模擬、數(shù)字及電力第一章

模擬、數(shù)字及電力電子技術(shù)模擬電子篇第一章基礎(chǔ)知識第二章直接耦合放大電路及負反饋第三章集成運放的應(yīng)用第一章基礎(chǔ)知識

第一節(jié)線性電路采用的定理歐姆定律；基爾霍夫定律；疊加原理；戴維南定理;諾頓定理；一.歐姆定律注意電壓電流方向的關(guān)聯(lián)性二.節(jié)點電流定律（基爾霍夫定律）三.回路電壓定律（基爾霍夫定律）+—RU注意電壓、電流與回路的方向※電路結(jié)構(gòu)名詞1.支路電路中流過同一電流的每個分支叫做支路

圖中有3條支路

2.結(jié)點（節(jié)點）電路中3條或3條以上支路的連接點叫做結(jié)點圖中有2個結(jié)點:b；e

3.回路電路中任意閉合路徑叫做回路

4.網(wǎng)孔電路內(nèi)部不含有支路的回路叫做網(wǎng)孔KCL通常用于節(jié)點，但是對于包圍幾個節(jié)點的閉合面也是適用的。例：列出下圖中各節(jié)點的KCL方程解：取流入為正以上三式相加：i1＋i2＋i3＝0

節(jié)點ai1－i4－i6＝0節(jié)點bi2＋i4－i5＝0節(jié)點ci3＋i5＋i6＝0

KVL通常用于閉合回路，但也可推廣應(yīng)用到任一不閉合的電路上。例：列出下圖的KVL方程

基爾霍夫定律的應(yīng)用（支路電流法）

例：求圖中各支路電流四.疊加定理在線性電路中，任何一條支路的電流（或電壓），都是各個電源單獨作用時在該支路中所產(chǎn)生的電流（或電壓）的代數(shù)和。這就是疊加定理。說明：當某一獨立源單獨作用時，其他獨立源置零。例：求I解：應(yīng)用疊加定理R12AI

R2＋

＋－4VR1R22A2

2

I＋－R1R2I

4V

又例：用疊加法求

五.戴維寧定理對外電路來說，任何一個線性有源二端網(wǎng)絡(luò)，都可以用一條含源支路即電壓源和電阻串聯(lián)的支路來代替，其電壓源電壓等于線性有源二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓UOC，電阻等于線性有源二端網(wǎng)絡(luò)除源后兩端間的等效電阻Ro。這就是戴維南定理。有源二端網(wǎng)絡(luò)ab

＋－Roab+－

例：用戴維寧定理求

六.諾頓定理

又例：用諾頓定理求

第二節(jié)半導(dǎo)體二極管及整流電路自然界中的物質(zhì)，按其導(dǎo)電能力可分為三大類：

導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。

㈠半導(dǎo)體半導(dǎo)體的特點①熱敏性---溫度升高，導(dǎo)電能力增強（做成熱敏電阻）②光敏性---受到光照，導(dǎo)電能力增強（做成光敏電阻）③雜敏性---摻入雜質(zhì)，導(dǎo)電能力增強（做成二極管、三極管、場效應(yīng)管、晶閘管等）一、半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識㈡本征半導(dǎo)體完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體材料稱為本征半導(dǎo)體。硅和鍺是四價元素，在原子最外層軌道上的四個電子稱為價電子。它們分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。共價鍵中的價電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。1.本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)及共價鍵

2.電子空穴對

共價鍵中的電子不像絕緣體中的價電子被束縛的那樣緊。當溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位為空穴。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)?？梢娨驘峒ぐl(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會達到動態(tài)平衡。

圖01.02本征激發(fā)和復(fù)合的過程D:\MyDocuments\dh0101.AVI

3空穴的移動

自由電子的定向運動形成了電子電流，空穴的定向運動也可形成空穴電流，它們的方向相反。只不過空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現(xiàn)的，因此，空穴的導(dǎo)電能力不如自由電子（動畫1-2）空穴在晶格中的移動㈢摻雜半導(dǎo)體(1)N型半導(dǎo)體(2)P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)后的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。圖1.2-2N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖圖1.2-3P型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖二.半導(dǎo)體二極管

在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過擴散不同的雜質(zhì),分別形成

N

型半導(dǎo)體和

P

型半導(dǎo)體。此時將在N型半導(dǎo)體和

P

型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:

因濃度差

多子的擴散運動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

空間電荷區(qū)形成

內(nèi)電場

內(nèi)電場促使少子漂移

內(nèi)電場阻止多子擴散㈠.PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦?.PN結(jié)的形成最后多子擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。對于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)

,在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。

PN結(jié)的形成過程

（動畫1-3）PN結(jié)的名稱空間電荷區(qū)耗盡層阻擋層勢壘區(qū)(1)PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況

外加的正向電壓有一部分降落在PN

結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響,PN

結(jié)呈現(xiàn)低阻性。

PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況如圖（動畫1-4）PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

(2)PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況

外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，加強了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小。此時PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場的作用下形成的漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流，由于漂移電流本身就很小，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。在一定溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個電流也稱為反向飽和電流。PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況如圖圖01.08PN結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況3.PN結(jié)的電容效應(yīng)

除了單向?qū)щ娦灾猓琍N結(jié)還存在電容效應(yīng)。⑴外加電壓的變化導(dǎo)致空間電荷區(qū)存儲電荷的變化，從而顯示出電容效應(yīng)。幾皮法~幾百皮法。⑵多子的積累引起的。是指PN結(jié)兩側(cè)積累的非平衡載流子數(shù)量隨外加電壓改變所產(chǎn)生的電容效應(yīng)。低頻時，等效電容容抗很大高頻時要考慮電容的影響㈡半導(dǎo)體二極管1二極管的結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體二極管同PN結(jié)一樣具有單向?qū)щ娦?。二極管按半導(dǎo)體材料：可以分為硅二極管、鍺二極管和砷化鎵二極管等。按結(jié)構(gòu)可分為：點接觸型、面接觸型和平面型二極管三類如圖1.2-6所示圖1.2-6不同結(jié)構(gòu)的各類二極管低頻整流高頻及小信號整流結(jié)面積較小的管子適合做開關(guān)管；結(jié)面積較大的管子適合做大功率整流管二極管的符號：由P端引出的電極是正極，由N端引出的電極是負極，箭頭的方向表示正向電流的方向，

VD是二極管的文字符號。二極管的符號2.

二極管的電流方程及伏安特性

外加反向電壓時，U為負值，當|U|比UT大幾倍時，

I≈IS即加反向電壓時，PN結(jié)只流過很小的反向飽和電流。⑴電流方程正向特性：二極管外加正向電壓時，電流和電壓的關(guān)系二極管兩端的電壓U及其流過二極管的電流I之間的關(guān)系曲線，稱為二極管的伏安特性。①死區(qū)電壓（開啟電壓）硅管0.5V；鍺管0.1V②管壓降硅管0.7V；鍺管0.2～0.3V正向?qū)ê?，電流增加，電壓幾乎不變二極管的伏安特性⑵二極管的伏安特性圖1.2-7二極管的伏安特性曲線①二極管加反向電壓時，反向電流很?。↖≈-IS）②而且在相當寬的反向電壓范圍內(nèi)，反向電流幾乎不變，因此，稱此電流值為二極管的反向飽和電流IS。③當反向電壓大到一定程度，反向電流會迅速增加，二極管反向擊穿。

UBR為反向擊穿電壓。反向特性二極管外加反向電壓時，電流和電壓的關(guān)系稱為二極管的反向特性。溫度對二極管伏安特性的影響死區(qū)電壓減小反向飽和電流增加

二極管參數(shù)是反映二極管性能質(zhì)量的指標。必須根據(jù)二極管的參數(shù)來合理選用二極管。二極管的主要參數(shù)有5項。⑴最大整流電流IFM

IFM是指二極管長期工作時允許通過的最大正向平均電流值。工作時，管子通過的電流不應(yīng)超過這個數(shù)值，否則將導(dǎo)致管子過熱而損壞。3.二極管的主要參數(shù)

⑵最高反向工作電壓URM

URM是指二極管不擊穿所允許加的最高反向電壓。超過此值二極管就有被反向擊穿的危險。URM通常為反向擊穿電壓的1/2~2/3，以確保二極管安全工作。⑶最大反向電流IRM

IRM是指二極管在常溫下承受最高反向工作電壓URM時的反向漏電流，一般很小，但其受溫度影響較大。當溫度升高時，IRM顯著增大。⑷工作頻率

其值取決于PN結(jié)的等效電容大小，當實際頻率超過此值時，二極管就不能很好地體現(xiàn)單相導(dǎo)電性

⑸零偏壓電容指二極管端電壓為零時的等效電容。一般幾個pF三.整流濾波電路小功率直流穩(wěn)壓電源的組成功能：把交流電壓變成穩(wěn)定的大小合適的直流電壓u4uou3u2u1交流電源負載變壓整流濾波穩(wěn)壓uDO㈠單相半波整流電路2.工作原理

u

正半周，Va>Vb，二極管D導(dǎo)通；3.工作波形

u負半周，Va<Vb，二極管D截止。1.電路結(jié)構(gòu)–++–aTrDuLu2bRLiou

tOuLOiDO4.參數(shù)計算(1)輸出電壓平均值UL(2)整流電流平均值IL(3)流過每管電流平均值ID(4)每管承受的最高反向電壓UDRM5.整流二極管的選擇

平均電流ID與最高反向電壓UDRM是選擇整流二極管的主要依據(jù)。選管時應(yīng)滿足：

IOM

ID，URWM

UDRM

例1.2-1已知：負載電阻變壓器二次電壓有效值試求：⑴負載上電壓和電流的平均值⑵二極管承受的最大反向電壓和通過的平均電流解：㈡單相橋式整流電路

u2

正半周，Va>Vb，二極管D1、D3

導(dǎo)通，D2、D4

截止。工作波形1.電路結(jié)構(gòu)工作原理

－uLuDttRLu2iouL1234ab+–+–

－u2

u2

負半周，Va<Vb，二極管D2、D4

導(dǎo)通，D1、D3

截止。uD2uD4uD1uD3二極管承受反向電壓

u2

正半周，Va>Vb，二極管D1、D3

導(dǎo)通，D2、D4

截止。

－iDiLttRLu2iouL1234ab+–+–

－u2

u2

負半周，Va<Vb，二極管D2、D4

導(dǎo)通，D1、D3

截止。iD2iD4iD1iD32.參數(shù)計算(1)輸出電壓平均值UL(2)整流電流平均值IL(3)流過每管電流平均值ID(4)每管承受的最高反向電壓UDRM3.整流二極管的選擇

平均電流ID與最高反向電壓UDRM是選擇整流二極管的主要依據(jù)。選管時應(yīng)滿足：

IFM

1.1ID，URWM1.1UDRM

例1.2-2已知：負載電阻變壓器二次電壓有效值試求：⑴負載上電壓和電流的平均值⑵二極管承受的最大反向電壓和通過的平均電流解：㈢濾波電路

交流電壓經(jīng)整流電路整流后輸出的是脈動直流，其中既有直流成份又有交流成份。

濾波原理：濾波電路利用儲能元件電容兩端的電壓(或通過電感中的電流)不能突變的特性,濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，達到平滑輸出電壓波形的目的。方法：將電容與負載RL并聯(lián)(或?qū)㈦姼信c負載RL串聯(lián))。1.電容濾波電路

⑴電路結(jié)構(gòu)⑵工作原理

u2

>uC時，二極管導(dǎo)通，電源在給負載RL供電的同時也給電容充電，uC

增加，uL=uC

。

u2<uC時，二極管截止，電容通過負載RL

放電，uC按指數(shù)規(guī)律下降，uL=uC

。⑶工作波形二極管承受的最高反向電壓為。uotOtO

u2RLuL++––~+Cu2⑷電容濾波電路的特點(T—電源電壓的周期)①輸出電壓的脈動程度與平均值UL與放電時間常數(shù)RLC有關(guān)若C一定，則負載變化影響輸出電壓

RLC

越大

電容器放電越慢

輸出電壓的平均值UL越大，波形越平滑。近似估算?。?/p>

UL

=1.2U2(

橋式、全波）

UL

=1.0U2（半波）電容的耐壓值應(yīng)大于為了得到比較平直的輸出電壓②電容的選擇及輸出電壓平均值③二極管的導(dǎo)通角在半波整流及橋式整流中，每只二極管均有半個周期處于導(dǎo)通狀態(tài)，也稱二極管的導(dǎo)通角θ等于π。加電容濾波后只有當大于時，二極管才導(dǎo)通，因此每只二極管的導(dǎo)通角都小于π。值越大，濾波效果越好，導(dǎo)通θ越小。由于電容濾波后，輸出電流平均值增大，而二極管的導(dǎo)通角卻在減小，因此整流管在導(dǎo)通時間內(nèi)將流過一個很大的沖擊電流，影響管子的使用壽命，所以必須選擇較大容量的整流二極管。2.電感濾波電路⑴電路結(jié)構(gòu)L

u2RLuL++––~⑵濾波原理

對直流分量:XL=0，L相當于短路,電壓大部分降在RL上。對諧波分量:f越高,XL越大,電壓大部分降在L上。因此,在負載上得到比較平滑的直流電壓。當流過電感的電流發(fā)生變化時，線圈中產(chǎn)生自感電勢阻礙電流的變化,使負載電流和電壓的脈動減小。

L濾波適合于電流較大、要求輸出電壓脈動較小的場合，用于高頻時更為合適。iLuD整流電路輸出電壓直流分量交流分量電感濾波電路輸出電壓直流分量交流分量負載電阻越小，負載電流越大，濾波效果越好ωL＞＞RL，濾波效果好二極管的導(dǎo)通角θ約等于π，二極管的沖擊電流減小，可延長二極管的使用壽命。3.復(fù)式濾波電路⑴電路結(jié)構(gòu)Lu2RLuL++––~+C⑵濾波原理當單用電容或電感進行濾波效果不好時，可采用復(fù)式濾波若二極管的導(dǎo)通角為π直流分量交流分量越小，濾波效果越好圖1.2-15LC濾波電路例1.2-3第三節(jié)穩(wěn)壓二極管極其穩(wěn)壓電路一.穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管是面接觸型的亦稱齊納二極管(ZenerDiodes)，與一般二極管不同之處是它正常工作在PN結(jié)的反向擊穿區(qū)。因其具有穩(wěn)定電壓作用，故稱為穩(wěn)壓管（VoltageRegulators）。

1.穩(wěn)壓管的符號和特性曲線圖1.3-1穩(wěn)壓二極管的伏安特性和符號陽極陰極2.穩(wěn)壓管的主要參數(shù)⑴穩(wěn)定電壓值UZ: