的作用是使电路有一个合适的工作状态，并限定电路的工作电流。在保证稳压管可靠击穿情况下，尽可能

12、选择较大的阻值。,解：依题意， V VZ 9，选用2CW107， 取IZmin IZ =5， IZmax100。 IOmax0.5/9=56mA R=(VI VZ )/(IZ IO) 尽可能选择较大的值，最坏情况下仍能保证 可靠击穿： (VI VZ )/ Rmax IOmax IZmin ；Rmax（129）/ (5+56)=49， 取标称值47。 IZmax(13.69)/47=98mA PR = VR 2 /R= (13.69)2/47=0.45W 为安全和可靠起见，以选用47、1的电阻为宜。,例3.5.2,设计一稳压管稳压电路，作为汽车用收音机的供电电源。已知收音机的直 流电源为9，音量

13、最大时需供给的功率为0.5。汽车上的供电电源在 1213.6之间波动。要求选用合适的稳压管（ IZmin 、IZmax、 VZ 、 PZM ） 以及合适的限流电阻（阻值、额定功率）。,3.5.2 变容二极管,（a）符号 （b）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度）,结电容随反向电压增加而减小，可用于无线接收机中的 自动调谐，电视机频道选择等。,3.5.3 肖特基二极管,（a）符号 （b）正向V-I特性,1.金属和半导体形成结,2.肖特基势垒的半导体一侧几乎不存在少数载流子，多数载流子器件。,3.开关速度快,4.低的正向偏置电压0.3-0.5,5.常用于型晶体管集电结的抗饱和钳位。,6.反向击穿电压比较低，反向漏电流比PN结二极管大。,3.5.4 光电子器件,1. 光电二极管,（a）符号 （b）电路模型 （c）特性曲线,反向偏置,正向偏置时相当于太阳能电池。,砷化镓材料,3.5.4 光电子器件,2. 发光二极管,符号,光电传输系统,注意：不同颜色发光管导通后电压。91表3.5.2,鎵、砷、磷三种元素不同比例发出不同颜色的光。,除单个使用外，常作成七段式或矩阵式器件。,3.5.4 光电子器件,3. 激光二极管,（a）物理结构 （b）符号,非常窄的带宽产生相干光,正向偏置,红外线,作业,P97 3.4.2 3.4.3 3.4.5，3.4.6 P99 3.5.1，3.5.2 3.5.3,