極管的基本電路及其分析方法

模擬電子技術(shù)第1頁(yè)，共41頁(yè)。3二極管及其基本電路3.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)3.3半導(dǎo)體二極管3.4二極管基本電路及其分析方法3.5特殊二極管3.2PN結(jié)的形成及特性第2頁(yè)，共41頁(yè)。3.3半導(dǎo)體二極管

半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)

二極管的伏安特性

二極管的主要參數(shù)第3頁(yè)，共41頁(yè)。在PN結(jié)上加上引線(xiàn)和封裝，就成為一個(gè)分立的半導(dǎo)體二極管元件。點(diǎn)接觸型面接觸型平面型3.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)第4頁(yè)，共41頁(yè)。點(diǎn)接觸型二極管(a)點(diǎn)接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。不能承受高的反向電壓和大的電流。第5頁(yè)，共41頁(yè)。面接觸型二極管(b)面接觸型PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。但極間電容夜大，不適于高頻電路中。第6頁(yè)，共41頁(yè)。平面型二極管(c)平面型往往用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開(kāi)關(guān)電路中。第7頁(yè)，共41頁(yè)。半導(dǎo)體二極管圖片和符號(hào)k陰極陽(yáng)極a第8頁(yè)，共41頁(yè)。(1)二極管元件的伏安特性曲線(xiàn)逐點(diǎn)測(cè)量(2)二極管元件的伏安特性公式表示不再滿(mǎn)足歐姆定理3.3.2二極管的伏安特性第9頁(yè)，共41頁(yè)。鍺二極管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向擊穿特性硅二極管2CP10的V-I特性反向擊穿特性反向特性正向特性開(kāi)啟電壓(門(mén)坎電壓)Vth，硅管為0.5V，鍺管為0.1V。正向?qū)ê?，?.7Ｖ，鍺0.3Ｖ。低電壓穩(wěn)壓器。硅管的反向電流極小(nA)，鍺管的反向電流較大(μA)。硅：0.1μA；鍺：10μA反向擊穿時(shí)，外部電路對(duì)電流加以限制，否則器件可能被損壞。第10頁(yè)，共41頁(yè)。最大整流電流（平均值）IF：是指管子長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)允許通過(guò)的最大正向平均電流，電流太大會(huì)燒壞。如2AP1最大整流電流為16mA。反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓VRM:VRM約為擊穿電壓的一半。反向電流IR：指管子未擊穿時(shí)的反向電流,其值愈小,則管子的單向?qū)щ娦杂?。最高工作頻率fM：當(dāng)頻率大到一定程度時(shí)，二極管的單向?qū)щ娦詫⒚黠@地變差。極間電容Ｃｄ：在高頻或開(kāi)關(guān)狀態(tài)運(yùn)用時(shí)必須考慮其影響。反向恢復(fù)時(shí)間TRR:由于結(jié)電容效應(yīng)的存在，正向?qū)ǖ浇刂剐枰臅r(shí)間，截止到導(dǎo)通不存在恢復(fù)時(shí)間。3.3.3二極管的主要參數(shù)第11頁(yè)，共41頁(yè)。二極管應(yīng)用問(wèn)題種類(lèi)、型號(hào)選擇－－查器件手冊(cè)（國(guó)內(nèi)，日本，美國(guó)）。正負(fù)極判斷（P723.3.2）第12頁(yè)，共41頁(yè)。3.4

二極管基本電路及其分析方法

3.4.1簡(jiǎn)單二極管電路的圖解分析方法

二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法第13頁(yè)，共41頁(yè)。3.4.1簡(jiǎn)單二極管電路的圖解分析方法二極管是一種非線(xiàn)性器件，因而其電路一般要采用非線(xiàn)性電路的分析方法，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，而圖解分析法則較簡(jiǎn)單，但前提條件是已知二極管的V-I特性曲線(xiàn)。第14頁(yè)，共41頁(yè)。例3.4.1電路如圖所示，已知二極管的V-I特性曲線(xiàn)、電源VDD和電阻R，求二極管兩端電壓vD和流過(guò)二極管的電流iD。解：由電路的KVL方程，可得即是一條斜率為-1/R的直線(xiàn)，稱(chēng)為負(fù)載線(xiàn)

Q的坐標(biāo)值（VD，ID）即為所求。Q點(diǎn)稱(chēng)為電路的工作點(diǎn)第15頁(yè)，共41頁(yè)。3.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模將指數(shù)模型分段線(xiàn)性化，得到二極管特性的等效模型。（1）理想模型（a）V-I特性（b）代表符號(hào)（c）正向偏置時(shí)的電路模型（d）反向偏置時(shí)的電路模型

在實(shí)際電路中,當(dāng)電源電壓遠(yuǎn)比二極管的管壓降大時(shí),利用此法是可行的。第16頁(yè)，共41頁(yè)。3.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（2）恒壓降模型（a）V-I特性（b）電路模型（3）折線(xiàn)模型（a）V-I特性（b）電路模型典型值是0.7V只有當(dāng)二極管的電流iD近似等于或大于1mA時(shí)才是正確的。Vth約為0.5V；第17頁(yè)，共41頁(yè)。3.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號(hào)模型vs=0時(shí),Q點(diǎn)稱(chēng)為靜態(tài)工作點(diǎn)，反映直流時(shí)的工作狀態(tài)。vs=Vmsint時(shí)（Vm<<VDD）,將Q點(diǎn)附近小范圍內(nèi)的V-I特性線(xiàn)性化，得到小信號(hào)模型，即以Q點(diǎn)為切點(diǎn)的一條直線(xiàn)。第18頁(yè)，共41頁(yè)。3.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號(hào)模型過(guò)Q點(diǎn)的切線(xiàn)可以等效成一個(gè)微變電阻即根據(jù)得Q點(diǎn)處的微變電導(dǎo)則常溫下（T=300K）（a）V-I特性（b）電路模型第19頁(yè)，共41頁(yè)。應(yīng)用：完成直流分析以后，將所有的直流電源去掉（直流電壓源短路，直流電流源開(kāi)路）以及用小信號(hào)電阻替代二極管。3.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（4）小信號(hào)模型特別注意：小信號(hào)模型中的微變電阻rd與靜態(tài)工作點(diǎn)Q有關(guān)。該模型用于二極管處于正向偏置條件下，且vD>>VT。（a）V-I特性（b）電路模型交流電路第20頁(yè)，共41頁(yè)。3.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法2．模型分析法應(yīng)用舉例（1）整流電路（理想模型）（a）電路圖（b）vs和vo的波形半波整流電路不適合對(duì)小信號(hào)進(jìn)行整流（100ｍＶ）精密整流器第21頁(yè)，共41頁(yè)。2．模型分析法應(yīng)用舉例（2）靜態(tài)工作情況分析理想模型（R=10k）當(dāng)VDD=10V時(shí)，恒壓模型（硅二極管典型值）折線(xiàn)模型（硅二極管典型值）設(shè)當(dāng)VDD=1V時(shí)，（自看）（a）簡(jiǎn)單二極管電路（b）習(xí)慣畫(huà)法第22頁(yè)，共41頁(yè)。2．模型分析法應(yīng)用舉例（3）限幅電路電路如圖，R=1kΩ，VREF=3V，二極管為硅二極管。分別用理想模型和恒壓降模型求解，當(dāng)vI=6sintV時(shí)，繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。第23頁(yè)，共41頁(yè)。2．模型分析法應(yīng)用舉例（4）開(kāi)關(guān)電路（理想模型）電路如圖所示，求AO的電壓值解：先斷開(kāi)D，以O(shè)為基準(zhǔn)電位，即O點(diǎn)為0V。則接D陽(yáng)極的電位為-6V，接陰極的電位為-12V。陽(yáng)極電位高于陰極電位，D接入時(shí)正向?qū)?。?dǎo)通后，D的壓降等于零，即A點(diǎn)的電位就是D陽(yáng)極的電位。所以，AO的電壓值為-6V。第24頁(yè)，共41頁(yè)。開(kāi)關(guān)電路1.在開(kāi)關(guān)電路中，利用二極管的單向?qū)щ娦砸越油ɑ驍嚅_(kāi)電路。2.在分析這種電路時(shí)，即判斷電路中二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)還是截止?fàn)顟B(tài)，應(yīng)掌握一條基本原則：可以先將二極管斷開(kāi)，確定零電位點(diǎn)，然后觀(guān)察（或經(jīng)過(guò)計(jì)算）陽(yáng)、陰兩極間是正向電壓還是反向電壓，若是前者則二極管導(dǎo)通，否則二極管截止。3.如果有多個(gè)二極管，則正向電壓最大者優(yōu)先導(dǎo)通，導(dǎo)通后壓降為0，對(duì)其他的二極管兩端的電壓可能產(chǎn)生影響。第25頁(yè)，共41頁(yè)。

例：一二極管開(kāi)關(guān)電路如圖所示。當(dāng)v1和v2為0V或5V時(shí)，求v1和v2的值不同組合情況下，輸出電壓o的值。設(shè)二極管是理想的。解：(1)當(dāng)v1=0V,v2=5V時(shí),D1為正向偏置，D1導(dǎo)通，vo=0V,此時(shí)D2的陰極電位為5V，陽(yáng)極為0V，處于反向偏置，故D2截止。第26頁(yè)，共41頁(yè)。(2)以此類(lèi)推，將v1和v2的其余三種組合及輸出電壓列于下表：

v1

v2D1D2v00V0V導(dǎo)通導(dǎo)通0V0V5V導(dǎo)通截止0V5V0V截止導(dǎo)通0V5V5V截止截止5V與運(yùn)算第27頁(yè)，共41頁(yè)。2．模型分析法應(yīng)用舉例（5）低電壓穩(wěn)壓電路：利用二極管的正向壓降特性（恒壓模型和小信號(hào)模型）

例：在如圖所示的低電壓穩(wěn)壓電路中，直流電源電壓V的正常值為10V，R=10k,當(dāng)V變化±1V時(shí)，問(wèn)相應(yīng)的硅二極管電壓(輸出電壓)的變化如何？????d

第28頁(yè)，共41頁(yè)。解：(1)當(dāng)V的正常值為10V時(shí)，利用二極管恒壓降模型有VD≈0.7V，由此可得二極管流過(guò)的電流為

(2)在此Q點(diǎn)上，(3)按題意，V有±1V的波動(dòng)，它可視為峰-峰值為2V的交流信號(hào)，該信號(hào)作用于由R和rd組成得分壓器上。顯然，相應(yīng)的二極管的信號(hào)電壓可按分壓比來(lái)計(jì)算，即VD(峰-峰值)

由此可知，二極管電壓VD的變化為±2.79mv。

思考：如何獲得2.1Ｖ的穩(wěn)定電壓？第29頁(yè)，共41頁(yè)。2．模型分析法應(yīng)用舉例（6）小信號(hào)工作情況分析圖示電路中，VDD=5V，R=5k，恒壓降模型的VD=0.7V，vs=0.1sinwtV。（1）求輸出電壓vO的交流量和總量；（2）繪出vO的波形。直流通路（靜態(tài)）、交流通路（動(dòng)態(tài)）等概念，在放大電路的分析中非常重要。第30頁(yè)，共41頁(yè)。3.5特殊二極管

齊納二極管(穩(wěn)壓二極管)1.符號(hào)及穩(wěn)壓特性利用二極管反向擊穿特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時(shí)工作在反向電擊穿狀態(tài)。第31頁(yè)，共41頁(yè)。(1)穩(wěn)定電壓VZ(2)動(dòng)態(tài)電阻rZ在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓。rZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率

PZM(4)最大穩(wěn)定工作電流IZmax和最小穩(wěn)定工作電流IZmin(5)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)——ＣＴＶ2.穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)3.5.1齊納二極管第32頁(yè)，共41頁(yè)。3.穩(wěn)壓電路（分流穩(wěn)壓器、并聯(lián)式穩(wěn)壓電路）正常穩(wěn)壓時(shí)VO=VZ3.5.1齊納二極管專(zhuān)用穩(wěn)壓集成電路Ｒ為限流電阻，它的作用是使電路有一個(gè)合適的工作狀態(tài)，并限定電路的工作電流。在保證穩(wěn)壓管可靠擊穿情況下，盡可能選擇較大的Ｒ阻值。第33頁(yè)，共41頁(yè)。解：依題意，VＯ＝VZ＝9Ｖ，選用2CW107，取IZmin＝IZ=5ｍＡ，IZmax＝100ｍＡ。IOmax＝0.5/9=56mAR=(VI－VZ)/(IZ＋I(xiàn)O)Ｒ盡可能選擇較大的值，最壞情況下仍能保證可靠擊穿：

(VI－VZ)/Rmax－IOmax>IZmin

；Rmax<（12－9）/(5+56)=49Ω，取標(biāo)稱(chēng)值Ｒ＝47Ω。IZmax＝(13.6－9)/47=98mAPR

=VR2/R=(13.6－9)2/47=0.45W為安全和可靠起見(jiàn)，以選用47Ω、1Ｗ的電阻為宜。設(shè)計(jì)一穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，作為汽車(chē)用收音機(jī)的供電電源。已知收音機(jī)的直流電源為9Ｖ，音量最大時(shí)需供給的功率為0.5Ｗ。汽車(chē)上的供電電源在12～13.6Ｖ之間波動(dòng)。要求選用合適的穩(wěn)壓管（IZmin、IZmax、VZ、PZM

）以及合適的限流電阻（阻值、額定功率）。汽車(chē)用收音機(jī)汽車(chē)電源第34頁(yè)，共41頁(yè)。3.5.2變?nèi)荻O管（a）符號(hào)（b）結(jié)電容與電壓的關(guān)系（縱坐標(biāo)為對(duì)數(shù)刻度）結(jié)電容隨反向電壓增加而減小，可用于無(wú)線(xiàn)接收機(jī)中的自動(dòng)調(diào)諧，電視機(jī)頻道選擇等。第35頁(yè)，共41頁(yè)。3.5.3肖特基二極管（a）符號(hào)（b）正向V-I特性1.金屬和半導(dǎo)體形成結(jié)2.肖特基勢(shì)壘的半導(dǎo)體一側(cè)幾乎不存在少數(shù)載流子，多數(shù)載流子器件。3.開(kāi)關(guān)速度快4.低的正向偏置電壓0.3-0.5Ｖ5.常用于ＮＰＮ型晶體管集電結(jié)的抗飽和鉗位。6.反向擊穿電壓比較低，反向漏電流比PN結(jié)二極管大。第36頁(yè)，共41頁(yè)。3.5.4光電子器件1.光電二極管（a）符號(hào)（b）電路模型（c）特性曲線(xiàn)反向偏置正向偏置時(shí)相當(dāng)于太陽(yáng)能電池。砷化鎵材料第37頁(yè)，共41頁(yè)。3.5.4光電子器件2.發(fā)光二極管符號(hào)光電傳輸系統(tǒng)鎵、砷、磷三種元素不同比例發(fā)出不同顏色的光。除單個(gè)使用外，常作成七段式或矩陣式器件。第38頁(yè)，共41頁(yè)。3.5.4