第1章電子線路基礎(chǔ)-wangying2013

1電子電路基礎(chǔ)主講教師：王瑩Wangying@北京郵電大學(xué)電子電路基礎(chǔ)教學(xué)網(wǎng)：

2課程介紹1.課程的性質(zhì)

是通信類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。2.課程特點

非純理論性課程，實踐性很強，以工程實踐的觀點來處理電路中的一些問題（使用模型、近似）。3.學(xué)習(xí)內(nèi)容

半導(dǎo)體器件、基本單元電路（雙極型、FET)、反饋、運放、電流模、波形發(fā)生等。4.教學(xué)目標

能夠?qū)σ话阈缘摹⒊Ｓ玫碾娮与娐?、集成電路進行分析和設(shè)計。注重更多地與實踐接軌，在掌握經(jīng)典的技術(shù)和方法的基礎(chǔ)上，應(yīng)用新技術(shù)、新方法來解決工程中的技術(shù)難題。3課程介紹5.學(xué)習(xí)方法重點掌握基本概念、基本電子電路的分析方法、設(shè)計方法6.成績組成(TBD)

平時作業(yè)15%；EDA實踐5%

；期中考試：20％；

期末考試：60%7.教材劉寶玲主編，電子電路基礎(chǔ)，高教出版社，8.參考書童詩白主編，《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》第三版，高教出版社謝嘉奎主編，《電子線路基礎(chǔ)》（線性部分），高教出版社康華光主編，《電子線路基礎(chǔ)》（模擬部分），高教出版社9.答疑時間：待定；地點：待定；電子電路基礎(chǔ)教學(xué)網(wǎng)：

41904年，世界上第一只電子管（真空二極管）在英國物理學(xué)家弗萊明的手下誕生。弗萊明獲得了這項發(fā)明的專利權(quán)。人類第一只電子管的誕生，標志著世界從此進入了電子時代。第一只電子管的誕生，標志著世界進入電子時代。JohnAmbroseFleming第一只電子管誕生：弗萊明時至今日，電子管仍在發(fā)揮作用。如，電視機的顯像管，家用微波爐，廣播、電視、通信發(fā)射機里的大功率發(fā)射電子管。5電子管之父----李?德福雷斯特LeedeForest真空三極管除了可以處于放大狀態(tài)外，還可充當開關(guān)器件。電子管的這一特性被計算機研制者所利用，計算機的歷史也由機械時代而跨進了電子時代。電子管的發(fā)明者就是李?德福雷斯特（LeedeForest，1873～1961）。

1907年，德福雷斯特向美國專利局申報了真空三極管的發(fā)明專利。德福雷斯特是一位多產(chǎn)的發(fā)明家，一生獲得了多達300余項專利。他的發(fā)明為他贏得“無線電之父”、“電視始祖”和“電子管之父”的稱號。6美國物理學(xué)家肖克利在1939年提出“利用半導(dǎo)體而不用真空管的放大器在原則上可行的”，布拉頓和巴丁在1947年12月23日的實驗中，他們終于取得了意義重大的成功。1948年6月30日，美國貝爾電話研究所正式宣布：世界上第一只晶體管研制成功。此后，許多科研人員又對晶體管的改進和半導(dǎo)體的研究做了大量工作，繼而開發(fā)出許多品種的新型晶體管，如合金晶體管（1951年）、漂移晶體管（1955年）、臺面晶體管（1956年），平面晶體管（1959年）、外延晶體管（1960年）、金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管（1962年）、功率晶體管（1962年）等。晶體管之父——威廉?肖克利WilliamB.Shockley72000年的10月10日，JackS.Kilby獲得諾貝爾物理學(xué)獎。這個獎距離他的發(fā)明已經(jīng)四十二年，但長時間正足以讓深遠影響充分顯現(xiàn)。1958年9月12日，美國德州儀器（TI公司）工程師基爾比發(fā)明第一顆積體電路IC。這個裝置揭開二十世紀資訊革命的序幕，同時宣告矽器時代來臨。1959年2月向美國專利局申報專利，將由元件組合的微型固體被叫做“半導(dǎo)體集成電路”，是一種用于無線電設(shè)備的“振蕩器”。集成電路：諾貝爾物理獎得主杰克·基爾比JackS.Kilby同時在硅谷的美國仙童公司也基本完成集成電路的發(fā)明。1959年7月30日，仙童公司的諾易斯也向美國專利局申請了發(fā)明專利。8戈登?摩爾--摩爾定律之父GordonE.Moore「摩爾定律」－積體電路上的電晶體數(shù)量，每十八個月擴充一倍，持續(xù)叁十五年，至今力道不竭。信息產(chǎn)業(yè)幾乎嚴格按照這個定律以指數(shù)方式領(lǐng)導(dǎo)著整個經(jīng)濟發(fā)展的步伐，這個定律的發(fā)現(xiàn)者不是別人，正是世界頭號CPU生產(chǎn)商Intel公司的創(chuàng)始人之一的戈登?摩爾（GordonMoore）。50年代中期摩爾和集成電路的發(fā)明者羅伯特?諾伊斯（RobertNoyce）一起，在威廉?肖克利半導(dǎo)體公司工作。后來，諾伊斯和摩爾等8人集體辭職創(chuàng)辦了半導(dǎo)體工業(yè)史上有名的仙童半導(dǎo)體公司（FairchildSemiconductor）。仙童成為現(xiàn)在的Intel和AMD之父。9半導(dǎo)體二極管圖片10半導(dǎo)體二極管圖片11第一章半導(dǎo)體基礎(chǔ)及二極管電路1.1半導(dǎo)體的基本特性1.2半導(dǎo)體二極管的工作原理及特性

1.3半導(dǎo)體二極管電路

1.4計算機仿真例題

121.1半導(dǎo)體的基本特性半導(dǎo)體材料：

根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。半導(dǎo)體器件：用半導(dǎo)體材料制成的器件二極管、雙極型三極管、場效應(yīng)管、光電器件、集成電路等13現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅（外層14個電子）和鍺（外層32個電子），它們的最外層電子（價電子）都是四個。Si硅原子Ge鍺原子1.1.1本征半導(dǎo)體通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體。完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體，稱為本征半導(dǎo)體。14硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子共價鍵共用電子對一、共價鍵在硅和鍺晶體中，每個原子與其相鄰的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。15

形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。+4+4+4+4共價鍵有很強的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，低溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。16

本征激發(fā)（熱激發(fā)）——在熱和光作用下價電子獲得了足夠的能量，掙脫共價鍵的束縛，激發(fā)成為自由電子電子空穴對——由熱激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子和空穴對自由電子——由熱激發(fā)從共價鍵中逃逸的價電子空穴——共價鍵中的空位?？昭ǖ囊苿印昭ǖ倪\動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現(xiàn)的。二、本征激發(fā)產(chǎn)生兩種載流子17

兩種載流子：自由電子和空穴載流子濃度：單位體積載流子數(shù)電子濃度：ni空穴濃度：pi本征半導(dǎo)體中：ni=pi復(fù)合——自由電子和空穴在運動中可能釋放能量，重新結(jié)合而同時消失動態(tài)平衡——在一定溫度下，電子-空穴對的熱激發(fā)和復(fù)合達到動態(tài)平衡18兩種載流子參與導(dǎo)電半導(dǎo)體是雙極性導(dǎo)電機構(gòu)，而且其電阻率的溫度系數(shù)是負的，這就是半導(dǎo)體導(dǎo)電與金屬導(dǎo)電的根本不同點。本征載流子濃度與溫度的關(guān)系曲線由于硅的原子核外有3層電子，鍺的原子核外有4層電子，因此硅中價電子掙脫共價鍵的束縛所需要的能量比鍺大得多，所以在相同的溫度時，鍺晶體中有更多的價電子能激發(fā)為自由電子。因此鍺的本征載流子的濃度比硅大。思考：為什么鍺的本征載流子的濃度比硅大？19本征半導(dǎo)體中載流子的濃度，除與半導(dǎo)體材料本身的性質(zhì)有關(guān)以外，還與溫度密切相關(guān)，而且隨著溫度的升高，基本上按照指數(shù)規(guī)律增加，因此本征半導(dǎo)體載流子的濃度對溫度十分敏感。半導(dǎo)體中載流子的數(shù)量強烈地依賴于環(huán)境溫度，這是半導(dǎo)體器件工作時熱不穩(wěn)定性的根本原因。常溫下，由熱激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴數(shù)量與原子密度相比是很少的，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很差。20

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)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。載流子：電子，空穴1.1.2摻雜產(chǎn)生兩種半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體——摻入五價雜質(zhì)元素（如磷）的半導(dǎo)體。主要載流子為電子（多數(shù)載流子）P型半導(dǎo)體——摻入三價雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體。主要載流子為空穴（多數(shù)載流子）21

一、N型半導(dǎo)體摻雜濃度ND>>ni雜質(zhì)電離產(chǎn)生——自由電子，不能移動的正離子室溫下，雜質(zhì)幾乎全部電離載流子來源雜質(zhì)電離產(chǎn)生的自由電子熱激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。22N型半導(dǎo)體SiPSiSi硅原子磷原子多余電子+N型硅表示23

二、P型半導(dǎo)體摻雜濃度NA雜質(zhì)電離產(chǎn)生——空穴，不能移動的負離子載流子來源雜質(zhì)電離產(chǎn)生空穴熱激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成?？昭ê苋菀追@電子，使雜質(zhì)原子成為負離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。24P型半導(dǎo)體SiSiSiB硅原子空穴硼原子空穴被認為帶一個單位的正電荷，并且可以移動P型硅表示25雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法

－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體26雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響摻入雜質(zhì)對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n0

=p0

=ni=1.5×1010/cm3摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:n0=5×1016/cm3本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3以上三個濃度基本上依次相差106/cm327非常重要的公式當半導(dǎo)體處于平衡狀態(tài)時(1.1.1)其中：即無論摻雜程度如何，在一定溫度的平衡狀態(tài)下，平衡載流子濃度的乘積保持一定，它等于該溫度下本征載流子濃度ni的平方?？蠢}[1.1.1](自學(xué))多子濃度取決于摻雜濃度少子濃度取決于溫度28載流子的擴散運動載流子的漂移運動載流子的擴散運動及擴散電流 擴散：載流子（電子或空穴）濃度有差異時，濃度高處的載流子向濃度低處的運動載流子的漂移運動及漂移電流 漂移：載流子（電子或空穴）在電場（可以是外加或內(nèi)建）的作用下沿電場方向的運動1.1.3半導(dǎo)體中載流子兩種運動產(chǎn)生的兩種電流291.2半導(dǎo)體二極管的工作原理及特性

1.2.1PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。30

P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E漂移運動空間電荷區(qū)一、PN結(jié)的形成——動態(tài)平衡下的PN結(jié)

31

擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬。漂移運動P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場EPN結(jié)處載流子的運動內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。32

漂移運動P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場EPN結(jié)處載流子的運動最終擴散和漂移這一對相反的運動達到動平衡，相當于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。33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)的形成主要原因：濃度差

多子的擴散運動

形成空間電荷區(qū)

形成內(nèi)電場

多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。促使少子漂移；阻止多子擴散；接觸電位差（電位壁壘或勢壘）室溫下（T=300K）Ge：0.2~0.3V

Si：0.6~0.7V

勢壘寬度與摻雜濃度成反比34二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦援斖饧与妷菏筆N結(jié)的P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。351、加正向偏置電壓時的特性

PN結(jié)加正向電壓時外加電壓與勢壘電壓方向相反，合成電場減小，空間電荷區(qū)變窄，擴散運動加強，形成大的正向擴散電流擴散電流隨著外加電壓的增大而急速上升。正偏時PN結(jié)表現(xiàn)為一個阻值很小的電阻。PN結(jié)的伏安特性362、外加反向偏壓時的特性當外加電壓使PN結(jié)中N區(qū)的電位高于P區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏。外加電壓與內(nèi)建電場的方向一致，合成電場增大，空間電荷區(qū)加寬阻礙擴散運動，擴散電流趨近于零少子的漂移電流為支配電流本征激發(fā)產(chǎn)生，與溫度有關(guān)，幾乎與所加反向電壓的大小無關(guān)，T一定，少子濃度一定電流值趨于恒定，稱為反向飽和電流。

PN結(jié)加反向電壓時呈現(xiàn)高電阻很小的反向漂移電流

37

PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?8上節(jié)內(nèi)容回顧兩種載流子

本征半導(dǎo)體導(dǎo)電率很低，不易控制

自由電子和空穴兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體

導(dǎo)電性能主要由多子決定

N型半導(dǎo)體：多子：自由電子；少子：空穴P型半導(dǎo)體：多子：空穴；少子：自由電子兩種運動導(dǎo)致兩種電流擴散運動擴散電流（載流子濃度不均勻）漂移運動漂移電流（電場作用）PN結(jié)的基本特性——單向?qū)щ娞匦哉撼尸F(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；反偏：呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。39

1.2.2二極管的結(jié)構(gòu)與類型在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管(Diode)。二極管按結(jié)構(gòu)分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。(1)點接觸型二極管PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(a)點接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖40

(2)面接觸型二極管PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。(3)平面型二極管往往用于集成電路制造藝中，PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。(4)二極管的符號(b)面接觸型(c)平面型411.2.3二極管的伏安特性

PN結(jié)理想伏安特性方程

IS——反向飽和電流VT——溫度電壓當量且在常溫下（T=300K,VT=26mV）正向偏置時，導(dǎo)通狀態(tài)，vD>>VT

反向偏置時，截止狀態(tài)，∣vD∣>>VT

42二極管的伏安特性正向工作區(qū)閾值電壓（或死區(qū)電壓）Vth硅管的Vth

≈0.6～0.7V鍺管的Vth

≈0.2～0.3V當外加電壓Vd<Vth時，PN結(jié)截止當外加電壓Vd>Vth時，PN結(jié)導(dǎo)通.反向工作區(qū)反向擊穿區(qū)——當反向電壓增大到V(BR)時，反向電流突然急劇加大，二極管失去單向?qū)щ娦?/p>

43二極管的反向擊穿特性當PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。在擊穿區(qū)，反向電流變化很大、但兩端的壓降卻幾乎不變，

利用這種特性制成穩(wěn)壓二極管，獲得所需的恒定電壓。

熱擊穿——不可逆電擊穿——可逆電擊穿分為：雪崩擊穿、齊納擊穿44電擊穿一般為可逆擊穿，可恢復(fù)雪崩擊穿少子在強電場的作用下加速，撞擊價電子形成電子空穴對的連鎖過程－－雪崩擊穿摻雜低，空荷區(qū)大，VBR一般大于6V齊納擊穿在強電場的作用下，將空荷區(qū)的價電子拉出，即使空荷區(qū)的原子直接激發(fā)的現(xiàn)象－－齊納擊穿摻雜高，空荷區(qū)窄，VBR一般小于6V熱擊穿：不可逆PN結(jié)溫度升高→引起本征激發(fā)→電流加大→溫度升高→激發(fā)加劇→電流加大……二極管的反向擊穿特性45二極管的溫度特性反向：每增加10°C反向電流增加一倍熱激發(fā)加強

少子濃度增加

少子漂移運動構(gòu)成的反向飽和電流增大正向：每升高1°C，正向壓降減小2mV-2.5mV46三、二極管的電容效應(yīng)無論正偏、反偏，PN結(jié)兩端都有電荷積累，電荷會隨外加電壓變化－－電容效應(yīng)勢壘電容示意圖1勢壘電容CT反偏時空荷區(qū)擴大，等效平板電容的距離增加，正偏時空荷區(qū)變小，等效平板電容的距離減小47勢壘電容CT與一般的線性電容不同。當外加電壓改變時，空間電荷區(qū)的寬度會發(fā)生改變，因此勢壘電容也會跟著變化，所以勢壘電容是非線性電容。PN結(jié)處于截止狀態(tài)，利用vD控制CT的變化，可以制成變?nèi)荻O管。48

2、擴散電容CD多子擴散導(dǎo)致在PN結(jié)兩端的堆積，CD隨擴散電流的增大而增大。CD的值隨外加電壓的改變而改變，因此也是非線性電容。擴散電容示意圖49三、二極管的電容效應(yīng)CJ＝CT+CD（并聯(lián)）反偏時CT(勢壘電容)為主正偏時CD(擴散電容)為主501.2.5二極管的主要參數(shù)最大整流電流IF：指二極管長期工作時允許通過的最大正向平均電流。使用時若超過此值，可能會燒壞二極管。最高反向工作電壓VR：指二極管工作時允許外加的最大反向電壓，通常規(guī)定為反向擊穿電壓的一半。反向電流IR：指二極管未擊穿時的反向電流。IR越小，表明二極管的單向?qū)щ娦院蜏囟确€(wěn)定性越好。最高工作頻率fM：指二極管工作的上限頻率。使用中如果工作頻率超過此值，結(jié)電容的影響不能忽略，二極管的單向?qū)щ娞匦宰儾睢?11.2.6特殊二極管

IZmaxViVZIZ穩(wěn)壓二極管特性曲線IZmin當穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)下,當工作電流IZ在Izmax和

Izmin之間時,其兩端電壓近似為常數(shù)正向同二極管穩(wěn)定電流穩(wěn)定電壓52正常穩(wěn)壓時VO=VZ#

穩(wěn)壓條件是什么？IZmin≤IZ≤IZmax#不加R可以嗎？穩(wěn)壓電路動態(tài)電阻53變?nèi)荻O管圖1.2.10變?nèi)荻O管的符號與電容電壓特性二極管結(jié)電容的大小除了與本身結(jié)構(gòu)和制作工藝有關(guān)以外，還受外加電壓控制，它的值隨反向電壓的增高而減小，利用這種效應(yīng)制成的二極管稱為變?nèi)荻O管。變?nèi)荻O管在高頻電路中應(yīng)用較多，例如壓控振蕩器中的壓控電容。54肖特基二極管肖特基二極管的電路符號肖特基二極管是靠多數(shù)載流子（電子）導(dǎo)電，不存在普通二極管的少子儲存現(xiàn)象，因此工作速度快，適用于高頻高速電路；勢壘區(qū)較薄，正向?qū)妷狠^低，約為0.4V左右，但反向擊穿電壓也比較低；體電阻也比普通二極管小。55四、光電子器件發(fā)光二極管光敏二極管光電耦合器半導(dǎo)體在光照作用下會產(chǎn)生光電效應(yīng)，即改變電導(dǎo)率和產(chǎn)生電動勢；某些半導(dǎo)體材料（如砷化鎵）在自由電子和空穴復(fù)合時，會釋放能量產(chǎn)生光的輻射，并且不同半導(dǎo)體材料會輻射不同顏色的光，利用這種光電轉(zhuǎn)換性質(zhì)可以制成光電子器件。56激光二極管圖1.2.15半導(dǎo)體激光二極管(a)物理結(jié)構(gòu)(b)電路符號激光二極管發(fā)射的主要是紅外線，不是可見光，這與所用的半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)有關(guān)。與發(fā)光二極管相比，它的優(yōu)點是效率高，并且產(chǎn)生的是準直單色光束。激光二極管在小功率光電設(shè)備中應(yīng)用很廣泛，如計算機上的光盤驅(qū)動器、激光打印機中的打印頭等。571.3半導(dǎo)體二極管電路1.3.1

二極管的等效電阻1.3.2

二極管的模型1.3.3

二極管模擬電路581.3.1二極管的靜態(tài)和動態(tài)電阻二、動態(tài)電阻——只能估算，不能測量！在Q點的變化電壓ΔVD與變化電流ΔiD之比一、靜態(tài)電阻——直流電阻，可用萬用表測量靜態(tài)工作電壓VQ與電流IQ之比59

靜態(tài)電阻RD

，動態(tài)電阻rD靜態(tài)電阻：RD=VD/ID|Q

（非線性）動態(tài)電阻：

rD=ΔVD

/ΔiD

│Q≈VT/IQ(300K時)在工作點Q附近，動態(tài)電阻近似為線性，故動態(tài)電阻又稱為微變等效電阻601.3.2二極管的模型數(shù)學(xué)模型：用數(shù)學(xué)表達式來表征器件特性的模型網(wǎng)絡(luò)模型：用基本電路元件（如電阻、電容、電感）以及獨立電源和受控源構(gòu)成的模型611.3.2二極管的模型1.理想模型特點：突出二極管的單向?qū)щ娦?。正偏?dǎo)通：電阻為零，短路；管壓降為0V；開關(guān)閉合；反偏截止：電阻無窮大，電流為零，開路。開關(guān)斷開。即當I≥0時，VD=0；

V≤0時，ID=0。應(yīng)用：大信號工作條件下且精度要求不高全模型（大信號模型）能覆蓋整個V~I平面，用來近似表示二極管在安全工作范圍內(nèi)電壓與電流之間的關(guān)系。621.3.2二極管的模型2.恒壓降模型如果電源電壓較?。ɡ?V），需要考慮二極管的壓降VD，且由于曲線較陡，動態(tài)電阻rd較小可以忽略，常用二段折線來近似二極管的伏安特性。正向?qū)〞r，二極管壓降為一個常量Vth，截止時反向電流為零。應(yīng)用：在集成電路的大信號分析中經(jīng)常使用。一般情況下多采用恒壓降模型。631.3.2二極管的模型3.分段線性模型如果為了提高電路的分析精度，考慮到導(dǎo)通狀態(tài)時的電阻rD，忽略反向電流，則二極管的大信號分段線性伏安特性如圖所示。其中，動態(tài)電阻rD包括PN結(jié)體電阻rS與理想PN結(jié)動態(tài)電阻rd，即rD=rS+rd。由于制作二極管導(dǎo)致的特性分散性，Vth和rD的值不是固定不變的。64【例1.3.1】電路如圖1.3.5所示，設(shè)二極管導(dǎo)通壓降Vth≈0.7V。采用恒壓降模型，試估算開關(guān)閉合前后的輸出電壓VO=？解：當開關(guān)斷開時，二極管兩端加正向電壓導(dǎo)通，

VO=V1-Vth=4-0.7=3.3(V)當開關(guān)閉合時，二極管兩端加反向電壓截止，因此

VO=V2=8V65【例1.3.2】電路如圖1.3.6所示，輸入電壓vi=6sinωt(V)，設(shè)二極管D為硅管，請分別使用理想化模型和恒壓降模型（Vth=0.7V），求輸出電壓vo的波形。解：（1）使用理想化等效電路模型當vi<0V時，二極管截止，vo=vi；當vi≥0V時，二極管導(dǎo)通，vo=0V。輸出電壓vo的波形如圖1.3.7(b)所示。（2）使用恒壓降等效電路模型當vi<0.7V時，二極管截止，vo=vi；當vi≥0.7V時，二極管導(dǎo)通，vo=0.7V。輸出電壓vo的波形如圖1.3.7(c)所示。66交流小信號模型（通常用于正向偏置）如果加在二極管上的電壓vD是在靜態(tài)電壓VDQ基礎(chǔ)上疊加一個微小的變化量vD，二極管的電壓電流變化范圍很小，可將二極管用電阻rd來等效。如果考慮結(jié)電容后，二極管的高頻小信號模型如圖1.3.8(b)所示。工作頻率越高，結(jié)電容的旁路現(xiàn)象越嚴重。67Attention交流小信號模型是為電路的交流分析而建立的，表示疊加在直流工作點之上的信號電壓vd與信號電流id之間的關(guān)系，因此模型中只有交流量，沒有直流量。在進行交流小信號分析之前，需要首先確定靜態(tài)工作點Q，然后才能確定模型中的動態(tài)電阻rd值。模型的應(yīng)用條件是小信號（或者微小增量信號），即一般在輸入信號幅度小于10mV時，才可以應(yīng)用；并且，它只能用于計算增量信號值，不能用于計算直流值和總瞬時值（或稱全值）。68Attention綜上，實際中常采用模型法分析二極管應(yīng)用電路，首先根據(jù)具體情況選擇合適的模型；將非線性電路

線性電路，然后采用線性電路的分析方法進行分析計算，就可以得到需要的結(jié)果。對于直流電路和大信號工作電路通常采用理想模型或者恒壓降模型進行分析；對于既有直流電源又有小信號源的電路，首先利用恒壓降模型進行靜態(tài)分析，估算電路的Q點；然后根據(jù)Q點計算出交流電阻；再用小信號模型法進行動態(tài)分析，求出小信號作用下的交流電壓、電流；最后，將交流量與靜態(tài)值相疊加，得到完整的結(jié)果。69【例1.3.3】在圖1.3.9(a)所示的電路中，已知VDD=5V，R=4.3KΩ，二極管的導(dǎo)通電壓Vth=0.7V，信號電壓vs=0.6sinωt(V)。求輸出電壓vO（包括直流量和交流量）的值并且畫出其波形。解：利用疊加原理，將直流電壓源和交流電壓源的作用分開考慮。(1)

令vs=0，利用恒壓降模型進行直流分析，求出Q點。(2)

畫出電路的交流小信號模型，計算交流電阻

vO(t)=VO+vo=4.3+0.596sinωt(V)(3)根據(jù)上述計算結(jié)果，畫出輸出電壓vO的波形圖。701.3.3二極管模擬電路一、整流電路：利用電子器件的單向?qū)щ娦詫⒔涣麟娮優(yōu)橹绷麟姷倪^程稱為整流。圖1.3.10半波整流電路及其工作波形在純電阻負載的情況下，設(shè)vs（t）=Vsmsinωt。采用理想化模型，當vi(t)>0，二極管導(dǎo)通，當vi（t）<0時，二極管截止，vo(t)=0。只有半周期有輸出的正弦波電壓稱為半波整流正弦波電壓；產(chǎn)生這種電壓的電路稱為半波整流電路。71圖1.3.11全波整流電路圖中T是一個次級線圈中心接地、初次級匝比為1:1的理想變量器。當vs(t)>0時，D1導(dǎo)通、D2截止，vo=vs，電流如圖中實線方向所示；當vs(t)≤0時，D1截止、D2導(dǎo)通，vo=-vs，RL中的電流如圖中虛線所示。全波整流使電源電壓的正負半周均得到響應(yīng)，它在相同輸入電壓情況下的輸出直流電壓是半波整流電路的二倍。因此全波整流電路是大多數(shù)直流電源采用的整流電路方式。72二、限幅電路：按照規(guī)定的范圍，將輸入信號波形的一部分傳送到輸出端、而將其余部分消去的過程稱為限幅。圖1.3.12串聯(lián)型和并聯(lián)型限幅電路圖1.3.13限幅電路的輸出波形R：限流電阻，D：起開關(guān)作用，V：決定限幅電平。上限幅電路當vs-V<0時，D導(dǎo)通，vo=vs；當vs-V≥0時，D截止，vo=V。73圖1.3.14雙向限幅電路當vs>V1時，D1導(dǎo)通、D2截止，vo=V1；當vs<-V2時，D1截止、D2導(dǎo)通，vo=-V2；當-V2≤vs≤V1時，D1、D2均截止，vo=vs

。74三、穩(wěn)壓電路：利用穩(wěn)壓二極管的恒壓特性（反向擊穿特性）可以構(gòu)成最簡單的直流穩(wěn)壓電路。當VS>VZ時，DZ被擊穿工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，VS增大

IZ增加

R上的壓降增大

VO基本不變；如果VS不變，當負載RL變化時，如IL增大

IZ減小

R上壓降幾乎不變

VO保持穩(wěn)定。也就是說，當輸入電壓VS或者負載電阻RL在一定范圍內(nèi)變化時，VO=VZ幾乎不變，穩(wěn)壓管DZ等效于一個直流電壓源VZ。R為限流電阻，當VS或RL變化時，電路能自動地調(diào)整IZ的大小，以改變R上的壓降IRR，達到維持輸出電壓VO基本恒定的目的。75【例1.3.4】在圖1.3.15所示穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中，已知電源電壓VS=10