模電第3章二極管

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第三章二極管3.1理想二極管3.2結(jié)二極管端口特性3.3二極管正向特性建模3.4工作在反向擊穿區(qū)域的二極管—齊納二極管3.5整流電路3.6限幅電路與鉗位電路3.7二極管的物理特性國家試驗(yàn)教學(xué)示范中心杭州電子科技大學(xué)電工電子試驗(yàn)中心NationalExperimentalTeachingDemonstrationCenter

介紹：二極管

二極管是非線性電路元件二極管是一個(gè)單向電路元件—單向?qū)щ娦宰畛Ｒ姷膽?yīng)用是整流二極管由一個(gè)PN結(jié)構(gòu)成先研究二極管的外部特性、等效模型和基本應(yīng)用，最后研究其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、原理和物理特性二極管是一切電子器件的基礎(chǔ)(三極管，場效應(yīng)管，集成電路)。國家試驗(yàn)教學(xué)示范中心杭州電子科技大學(xué)電工電子試驗(yàn)中心NationalExperimentalTeachingDemonstrationCenter

一、二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理1.理想二極管的符號和特性

i正極(陽極)

負(fù)極(陰極)

+

v

伏安特性

符號國家試驗(yàn)教學(xué)示范中心

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正極(陽極)

i

負(fù)極(陰極)

+i

v

i

+

v

-

+

v

-

v0→i=0反向偏置的等效電路

i0→v=0正向偏置的等效電路

“反向截止〞狀態(tài)國家試驗(yàn)教學(xué)示范中心

單向?qū)щ娦?/p>

“正向?qū)è暊顟B(tài)

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例子：求二極管的電流與端電壓

+10V

+10V

+10V

+10V

10mA

1kΩ+0V-

1kΩ

0mA

1kΩ1kΩ+10V-

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應(yīng)用—整流器：將雙極性電壓轉(zhuǎn)為單極性電壓+vDvI+-

iD

D整流電路

R

+vo+vo+vo-

+vDvI+-

iD

D

R

v0vp

vo=vIvo=0

vi≥0+vDvI+-

iD

D

R

0

t

vi≤0國家試驗(yàn)教學(xué)示范中心

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例題3.1

24V12ViD

t

2300

解:分析題意,得:當(dāng)vs超過12V時(shí),二極管導(dǎo)通,則o24sin12V即300150,導(dǎo)通角為120度…①

二極管電流峰值為I24120.12A……②d二極管兩端的最大反向電壓發(fā)生在負(fù)峰值時(shí),即24+12=36V……………③國家試驗(yàn)教學(xué)示范中心杭州電子科技大學(xué)電工電子試驗(yàn)中心NationalExperimentalTeachingDemonstrationCenter

100

應(yīng)用——二極管規(guī)律門:5V-規(guī)律“1〞;0v-規(guī)律“0〞

(a)Y=A+B+C國家試驗(yàn)教學(xué)示范中心

(b)Y=ABC

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例題3.2解:假設(shè)兩個(gè)二極管都是導(dǎo)通的,則

ID2

1001mA………①10

B點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)方程

0(10

)I1,即，I1mA…②5因此D1符合最初的假設(shè),都是導(dǎo)通的,最終的結(jié)果I=1mA,V=0V?！蹏以囼?yàn)教學(xué)示范中心杭州電子科技大學(xué)電工電子試驗(yàn)中心NationalExperimentalTeachingDemonstrationCenter

同理,假設(shè)兩個(gè)二極管是導(dǎo)通的,那么VB0且V0.D2的電流100ID22mA………①5B點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)方程…②顯然這不可能,假設(shè)錯(cuò)了.重新假設(shè)D1截止,D2導(dǎo)通,則ID21.33mA…③節(jié)點(diǎn)B的電壓VB3.3V………④因此D1符合截止的假設(shè),最終結(jié)果I0,V3.3V………⑤國家試驗(yàn)教學(xué)示范中心杭州電子科技大學(xué)電工電子試驗(yàn)中心NationalExperimentalTeachingDemonstrationCenter

I2

0(10),即，I1mA5

另解例題3.2D1

ID2ID2

10kΩ

B5kΩ10V

+V-

10V

含二極管的直流電路分析步驟假定所有二極管開路；判斷每個(gè)二極管上的電壓，正向?qū)?，反向截止；畫出二極管導(dǎo)通或截止的等效電路進(jìn)行分析。

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I+D1vD1-B

ID2-vD2+5kΩ10V

ID2

10kΩ

D1

D2

ID2

10kΩ

B

+V-

5kΩ10V10V

+V-

10V

VD2101020VVD110V

D1、D2都導(dǎo)通

ID2

101mA10國家試驗(yàn)教學(xué)示范中心

10IID21mA5

V0

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2.結(jié)二極管端口特性正向偏置區(qū)域

v0正向壓縮尺度

擊穿區(qū)

反向偏置區(qū)域

擴(kuò)展尺度

vVZK

v0二極管伏安特性

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正向偏置區(qū)iIS(evnVT

v01)kTq

其中，IS:飽和電流，與結(jié)面積和溫度有關(guān)；

VT:熱電壓，室溫時(shí)典型值為25mV,VTk:波爾茲曼常數(shù)，1.38x10-23J/K;T:熱力學(xué)溫度，273+攝氏溫度；Q:電荷量，1.60x10-19C

n:1~2之間的常數(shù)，取決于二極管的材料和物理結(jié)構(gòu)。一般取n=1.國家試驗(yàn)教學(xué)示范中心杭州電子科技大學(xué)電工電子試驗(yàn)中心NationalExperimentalTeachingDemonstrationCenter

正向偏置區(qū)ForiIS(evnVT

v01)I2

i

ifiIS,

iISevnVT

I1V2nVT

ForI1ISewehave

V1nVT

andI2ISe

V1

vV2

開啟電壓導(dǎo)通電壓

I2e(V2V1)/nVTI1

V2V1nVTln

I2I2.3nVTlog2I1I1

c.開啟電壓V=0.5V導(dǎo)通電壓0.6~0.8V假定VD(on)=0.7V導(dǎo)通電壓與溫度有關(guān)：-2mV/C0國家試驗(yàn)教學(xué)示范中心杭州電子科技大學(xué)電工電子試驗(yàn)中心NationalExperimentalTeachingDemonstrationCenter

反向偏置區(qū)：v0ForiIS(evnVT

1)

且

vvZK反向擊穿電壓

whenv0and|v|VT,then

iVZK

iIS

v

IS稱反向飽和電流，其與溫度有關(guān)，每上升10度，反向電流增大一倍。擊穿區(qū)當(dāng)反向電壓超過特定的門限電壓時(shí)就進(jìn)入擊穿區(qū)域，該門限稱為擊穿電壓。國家試驗(yàn)教學(xué)示范中心

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二、二極管電路的分析和應(yīng)用1.電路模型及分析方法

指數(shù)模型分段線性模型常數(shù)壓降模型小信號模型齊納二極管

正向建模

擊穿建模

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目的：求解VD和ID。電路分析的方法：提出一系列電路模型不同模型的適用狀況不同不同模型對應(yīng)的分析方法也不同

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1)指數(shù)模型

iIS(e

vnVT

1)

指數(shù)模型的圖解分析:主要用于正向區(qū)域的求解

IDIseVD/nVTVDDVDIDR國家試驗(yàn)教學(xué)示范中心杭州電子科技大學(xué)電工電子試驗(yàn)中心NationalExperimentalTeachingDemonstrationCenter

2)分段線性模型

分段線性模型描述iD0,vDVD0(vDVD0)iD,vVD0rDD

其中，VD0是直線B在電壓軸上的截距，rD是直線B的斜率倒數(shù)。其等效電路如下圖：

國家