模擬電子技術(shù)學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題解答

1、第1章 FPGA及其硬件描述語言VHDL第1章 緒 論1.1 教 學(xué) 要 求本章是模擬電子技術(shù)課程教學(xué)的開篇，旨在讓學(xué)生對這門課程的發(fā)展歷程、課程內(nèi)容、特點(diǎn)和學(xué)習(xí)方法進(jìn)行了解，以喚醒學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望。1.2 基 本 概 念1. 信號及其分類信號是攜帶信息的載體，可以分為模擬信號和數(shù)字信號兩大類。模擬信號是指在時(shí)間上和幅度上均具有連續(xù)性的信號，從宏觀上看，我們周圍的大多數(shù)物理量都是時(shí)間連續(xù)、數(shù)值連續(xù)的變量，如壓力、溫度及轉(zhuǎn)速等。這些變量通過相應(yīng)的傳感器都可轉(zhuǎn)換為模擬信號。數(shù)字信號是指幅度隨時(shí)間不連續(xù)變化的、離散的信號，如電報(bào)碼和用電平的高與低表示的二值邏輯信號等。2. 電子線路

2、及其分類用于產(chǎn)生、傳輸和處理模擬信號的電子電路稱為模擬電路，如放大電路、濾波電路、電壓/電流變換電路等，典型設(shè)備有收音機(jī)、電視機(jī)、擴(kuò)音機(jī)等；用于產(chǎn)生、傳輸和處理數(shù)字信號的電子電路稱為數(shù)字電路，典型設(shè)備是電子計(jì)算機(jī)等。模擬電路和數(shù)字電路統(tǒng)稱為電子線路。目前，模擬電路和數(shù)字電路的結(jié)合越來越廣泛，在技術(shù)上正趨向于把模擬信號數(shù)字化，以獲取更好的效果，如數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼電視機(jī)等。 3. 電子技術(shù)及其分類電子技術(shù)是研究電子器件、電子電路和電子系統(tǒng)及其應(yīng)用的科學(xué)技術(shù)，可分為模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)。研究模擬電路的電子技術(shù)就是模擬電子技術(shù)，研究數(shù)字電路的電子技術(shù)就是數(shù)字電子技術(shù)。4. 電子管電子管就是一個(gè)特殊

3、的燈泡，不過除燈絲以外，還有幾個(gè)“極”，里面的燈絲與極都有連線與各自的管腳相連。最簡單的電子管是二極管，它有兩個(gè)極(陰極和陽極，有的燈絲還兼作陰極)，其中，陰極有發(fā)射電子的作用，陽極有接收電子的作用。二極管具有單向?qū)щ姷奶匦裕捎米髡骱蜋z波。在二極管的基礎(chǔ)上增加一個(gè)柵極就成了電子三極管，柵極能控制電流，柵極上很小的電流變化，都會(huì)引起陽極很大的電流變化，所以，電子三極管有放大作用。5. 晶體管和集成電路1) 晶體管通俗地說，晶體管是半導(dǎo)體做的固體電子元件。像金、銀、銅、鐵等金屬，它們導(dǎo)電性能好，叫做導(dǎo)體。木材、玻璃、陶瓷、云母等不易導(dǎo)電，叫做絕緣體。導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，叫半導(dǎo)體

4、。晶體管就是用半導(dǎo)體材料制成的，這類材料中最常見的便是鍺和硅兩種。晶體管的出現(xiàn)是電子技術(shù)之樹上綻開的一朵絢麗多彩的奇葩。與電子管相比，晶體管具有諸多優(yōu)越性：晶體管的構(gòu)件是沒有消耗的；晶體管消耗電子極少，僅為電子管的十分之一或幾十分之一；晶體管不需預(yù)熱，一開機(jī)就工作；晶體管結(jié)實(shí)可靠，比電子管可靠100倍，耐沖擊、耐振動(dòng)。2) 集成電路 集成電路是一種微型電子器件或部件。采用一定的工藝，把一個(gè)電路中所需的晶體管、二極管、電阻、電容和電感等元件及連線，制作在一小塊或幾小塊半導(dǎo)體晶片或介質(zhì)基片上，然后封裝在一個(gè)管殼內(nèi)，便成為具有所需電路功能的微型結(jié)構(gòu)；其中所有元件在結(jié)構(gòu)上已組成一個(gè)整體。集成電路具有體

5、積小、重量輕、引出線和焊接點(diǎn)少、壽命長、可靠性高、性能好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)。它不僅在工用、民用電子設(shè)備如收錄機(jī)、電視機(jī)、計(jì)算機(jī)等方面得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)在軍事、通信、遙控等方面也得到了廣泛的應(yīng)用。用集成電路來裝配電子設(shè)備，其裝配密度可比晶體管提高幾十倍至幾千倍，設(shè)備的穩(wěn)定工作時(shí)間也可大大提高。1.3 學(xué)習(xí)方法指導(dǎo)第1章屬于綜述類型，是本課程的開篇。在學(xué)習(xí)本章時(shí)，主要了解電子技術(shù)的作用、功能與發(fā)展階段及各發(fā)展階段的特點(diǎn)。第2章 二極管及其電路2.1 教 學(xué) 要 求半導(dǎo)體二極管是模擬電路的基本構(gòu)件之一，在學(xué)習(xí)電子電路之前，必須對它的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性及其應(yīng)用有充分的了解。本章教

6、學(xué)要求如下。(1) 理解半導(dǎo)體中兩種載流子電子和空穴的物理意義。理解N型和P型半導(dǎo)體的物理意義及PN結(jié)的形成機(jī)理。(2) 熟練掌握PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕斫釶N結(jié)的伏安特性方程的物理意義。(3) 掌握半導(dǎo)體二極管的特性及主要參數(shù)，熟練掌握半導(dǎo)體二極管的模型對基本應(yīng)用電路的分析。(4) 掌握穩(wěn)壓管的特性及主要參數(shù)，以及穩(wěn)壓管構(gòu)成的穩(wěn)壓電路。2.2 基 本 概 念1. 半導(dǎo)體的基本知識半導(dǎo)體是一種導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。它的導(dǎo)電能力與溫度、光照和摻雜濃度有關(guān)。1) 本征半導(dǎo)體硅(Si)和鍺(Ge)是具有四個(gè)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料，如圖2.1所示。純凈且具有完整晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)

7、體。在一定的溫度下，本征半導(dǎo)體內(nèi)最重要的物理現(xiàn)象是本征激發(fā)(又稱熱激發(fā)或產(chǎn)生)，如圖2.2所示。本征激發(fā)產(chǎn)生兩種帶電性質(zhì)相反的載流子自由電子和空穴。溫度越高，本征激發(fā)越強(qiáng)。 圖2.1 本征硅或鍺的晶體結(jié)構(gòu) 圖2.2 本征激發(fā)產(chǎn)生自由電子空穴對2) 雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征硅(或鍺)中摻入微量五價(jià)(或三價(jià))元素后形成N型(或P型)雜質(zhì)半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體如圖2.3所示，P型半導(dǎo)體如圖2.4所示。 圖2.3 N型半導(dǎo)體 圖2.4 P 型半導(dǎo)體N型(P型)半導(dǎo)體產(chǎn)生自由電子和雜質(zhì)正離子對(空穴和雜質(zhì)負(fù)離子對)。由于雜質(zhì)電離，N型半導(dǎo)體中的多子是自由電子，少子是空穴；而P型半導(dǎo)體中的多子是空穴，少子是自由電子。

8、在常溫下，多子少子。多子濃度和摻雜濃度有關(guān)，幾乎等于雜質(zhì)濃度，與溫度無關(guān)；而少子濃度是溫度的敏感函數(shù)。雜質(zhì)半導(dǎo)體的電導(dǎo)率比本征半導(dǎo)體高很多。3) 半導(dǎo)體中的兩種電流半導(dǎo)體中存在因內(nèi)電場作用產(chǎn)生的少數(shù)載流子漂移電流(這與金屬導(dǎo)電一致)，以及因載流子濃度差而產(chǎn)生的多數(shù)載流子擴(kuò)散電流。2. PN結(jié)的基本知識1) PN結(jié)在具有完整晶格的P型和N型材料的物理界面附近，會(huì)形成一個(gè)特殊的薄層PN結(jié)，如圖2.5所示。圖2.5 PN結(jié)的形成當(dāng)濃度差引起的多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和內(nèi)電場引起的少子的漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，就形成了PN結(jié)。2) PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)加正向偏置時(shí)，能形成較大的正向電流，PN結(jié)正向電阻很??；

9、加反向偏置時(shí)，反向飽和電流很小，PN結(jié)呈高阻這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?. 半導(dǎo)體二極管普通二極管內(nèi)部就是一個(gè)PN結(jié)，P區(qū)引出正電極，N區(qū)引出負(fù)電極。1) 二極管的伏安特性二極管的伏安特性方程為。在低頻下，二極管具有單向?qū)щ娞匦?，正偏時(shí)導(dǎo)通；反偏時(shí)截止。稱為反向飽和電流。2) 二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)有：最大整流電流；最大反向工作電壓；反向電流(反向飽和電流)；最高工作頻率。4. 二極管電路的分析方法二極管是一種非線性器件，可以采用圖解法和等效模型分析法。1) 圖解法把電路分成兩個(gè)部分，一部分是由二極管組成的非線性電路，另一部分則是由電源、電阻等線性元件組成的線性部分。分別畫出非線性部

10、分(二極管)的伏安特性曲線和線性部分的特性曲線，兩條特性曲線的交點(diǎn)即為電路的工作電壓和電流。2) 等效模型分析法二極管的等效模型有四種：理想、恒壓降、折線和微變等效模型。一般情況下，理想模型和恒壓降模型用得較多。5. 二極管的應(yīng)用二極管廣泛用于整流電路(半波整流、全波整流、橋式整流)、限幅電路(頂部限幅、底部限幅、雙向限幅)、開關(guān)(嵌位)電路以及通信電路(檢波器、混頻器)等中。6. 特殊二極管及其應(yīng)用1) 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管(簡稱穩(wěn)壓管)具有穩(wěn)壓作用，其穩(wěn)壓特性表現(xiàn)在反向擊穿的狀態(tài)下。穩(wěn)壓管反向擊穿后的曲線越陡，則穩(wěn)壓性能越好。當(dāng)穩(wěn)壓管工作在正向偏置或反向偏置但未到擊穿值時(shí)，則其狀況相當(dāng)于普

11、通二極管。穩(wěn)壓管的符號、伏安特性及反向擊穿時(shí)的模式如圖2.6所示。穩(wěn)壓管的主要參數(shù)有：穩(wěn)壓值；最大穩(wěn)定電流值；動(dòng)態(tài)電阻，；額定功耗，；溫度系數(shù)。2) 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓二極管具有很陡的反向擊穿特性，當(dāng)反向電流有很大變化時(shí)，穩(wěn)壓管兩端的電壓幾乎保持不變，利用該原理可設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓功能是靠穩(wěn)壓管穩(wěn)壓特性和限流電阻的電壓調(diào)節(jié)作用相互配合來實(shí)現(xiàn)的。 圖2.6 穩(wěn)壓管的符號、伏安特性及反向擊穿時(shí)的模型2.3 重點(diǎn)難點(diǎn)分析(1) 本征半導(dǎo)體是指完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。半導(dǎo)體中有兩種載流子參與導(dǎo)電(這也是其與導(dǎo)體區(qū)別的一個(gè)重要特征)。自由電子與空穴的電量相等，極性相反，遷移方向相反。半

12、導(dǎo)體中的載流子數(shù)目越多，導(dǎo)電電流就可能越大。半導(dǎo)體的一個(gè)重要特性就是其導(dǎo)電性能對溫度很敏感。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱(載流子濃度低)，不能滿足電子電路的要求。在本征半導(dǎo)體中摻入微量的不同價(jià)的其他元素(雜質(zhì))，可大大提高載流子的濃度，從而改善導(dǎo)電性能。常在硅或鍺半導(dǎo)體中摻入五價(jià)元素(磷、銻)形成N型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體中：多子為電子；少子為空穴。提供電子的雜質(zhì)元素稱為“施主雜質(zhì)”。在硅或鍺半導(dǎo)體中摻入三價(jià)元素(硼、銦)形成P型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體中：多子為空穴；少子為電子。提供空穴的雜質(zhì)元素稱為“受主雜質(zhì)”。多數(shù)載流子的濃度決定于摻雜濃度，少數(shù)載流子的濃度與溫度有關(guān)。(2) PN結(jié)是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器

13、件的基礎(chǔ)。PN結(jié)的形成原理是：由于摻雜不同，P、N間存在多子濃度的差異(P區(qū)的多子為空穴；N區(qū)的多子為電子)；濃度差引起多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，且其在交界處產(chǎn)生復(fù)合，留下由于晶格化而不能運(yùn)動(dòng)的正負(fù)離子(不參與導(dǎo)電)，稱為空間電荷。空間電荷區(qū)平衡時(shí)，產(chǎn)生的電壓一般為零點(diǎn)幾伏，又稱為“接觸電位差”。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)繼續(xù)進(jìn)行，空間電荷區(qū)加寬。同時(shí)空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場(方向?yàn)檎x子區(qū)指向負(fù)離子區(qū))，其作用是阻止擴(kuò)散，而使少子產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)。最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡(這時(shí)電場力等于擴(kuò)散力)，空間電荷區(qū)不再加寬?？臻g電荷區(qū)的幾種稱謂包括：耗盡層、阻擋層、勢壘區(qū)。從半導(dǎo)體的導(dǎo)電角度來看，非空間電荷區(qū)呈現(xiàn)低電阻特性，而空間電荷區(qū)則具有

14、阻止電流的作用，呈現(xiàn)高阻特性?？臻g電荷區(qū)越寬，電阻值越大，反之亦然。PN結(jié)外加正向電壓正向偏置時(shí)，由于是多子導(dǎo)電，因而外加電壓的微小變化將使電流有較大的變化。結(jié)果，擴(kuò)散力大于電場力由多子形成的擴(kuò)散(正向)電流起主導(dǎo)地位，而少子形成的漂移電流可忽略不計(jì)，空間電荷區(qū)變窄，電阻變小。當(dāng)外加負(fù)向電壓反向偏置時(shí)，電場力大于擴(kuò)散力由少子形成的漂移(反向)電流起主導(dǎo)地位，而多子形成的擴(kuò)散電流可忽略不計(jì)，空間電荷區(qū)變寬，電阻變得很大。即PN結(jié)有單向?qū)щ娞匦?正偏導(dǎo)通，反偏截止)。當(dāng)PN結(jié)的外加電壓進(jìn)一步增加時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反向擊穿(電擊穿)，有齊納擊穿和雪崩擊穿兩種。電擊穿具有“自愈性”(可逆性)。對硅材料而言，一

15、般來說，外加電壓大于6V時(shí)的擊穿為雪崩擊穿，呈正溫度系數(shù)；小于4V時(shí)的擊穿為齊納擊穿，呈負(fù)溫度系數(shù)；介于4V和6V之間時(shí)的溫度系數(shù)很小。當(dāng)反向電流過大，擊穿的時(shí)間較長時(shí)，PN結(jié)的物理結(jié)構(gòu)會(huì)因溫度過高而遭到破壞，這種情況稱為熱擊穿。熱擊穿具有不可逆性，使用中應(yīng)避免。PN結(jié)上同時(shí)存在勢壘電容和擴(kuò)散電容，正偏時(shí)起主要作用，反偏時(shí)起主要作用。低頻時(shí)因、的數(shù)值很小、容抗很大，因而其作用可忽略。而高頻時(shí)，其容抗較小，對電路將產(chǎn)生影響，使PN結(jié)的單向?qū)щ娦宰儾睢?3) 實(shí)際的二極管伏安特性與PN結(jié)的理想伏安特性大體相同，但稍有區(qū)別，即正向偏置要經(jīng)過一個(gè)門坎電壓(也稱為死區(qū)電壓)才能開啟二極管(這是因?yàn)檎蚱?/p>

16、置首先需要克服引線電阻及體電阻的存在)，如圖2.7所示。在“死區(qū)”內(nèi)，二極管呈現(xiàn)高阻，通常認(rèn)為這時(shí)的二極管不導(dǎo)通。一般在定量計(jì)算時(shí)，仍可用PN結(jié)的伏安方程來近似描述二極管。圖2.7 半導(dǎo)體二極管伏安特性(4) 由于二極管具有單向?qū)щ娦?，所以在一般?yīng)用場合以及誤差要求不高時(shí)，二極管在電路中的工作狀態(tài)可分為“導(dǎo)通”或者“截止”。導(dǎo)通時(shí)管子呈現(xiàn)的電阻很小(理想情況下為零)，截止時(shí)管子呈現(xiàn)的電阻很大(理想情況下為無窮大)。判斷二極管在電路中的工作狀態(tài)的常用方法是：先假設(shè)二極管斷開，然后求斷開兩端的電壓，若端電壓大于等于其導(dǎo)通電壓(門坎電壓)，則管子導(dǎo)通，反之則截止。導(dǎo)通后的管壓降通常取一個(gè)常值。(注意

17、：門坎電壓和管壓降常值根據(jù)管子材料以及二極管等效模型的不同而不同。)(5) 對二極管電路的分析可采用圖解法和等效模型分析法。兩種方法各有不同的特點(diǎn)，在不同的環(huán)境下應(yīng)用效果也不同，使用中應(yīng)根據(jù)條件合理選用，否則會(huì)影響分析。二極管的等效模型有四種，即理想模型、恒壓降模型、折線模型和微變等效模型，如圖2.8圖2.11所示。一般，當(dāng)電源電壓遠(yuǎn)大于二極管的導(dǎo)通壓降時(shí)，就可以利用理想模型來分析。如果考慮二極管的兩端電壓，則恒壓降模型較好，它比理想模型更接近實(shí)際情況，因此應(yīng)用比較廣泛。一般在二極管電流大于1mA時(shí)，恒壓降模型的近似精度還是相當(dāng)高的。如果二極管導(dǎo)通時(shí)的電壓和正向電阻都不可忽略，應(yīng)采用折線模型。

18、這種模型可在信號變化較大時(shí)使用，更接近實(shí)際曲線，其近似程度比前兩種模型都好。如果二極管在導(dǎo)通后只工作在某固定值Q的小范圍內(nèi)，則可采用微變等效電路，微變等效模型只適用于小信號工作情況。一般情況下，理想模型和恒壓降模型用得較多。 圖2.8 理想模型 圖2.9 恒壓降模型 圖2.10 折線模型 圖2.11 微變等效模型(6) 穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)時(shí)，可輸出穩(wěn)定的工作電壓；當(dāng)穩(wěn)壓管工作在正向偏置或反向偏置但反向電壓未到擊穿值時(shí)，則其狀況相當(dāng)于普通二極管。設(shè)計(jì)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路時(shí)，要正確選取限流電阻，使穩(wěn)壓管在一定的負(fù)載條件下正常工作，如圖2.12所示。圖2.12 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路圖 使輸出電壓不穩(wěn)定的因素

19、主要有兩個(gè)，一個(gè)是VI的變化，另一個(gè)是RL的變化。根據(jù)穩(wěn)壓管的伏安特性曲線，的微小變化將會(huì)使流過穩(wěn)壓管的電流發(fā)生劇烈的變化，這時(shí)即可通過限流電阻兩端電壓的變化來補(bǔ)償輸入電壓或負(fù)載的變化，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。在工作中，當(dāng)VI和RL變化時(shí)，為了保證穩(wěn)壓管正常穩(wěn)壓，必須保證穩(wěn)壓管電流IZ在IZMINIZM的范圍內(nèi)。因此，必須合理選擇限流電阻R。通過計(jì)算，限流電阻的取值范圍為R值選得小一些，電阻上的損耗就會(huì)小一些；R值選得大一些，電路的穩(wěn)壓性能就好一些。2.4 學(xué)習(xí)方法指導(dǎo)本章的重點(diǎn)是二極管與穩(wěn)壓管的伏安特性、基本電路及其分析方法。本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體和PN結(jié)等相關(guān)知識是學(xué)習(xí)二極管和穩(wěn)壓管的

20、基礎(chǔ)。在了解了半導(dǎo)體(本征、雜質(zhì))的基本機(jī)理后，充分掌握PN結(jié)是由多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和少子的漂移運(yùn)動(dòng)兩者共同形成的，是一種動(dòng)態(tài)平衡。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕O管的工作原理主要是基于PN結(jié)的單向?qū)щ娦?。對于二極管電路的分析，通常采用等效模型分析法，其關(guān)鍵在于正確判斷電路中二極管的工作狀態(tài)，在外加電壓遠(yuǎn)大于導(dǎo)通電壓時(shí)，采用理想或恒壓降模型進(jìn)行等效。判斷電路中的二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)還是截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，應(yīng)掌握以下兩種基本方法。(1) 斷開二極管，設(shè)定參考零電位點(diǎn)，分析電路斷開點(diǎn)的開路電壓。如果該電壓能使二極管正偏，且大于二極管的死區(qū)電壓，二極管導(dǎo)通；否則二極管截止。(2) 如果電路中有多個(gè)二極管，可先利用方法(

21、1)分別判斷各個(gè)二極管兩端的開路電壓，開路電壓高的二極管優(yōu)先導(dǎo)通；當(dāng)此二極管導(dǎo)通后，再根據(jù)電路的約束條件，判斷其他二極管的工作狀態(tài)。對于穩(wěn)壓管應(yīng)知道其工作于反向擊穿區(qū)，有穩(wěn)定的輸出電壓，以及穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中限流電阻的選擇方法。2.5 典型例題分析【例2.1】 在室溫(300K)條件下，若二極管的反向飽和電流為1nA，問它的正向電流為0.5mA時(shí)的外加電壓是多少？解：二極管的伏安特性方程為，其中VT=26mV，將已知參數(shù)帶入方程，可得故 【例2.2】 已知二極管電路如圖2.13所示，試判斷圖中二極管是導(dǎo)通還是截止，并確定二極管的輸出電壓。設(shè)二極管為理想二極管。圖2.13 例2.2的電路圖解：判斷

22、二極管在電路中的工作狀態(tài)的常用方法是：先假設(shè)二極管斷開，然后求斷開兩端的電壓，若兩端電壓大于等于其導(dǎo)通電壓(門坎電壓)，則管子導(dǎo)通，反之則截止。導(dǎo)通后的管壓降通常取一個(gè)常值(即采用理想模型或恒壓降模型)。在用上述方法判斷的過程中，如果電路中出現(xiàn)多個(gè)二極管，則分析時(shí)要用到“優(yōu)先導(dǎo)通”和“箝位”的概念。對于含有多個(gè)二極管的電路，首先求出假設(shè)各二極管均斷開時(shí)的陽極和陰極電位；再比較各二極管陽極對陰極的電位差，電位差為正且較高的二極管優(yōu)先導(dǎo)通(即其他二極管來不及導(dǎo)通時(shí)，它已導(dǎo)通)，然后再?zèng)Q定其他二極管的狀態(tài)，如果陽極對陰極電位為負(fù)值，則二極管截止；最后計(jì)算各處電壓、電流。在圖2.13(a)所示的電路中

23、，只有一個(gè)二極管，假設(shè)其斷開，回路中沒有電流存在；那么二極管VD兩端承受的電壓為。二極管接入后處于正向偏置，故二極管工作在導(dǎo)通狀態(tài)，。在圖2.13(b)所示的電路中，有多個(gè)二極管，首先將和斷開，得到兩個(gè)管子承受的電壓分別是：為；為；二極管承受的正向電壓高于的正向電壓，所以優(yōu)先導(dǎo)通；由于優(yōu)先導(dǎo)通，所以的陽極箝位于，此時(shí)因承受反向電壓而反向截止。故?！纠?.3】 假設(shè)在圖2.14中，二極管是理想的，試畫出在V作用下的波形。圖2.14 例2.3的電路圖解：圖2.14所示的電路為二極管雙向限幅電路，分析該題的關(guān)鍵是判斷二極管的工作狀態(tài)。在的正半周，當(dāng)時(shí)，的陽極電位高于陰極電位，導(dǎo)通，此時(shí)被限定為；在的

24、負(fù)半周，當(dāng)時(shí)，的陽極電位高于陰極電位，導(dǎo)通，此時(shí)被限定為；在的其他時(shí)間間隔內(nèi)，和均因被施加反向電壓而截止，所以的波形始終與的波形相同?！纠?.4】 電路如圖2.15所示，二極管為硅管，輸入信號，電容器C對交流信號的容抗可忽略不計(jì)，試計(jì)算輸出電壓的交流分量。圖2.15 例2.4的電路圖解：當(dāng)二極管電路中同時(shí)存在較大的直流電源和微變的交流信號時(shí)，應(yīng)該先假設(shè)交流信號為零，采用二極管的恒壓降模型計(jì)算出流過二極管的直流電路，然后再利用二極管的微變等效模型分析計(jì)算其交流分量，即先做直流分析再做交流分析。當(dāng)交流信號為0，電容器C開路時(shí)，流過二極管的直流電流為此時(shí)，可估算出二極管的動(dòng)態(tài)電阻為在進(jìn)行交流分析時(shí)，

25、令直流電源和電容器短路，二極管可用交流等效電阻代替。電路等效為如圖2.16所示的電路，由圖2.16可求出輸出電壓的交流分量為圖2.16 圖2.15的交流等效電路圖【例2.5】 電路如圖2.17所示，若穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為12V，最大穩(wěn)定電流為20mA，輸入電壓為30V，限流電阻為，負(fù)載電阻為，試求：(1)流過穩(wěn)壓管的電流；(2)負(fù)載開路時(shí)，流過穩(wěn)壓管的電流；(3)輸入電壓由30V變化到35V時(shí)，流過穩(wěn)壓管的電流。圖2.17 例2.5的電路圖 解：此電路為并聯(lián)穩(wěn)壓電路。(1) 當(dāng)輸入電壓為30V時(shí)，因?yàn)檩斎腚妷涸谙蘖麟娮韬拓?fù)載電阻之間分壓，可得負(fù)載電阻上的電壓為30(2/(2+1.5)17V，大于

26、穩(wěn)壓管穩(wěn)定工作電壓12V，所以穩(wěn)壓管可以正常工作為反向擊穿區(qū)，輸出穩(wěn)定的電壓，有(2) 如果負(fù)載開路，流過穩(wěn)壓管的電流即為限流電阻上的電流，。(3) 如果輸入電壓由30V變化到35V，有流過穩(wěn)壓管的電流為【例2.6】 已知兩只硅穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值分別為5V和10V，請求出圖2.18中幾種連接電路的端電壓。已知穩(wěn)壓管的正向壓降為0.7V。圖2.18 例2.6的電路圖解：圖2.18所示的4個(gè)電路圖為穩(wěn)壓管的串聯(lián)和并聯(lián)電路。圖2.18(a)中，輸入電壓大于1.4V，兩個(gè)穩(wěn)壓管均處于正向?qū)顟B(tài)，有圖2.18(b)中，輸入電壓大于20V，即兩個(gè)穩(wěn)壓管均反向擊穿，有圖2.18(c)中，兩只穩(wěn)壓管并聯(lián)，所以在

27、反向擊穿后，截止，所以。圖2.18(d)中，兩只穩(wěn)壓管并聯(lián)，正向?qū)ê?，截止，所以?.6 習(xí) 題 詳 解1在T=300K時(shí)，某硅管和鍺管的反向飽和電流分別是和。兩管按圖2.19所示的方式串聯(lián)，且回路中電流為。試用二極管伏安特性方程估算兩管的端電壓。圖2.19 習(xí)題1的電路圖解：兩管已充分導(dǎo)通，故伏安關(guān)系為，由此可得，(T=300K)2在T=300K時(shí)，對于某二極管，利用PN結(jié)伏安方程作以下估算。(1) 若反向飽和電流，求正向電壓為0.1V、0.2V和0.3V時(shí)的電流。(2) 當(dāng)反向電流達(dá)到反向飽和電流的90%時(shí)，反向電壓為多少？(3) 若正反向電壓均為0.05V，求正向電流與反向電流比值的絕

28、對值。解：(1) V=0.1V時(shí)，V=0.2V時(shí)，V=0.3V時(shí)，(2) 按題意，有解得(3) 3寫出如圖2.20所示各電路的輸出電壓值，設(shè)二極管導(dǎo)通電壓VD為0.7V。圖2.20 習(xí)題3的電路圖解：先假設(shè)圖中所有二極管均斷開，分別求解二極管兩端的承受壓降。(1) 因?yàn)槎O管兩端壓降為2V，二極管正向?qū)ǎ琕O1=2-0.7=1.3V。(2) 因?yàn)槎O管兩端壓降為-2V，二極管反向截止，VO2=0V。(3) 因?yàn)槎O管兩端壓降為4V，二極管正向?qū)ǎ琕O3=0.7-2V=-1.3V。(4) 因?yàn)槎O管兩端壓降為-4V，二極管反向截止，VO4=2V。(5) 因?yàn)槎O管兩端壓降為4V，二極管正向?qū)?/p>

29、通，VO5=-0.7+2=1.3V。(6) 因?yàn)槎O管兩端壓降為-4V，二極管反向截止，VO6=-2V。4試分析圖2.21所示的電路中的二極管VD的狀態(tài)(導(dǎo)通還是截止)。解：去掉二極管，以接地點(diǎn)(設(shè)為O)為參考點(diǎn)，則(V)(V)因?yàn)椋远O管反偏截止。 5試判斷圖2.22所示的電路中的二極管VD1和VD2是導(dǎo)通狀態(tài)還是截止?fàn)顟B(tài)。設(shè)二極管的正向?qū)▔航禐?.7V。解：首先將VD1和VD2斷開，求得兩管將承受的電壓值分別為：VD1管；VD2管。因?yàn)閂D1兩端承受的正向壓降大，所以VD1導(dǎo)通，又因?yàn)閂D1導(dǎo)通，所以A點(diǎn)電位被箝位于-0.7V，故，使VD2截止。結(jié)論：VD1導(dǎo)通，VD2截止。 圖2.

30、21 習(xí)題4的電路圖 圖2.22 習(xí)題5的電路圖6電路如圖2.23所示，二極管導(dǎo)通電壓VD=0.7V，常溫下VT26mV；電容C對交流信號可視為短路；vi為正弦波，有效值為10mV。試問二極管中流過的交流電流有效值為多少?圖2.23 習(xí)題6的電路圖解：二極管的直流電流其動(dòng)態(tài)電阻故動(dòng)態(tài)電流有效值圖2.24 習(xí)題7的電路圖7電路如圖2.24所示，假設(shè)二極管是理想開關(guān)，試畫出圖示并聯(lián)型雙向限幅器的輸出電壓的波形。圖中是振幅為12V的正弦電壓。并試總結(jié)要使的上限幅電壓為和下限幅電壓為的電路的構(gòu)成原則以及對輸入電壓的要求。解：(1)因?yàn)閂D1支路上的VD1有6V反偏，所以，時(shí)，VD1不導(dǎo)通。因?yàn)閂D2支

31、路上的VD2有6V反偏，所以，時(shí)，VD2不導(dǎo)通。因此，時(shí)，VD1、VD2均不導(dǎo)通，此時(shí)，。當(dāng)時(shí)，VD1導(dǎo)通，。圖2.25 習(xí)題7的解圖當(dāng)時(shí)，VD2導(dǎo)通，。的波形如圖2.25所示。(2) 電路構(gòu)成原則。要求，兩電壓均可正負(fù)。對的要求為，。8電路如圖2.26(a)所示，其輸入電壓vI1和vI2的波形如圖2.26(b)所示，二極管導(dǎo)通電壓VD為0.7V。試畫出輸出電壓的波形，并標(biāo)出幅值。 圖2.26 習(xí)題8的電路圖和輸入波形圖解：的波形如圖2.27所示。9在圖2.28所示的電路中，是振幅為10V的低頻正弦電壓，二極管視為恒壓降器件(正向?qū)妷簽?.7V)。試畫出的波形。 圖2.27 習(xí)題8的解圖

32、圖2.28 習(xí)題9的電路圖方法一：因?yàn)槎O管在回路中有2V正偏，且其導(dǎo)通電壓為0.7V，所以，當(dāng)V時(shí)，VD導(dǎo)通，；當(dāng)V時(shí)，VD截止，。方法二：，V時(shí)，VD導(dǎo)通，。V時(shí)，VD截止，。的波形如圖2.29所示。10由穩(wěn)壓管2DW12D構(gòu)成的穩(wěn)壓電路如圖2.30所示。已知2DW12D的參數(shù)為：，mA，mW。輸入直流電壓的變化范圍為1215V，負(fù)載電阻。試正確選取限流電阻R的值，并要求開路時(shí)不會(huì)燒管。解：當(dāng)且接上負(fù)載時(shí)，應(yīng)不小于2mA，即所以。當(dāng)且開路時(shí)，管耗最大。此時(shí)，管耗應(yīng)小于250mW，即所以。因此，應(yīng)選取，例如R可取240。 圖2.29 習(xí)題9的解圖 圖2.30 習(xí)題10的電路圖11在圖2.31所示的電路中，低頻正弦電壓V，Si穩(wěn)壓管V。試畫出穩(wěn)壓管兩端的電壓的波形。解：V時(shí)，擊穿，。V時(shí)，導(dǎo)通，。時(shí)，截止，。的波形圖如圖2.32所示。 圖2.31 習(xí)題11的電路圖 圖2.