1、,模拟电子技术基础,( Electronics),西北工业大学电子信息学院,齐敏,1 绪论,(Introduction),1.1 课程介绍 1.2 电子电路及其信号 1.3 模拟电路研究内容 1.4 本课程的特点 1.5 课程要求 1.6 本课程的内容框架 1.7 怎样学好这门课,1.1.1 大学课程分类：三大平台 a) 基础课体现了学历教育和大学教育的基础性大学必修课特点：课时多，教学内容基本稳定。,1.1 课程介绍,b) 专业（技术）基础课反映了学科和专业方向的基础性学科必修课，是学院的平台课特点：课时较多；承前启后；内容相对稳定，但有发展。,c) 专业课反映了专业的应用性是专业方向必修课
2、和选修课特点：分模块，课时少，内容变化快。,1.1.2 本课程的地位 是工科重要的专业（技术）基础课是电子线路课程体系的第一门课，是电子信息类专业的主干课程 是强调硬件应用能力的工程类课程 是工程师训练的基本入门课程 是很多重点大学的考研课程, 现代社会赖以生存三大要素：材料（物质）、能源（能量）、信息 信息技术(Information Technology，IT)时代是以电子和微电子技术的充分发展为基础的。 电子技术在国防、科学、工业、医学、通信及文生活等各个领域中起到巨大的作用。,1.2 电子电路及其信号,1.2.1 电子技术的应用目标是处理信号信号的产生、传输和处理。电子线路是信号的载体
3、，信号是信息的载体。,1.2.2 电子技术研究对象是硬件电子器件 ( Electronic device)电子电路（线路） (Electronic circuit) 电子系统 (Electronic system),电阻（Resistance， R） 电容（Capacitance， C） 电感（Inductance， L ） 变压器（Transformer，Tr）,1.2.3 电子元器件,二极管 (Diode，D) 三极管 (Transistor，T) 集成电路（Integrated Circuit, IC） ,电 阻,精密型金属膜电阻器,金属氧化膜电阻器,大功率电阻器,贴片电阻器,压敏电阻器
4、,热敏电阻器,贴片电容,陶瓷电容器,电解电容,电 容,涤纶电容,云母电容、钽(tn)电解电容（ “但”电容 ）等。,贴片电感,色码电感,传输线圈,电感线圈,电 感,二极管,发光二极管,三极管,集成电路芯片,集成电路插座,集成电路, 模拟电路：产生和处理模拟信号的电子电路。 数字电路：产生和处理数字信号的电子电路。,a) 信号：指变化的电压或电流电信号。两类：模拟信号和数字信号。,1.2.4 电子电路分类,按信号的 连续性分类,模拟电路( Analog circuit),数字电路( Digital circuit ),b) 模拟信号：信号的振幅随时间呈连续变化。如语音（音频）信号、图像（视频）信
5、号、模拟温度、压力的物理量检测信号等。,采样数据信号：时间离散，数值（幅度）连续,模拟信号：时间和数值（幅度）都连续,c) 数字信号：时间和幅值都是离散。如开关信号、脉冲信号、计算机编码信号等 。,d) 模拟电路分类根据信号频率分为：低频电路(Low Frequency Circuit) 高频电路(High Frequency Circuit) 微波电路(Microwave Circuit),根据器件模型分为：非线性电路(Nonlinear Circuit)线性电路(Linear Circuit),1.2.5 电子系统通常指由若干相互连接、相互作用的基本电路 组成的具有特定功能的电路整体。一般
6、要求：规模比较大、功能比较完整、有控 制部分。,一般电子系统组成框图,1.3 模拟电路研究内容,1、电子器件：器件的工作原理、特点、电特性、电模型 。,2、电子电路：电路的工作原理、特点、分析方法、电路设计方法。 包括：,3、电子电路应用：,分立元件电子电路、集成电路 。,1、电子器件是非线性的，精确求解I(V )关系比较复杂，采用工程近似估算法。,一定条件下线性化处理，重工程。,“电路”课重模型 重拓扑结构 重线性,1.4 本课程的特点,2、有很多微观、细节的问题。,BJT输入特性曲线,BJT输出特性曲线,4、器件的特性具有离散性。,3、RC的实际值与标称值有差异。,5、器件特性随温度、时间
7、改变。,例：标称值1K的电阻：10% 5% 1% 0.1%实际值： 9001100 9501050 9901010 9991001,1.5 课程要求,1、基本理论：电路的工作原理与分析方法（重点）,2、基本知识：器件、电路的性能、应用，器件以外特性为主。,3、基本技能：,实验能力、运算能力、读图能力、 仪器使用、查手册资料等。,“四基”：基本概念、 基本原理、基本分析方法、基本应用。,1.6 本课程的内容框架,第一条主线 基本放大器,1. 半导体器件,1）静态（直流）工作点：IB，IC，VCE。,2）交流指标：Av，Ri，Ro。,2. 基本放大电路：不同电路，不同公式。,3）放大电路的频率响应
8、：fH， fL ，BW，GBW。,4）功率放大电路。,3. 改善放大器的性能, 引入负反馈。,第二条主线 集成电路运算放大器,1. 集成运放的内部电路,2. 集成运放的应用,1）两个基本电路,2）加法电路、减法电路,3）比较器,4）滤波器,第三条主线 两源,1. 信号源：正弦波信号发生器,2. 电源：直流稳压电源,牢固掌握基本理论、基本概念 和基本方法。学好电路基础课（必要条件）。注意理论与实际相结合。 强调工程的观点。 强调自学能力，注意学习方法：善于总结对比，寻求内在规律，增强抽象能力。入门时可能会遇到一些困难。注意不断改进、总结和调整、提高。,1.7 怎样学好这门课,本章结束,3 半导体
9、二极管 及其基本电路,(Diodes and Diode Circuits),3.0 半导体器件的种类及发展 3.1 半导体的基本知识 3.2 PN结的形成及特性 3.3 半导体二极管 3.4 二极管基本电路及其分析方法 3.5 特殊二极管,3 半导体二极管及其基本电路,(Diodes and Diode Circuits),3.0 半导体器件的种类及发展,、种类：二极管、三极管、场效应管、集成电路（ Integrated Circuit ，IC）,、发展： 电子器件的更新换代推动电子技术的发展，其中 电子学发展史上三个重要里程碑： 1)1906年电子管发明（进入电子时代） 2)1948年晶体
10、管问世（半导体器件） 3)60年代集成电路出现(进入信息时代),1) 第一代电子器件电子管1906年，福雷斯特（Lee De Fordst）等发明，可实现整 流、稳压、检波、放大、振荡等多种功能电路。电子管体积 大、重量重、寿命短、耗电大。,ENIAC：Electronic Numerical Integrator and Calculator电子数字积分器和计算器,1946年由美国生产的世界上第一台计算机“埃尼阿克” （ENIAC）用了1.8万只电子管，占地170m2，重30t，耗电150kW。,2) 第二代电子器件晶体管（半导体三极管）1948年，肖克利（W. Shckly）等发明，在体积
11、、重量等方面性能优于电子管。但是，由成百上千只晶体管和其他元件组成的分立电路体积大、焊点多，可靠性差。,3) 第三代电子器件集成电路1958年，基尔白等设想将管子、元件和线路集成封装在一起，三年后集成电路实现了商品化。IC按集成度分: 类 别 元件个数/晶体管数 小规模集成电路(Small Scale Integration，SSI): 10102 中规模集成电路(Medium Scale Integration，MSI): 102 103 大规模集成电路(Large Scale Integration，LSI): 103 105 超大规模集成电路(Very Large Scale Integ
12、ration，VLSI): 105 特大规模集成电路(Ultra Large Scale Integration ，ULSI),微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS),外形尺寸在毫米量级，组成元器件尺寸在纳米、微米量级。将信号探测、处理、控制和执行各子系统集成于一体的可运作微型机电装置。 例：德国工程师制成黄蜂大小的能升空的直升飞机 应用：军事（小型间谍飞机）,单芯片系统(system on chip),一片单芯片系统一颗卫星,微型计算机（嵌入衣服、皮包中）,微型手机（耳机大小，一年充电一次）,目前，贝尔实验室正研制超小体积和超低功耗的第四代
13、半导体器件，它的问世将掀起电子技术新革命:,4) 第四代半导体器件 发展趋势,科学家研制出可计数事件的生物电路,美国麻省理工大学和波士顿大学的工程师设计出了一种可 以计算并“记忆”细胞事件的细胞，通过使一系列因子按照特定 顺序活动而形成的简单电路来实现。这种电路与电脑芯片中的类似，能够用于计数细胞分裂的 次数或者研究某个发展阶段的顺序，也能用作生物传感器来计 数不同毒素的方位。研究小组开发了两种细胞计数器，虽然这种细胞电路与电 脑的类似，研究者的意图却并非制造微型生物电脑。两篇论文 的第一作者之一，哈佛大学研究生 Timothy Lu说：“我认为生 物电路并不一定能够完成电脑能够完成的事情。”
14、 他认为，在 细胞内进行精细的计算将非常困难，因为控制活细胞要比硅芯 片困难的多。取而代之的是，研究者专注于设计微型的部件来 完成特别的任务。另一名第一作者Ari Friedland说：“我们的目标是设计一种 能够完成细胞一些方面功能的工具”。,3.1 半导体的基本知识,3.1.1 半导体（Semiconductor）材料物体的导电性：导 体原子核外层电子数小于4，铜、铝等；绝缘体原子核外层电子数接近8，玻璃、陶瓷等；半导体原子核外层电子数等于4，硅（Si）、锗（Ge）、 砷化镓（GaAs）等。半导体特点: 导电能力可控（受控于光照、温度、掺杂等）,载流子(Carrier)的种类：导 体自由电
15、子（数量很多）绝缘体几乎没有半导体自由电子、空穴,半导体的两种 载流子是构成 半导体器件的 关键因素。,3.1.2 半导体的共价键(covalent bond)结构,Si硅原子 （原子序数14）,Ge锗原子 （原子序数32）,(b) 硅晶体的空间排列,(a) 共价键结构平面示意图,半导体是空间排列有序的晶体(crystal),1、本征半导体(Intrinsic Semiconductor), 纯净无掺杂的半导体晶体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。,半导体的分类：本征半导体、杂质半导体区别在于组成材料的元素、载流子构成数量不同，从而 导致两种半
16、导体导电能力的大小不同。,3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用,例判断对错：本征半导体是指没有掺杂的纯净半导体。,（）,改为“纯净的 半导体晶体”。 不仅与掺杂有关 而且与结构有关,intrinsic: (指价值、性质)固有的, 内在的, 本质的,本征激发：价电子获得能量挣脱原子核的束缚，成为自由电子，从而可能参与导电。这一现象称为本征激发。也称热激发。,T=0K(-273 C)和没有外界激发时：四个价电子(bonded electron)受共价键束缚，不能自由移动，是束缚电子，不能参与导电。,2、本征激发,T=300K(室温)时：产生自由电子。,本征激发产生两种载流子：自由电子空穴（成对
17、出现）即：电子空穴对(Electron Hole Pair),空穴：价电子离开共价键后留下的空位。,自由电子： 负电荷 空穴：正电荷(空位处原子核正离子) 代表束缚电子产生的电流(方向相反),判断：半导体整体呈电中性,空穴运动是一个虚拟概念。,（）,空穴是半导体区别于导体的重要特点,复合(recombination) ：自由电子释放能量而进入有空位 的共价键，使自由电子和空穴成对消 失，这一现象称为复合 。,本征激发和复合在一定温度下会达到 动态平衡!,本征激发和复合的过程,温度一定,激发与复合动态平衡,载流子数确定,缺点：载流子少，导电性差，温度稳定性差！,a) 本征载流子浓度：电子浓度=空
18、穴浓度b) 导电能力很弱：室温下只有极少数原子的价电子受激发产生电子空穴对，如硅约三万亿分之一。c) 导电性能对温度很敏感：本征载流子浓度随温度升高近似按指数规律增大。,应用：热敏电阻性元件,3、本征半导体特点,N型半导体( Negative ) 五价元素(磷)，施主杂质/N型杂质(Donor impurities) 自由电子、空穴、正离子 自由电子数空穴数 （多子） （少子）,3.1.4 杂质半导体(Extrinsic Semiconductor),1、概念：在本征半导体中掺入少量其它元素(杂质)的半导体。,P型半导体( Positive ) 三价元素(硼)，受主杂质/P型杂质(Accept
19、or impurities) 自由电子、空穴、负离子空穴数自由电子数 （多子） （少子）,类型： 掺杂：电荷： 载流子：,N型半导体(n-type semiconductor),P型半导体( p-type semiconductor),1）施主杂质、受主杂质：“主”指的是电子。,2）N型杂质、P型杂质：“N、P”指掺入的杂质提供的多子是什么性质的。,3）以P型半导体为例，束缚电子填补空穴的运动等效于空穴发生位移，离开杂质原子。可以理解为受主杂质电离为带正电的空穴和带负电的受主离子。,P型半导体,空穴,受主离子,受主离子,空穴,2、杂质半导体特点：多子主要由杂质原子提供，所以其浓度主要取决于掺杂
20、 浓度，受温度影响小；少子由热激发形成，所以其浓度主要取决于本征激发， 受温度影响大。,应用：制作集成电路内的电阻元件；制作半导体有源器件的基本材料PN结。,杂质半导体导电能力远大于本征半导体；（百万倍） 杂质半导体受温度影响远小于本征半导体。, T=300 K室温下，本征硅的空穴和电子浓度： p = n = 1.41010/cm3 （三万亿分之一）,典型数据：本征硅的原子浓度 = 4.961022/cm3,浓度基本上相差106/cm3 载流子数目剧增！, 掺杂后 N 型半导体中的由电子浓度：n = 51016/cm3,3.2 PN结( PN Junction)的形成及特性,1. 漂移电流,2
21、. 扩散电流,3.2.1 载流子的漂移与扩散,在电场作用下，载流子定向运动形成的电流。 电场越强，载流子浓度越大飘移电流越强。 电子导电器件优于空穴导电器件。,由于载流子浓度不均匀，从浓度大处向浓度小处运动， 形成扩散电流。扩散电流大小与浓度梯度有关。,电子移动速度 约为空穴的3倍,因浓度差多子的扩散运动,空间电荷区形成内电场, 内电场促使 少子漂移 ( Drift ), 内电场阻止多子扩散 ( Diffusion ),最后，多子的扩散和少子的漂移 达到动态平衡（通过界面的净载流子数=0）。,3.2.2 PN结的形成,在边界处 相遇复合,由杂质离子形成空间电荷区(PN结),1) PN结实质 =
22、空间电荷区 (Space charge region ) =耗尽层 (区) (Depletion layer), 根据某种特征命名,2) PN结宽度与多子(掺杂)浓度的关系, 在PN结中，掺杂的多子浓度较高时，则产生相同数量的电荷只需在较窄的区间。,对不同掺杂浓度的PN结：掺杂浓度越高，空间电荷区越窄(薄)；掺杂浓度越低，空间电荷区越宽(厚)。,在一定掺杂浓度下: 扩散越强（流过的载流子数量多），空间电荷区越宽 (与半导体材料的介电常数有关) ；,漂移运动使空间电荷区变窄（少子中和交界面上对 方的空间电荷）。,3) PN结的类型 不对称结： 空间电荷区两边宽度不同。,P+N结,PN+结, 对称
23、结：空间电荷区两边宽度相同。,P,N,3.2.3 PN结的单向导电性,PN结两端外加不同极性的电压，其导电能力不同。,1. PN结加正向电压（P区正）,外加电压削弱内电场 两侧多数载流子向PN节移动 PN结变窄,PN结呈现低阻性， IF大（F_Forward）,空穴中和一部分负离子,电子中和一部分正离子,扩散运动 漂移运动多子扩散为主正向电流，大,2. PN结加反向电压（N区正）,外加电压加强内电场 PN结变宽,结论： PN结正向电流 反向电流；正向电阻很小，反向电阻很大；即：PN结外加正向电压导通，外加反向电压截止。-单向导电性（关键：存在耗尽区）,PN结呈现高阻性，反向饱和电流（IS= I
24、R ）小。,S_Saturation R_Reverse,空穴远离PN结,电子远离PN结, 漂移运动 扩散运动少子漂移为主 反向电流，小,反向电压 ，,通常正向电压 ，,3. PN结V-I 特性的表达式,理论分析证明：,：PN结两端的外加电压,：通过PN结的电流,：反向饱和电流,：热电压(分子热运动引起的电压效应/温度的电压当量),T=300K( 室温)时：,PN结伏安特性,(D_Diode),n：发射系数，为经验常数(12)。,两种击穿机理：PN结外加反向电压时,当|反向电压| |VBR| 时，反向电流急剧增大，结电压基本不变，称为PN结的反向击穿（电击穿） 。,2) 齐纳击穿(Zener
25、breakdown)：重掺杂的PN结中。耗尽层薄，强电场直接电离层内本征原子，产生新电子空穴对，反向电流急剧增大。场致击穿。,3.2.4 PN结的反向击穿,1) 雪崩击穿(Avalanche breakdown ) :,轻掺杂的PN结中。耗尽层宽，少子 漂移加速，碰撞层内本征原子，产 生新电子、空穴对，连锁反应，类似雪崩。碰撞电离。,( Reverse Breakdown，BR),注意： 电击穿：可逆的（前提：不超过PN结最大耗散功率），为人所用（如稳压管） 热击穿：电击穿后，PN结发热超过耗散功率，过热烧毁。,VBR 7V ：雪崩击穿； VBR 5V： 齐纳击穿； VBR57V：两种都有。,
26、例：硅材料PN结,雪崩击穿：低参杂、高电压 (耗尽区宽，碰撞机会多),齐纳击穿：高掺杂、低电压 (耗尽区窄，低电压产生强电场),两种击穿条件：,PN结正偏时：多子扩散后，积累在PN结的另一侧面，形成一定的浓度梯度。,1. 扩散电容CD (D_Diffusion) ：外加电压变化，引起耗尽层外附近的扩散区内，非平衡载 流子浓度分布发生变化，从而导致非平衡载流子电荷量的变化。,3.2.5 PN结的电容效应,N区的 空穴浓 度曲线,P区空穴扩散到N区，在N区边缘堆积成为超量空穴（非平衡少子）。超量空穴可视为存储的电荷。电荷量大小取决于正向电压大小。,以N区为例：,PN结反偏时：,PN结正偏时，CD较
27、大；反偏时，CD很小，忽略。,设引起 、 的电压变化为 ：,载流子数目（少子）很少， 扩散电容值很小，可忽略。,结 论,t ：载流子寿命(超量少子的复合时间)；VT：温度的电压当量；ID：二极管工作电流。,2. 势垒电容CB(B_Barrier)：,外加电压变化，引起耗尽层宽度随之变化， 导致层内正、负离子数量(空间电荷量)变化， 相当PN结中存储的电荷量发生变化，犹如电容的充放电。,V0 ：内建电位差；,CB0 ：V=0时的CB；,m：结的梯度系数，与掺杂有关。,VD ：二极管工作点电压，反偏时为负值。,经理论推导：,分析上式得：PN结正偏时，CB大；反偏时，VD为负值，CB小；反偏电压越高
28、， CB越小。,-与平板电容器类似,经分析证明：CB与PN结面积(极板面积)成正比；与耗尽层厚度 (间距)成反比。,旧版解释：从多子变化的角度考虑,PN结正偏时，多子进入势垒区，相当于充电，CB增大；PN结反偏时，多子离开势垒区，相当于放电，CB减小。, CB反偏时重要,势垒电容与结电阻并联,正偏时：尽管CB大(容抗小)，但PN结电阻更小， 故CB影响可忽略。 反偏时：尽管CB小(容抗大)， 但PN结电阻更大，故CB作用反而不能忽略，高频时影响更大(容抗会减小)。,正偏时： r 很小，C较大（以CD为主，几十几百pF）； 反偏时： r 很大，C较小（以CB为主，几几十pF）。,电容量的大小与外
29、加电压有关， 势垒电容和扩散电容均是非线性电容。,3. PN结高频等效电路,r,C,结电阻,结电容,PN结总电容：CCBCD,PN结正偏时：,CD、CB均比正偏时小，但CB CD，故 C CB。,CD、 CB均比反偏时大； 且CD CB，故 C CD,PN结反偏时：,结论：,温度升高时，反向电流呈指数规律增加。硅材料：每升高10，反向饱和电流增大一倍。锗材料：每增加12，反向电流大约增加一倍。正温特性/正温度系数,3.2.6 PN结的温度特性,指PN结的三个基本特性受温度影响的特性。,单向导电特性、击穿特性、电容特性,反映了性能是否稳定，决定了器件的使用级别。,1. 单向导电特性,温度每升高1
30、，PN结的正向压降减小22.5mV。负温特性/负温度系数,PN结最高温度限制： 当温度升高到一定程度，本征激发产生的少子浓度可能 达到或超过掺杂（多子）浓度，杂质半导体变得和本征半导 体一样，PN结消失。 硅( Si ) ：约为（150200） 锗( Ge) ：约为（75100）,2. 击穿特性,雪崩击穿：正温特性；齐纳击穿：负温特性；两者都有：有可能获得零温特性。,3. 电容特性电容量随温度变化。,3.3 半导体二极管(Diode),图片,3.3.1 半导体二极管的结构,(1) 点接触型,二极管= PN结 + 引线 + 管壳。 类型：点接触型、面接触型和平面型。,PN结面积很小，极间电容很小
31、。 适用于高频、小电流。,三价元素,瞬时正向 大电流熔接,(3) 平面型,(2) 面接触型,符 号,电路符号（电气图用）,阳极(Anode),阴极(Cathode),理想二极管符号 旧的电路符号,PN结面积大，极间电容大。 适合整流，不适合高频。,集成电路中,3.3.2 二极管的V-I特性,1. 正向特性门坎电压(死区电压)：室温下硅管Vth(0.50.6)V锗管Vth (0.10.2)V导通电压VD(on) ：硅管0.7V；锗管0.2V 。,2. 反向特性反向饱和电流：硅管： 0.1A锗管： 几十A反向电流随温度升高 明显增加 3. 反向击穿特性,3.3.3 二极管的主要参数,1. IF最大
32、整流电流,2. VBR反向击穿电压最高反向工作电压一般约为击穿电压的一半。,长期连续工作时，允许通过的最大正向平均电流。,3. IR(IS) 反向饱和电流值越小，说明管子的单向导电性越好。其受温度影响明显。,4. Cd _ 极间电容,电压变化，电荷变化（充放电）。,包括势垒电容CB 、扩散电容CD。,5. TRR _ 反向恢复时间,外加电压从正偏变为反偏时，二极管中电流由正向翻转为反向电流，至反向电流减为很小的时间。,3.4 二极管基本电路及其分析方法,3.4.1 简单二极管电路的图解分析法,电路组成：二极管、电阻、电压源。分析方法：图解法、模型法(等效电路法)。,图示电路可分为A、B两部分；
33、,A部分的电压与电流关系：vD=VDD - iDR,B部分的电压与电流关系就是二极管的伏安特性。,图解法,求vD，iD。,在二极管的伏安特性上画出vD=VDD - iDR 。,求交点（电路工作点）。,* 图解法的前提：已知二极管的V-I 特性曲线实际中不现实。 * 解方程组： ，复杂，借助计算机完成。,* 简化模型分析法：有效的工程近似方法。,1. 二极管V-I 特性建模,大信号模型(单向导电特性),V-I 特性,代表符号,(1) 理想模型,正向偏置时： 电阻为0，管压降为0。,反向偏置时： 电阻为，电流为0。,理想模型、恒压降模型、折线模型,使用条件：电源电压 二极管管压降时,基本思想：,3
34、.4.2 二极管电路的简化模型分析法,(2) 恒压降模型,使用条件：当 iD1mA 或 iD 1mA 时。应用较广泛。,二极管导通时：管压降 vD=0.7V 恒定。,基本思想：,V-I 特性,代表符号,Vth=0.5V rD：二极管导通电流=1mA时，管压降=0.7V。即：,V-I 特性,代表符号,(3) 折线模型,直流 电阻,基本思想：二极管导通时，管压降不恒定，随电流增加而增加。,参数的确定：,直流大信号导通状态下的微变关系。, V-I 特性上, 用V-I 特性表达式,V-I 特性,代表符号,微变电阻rd (交流电阻)求法：,(T=300K),静态工作点 (Q_Quiescent Pion
35、t) 直流工作状态,(4) 小信号模型,说明：直流电阻和交流电阻, 直流电阻 rD：二极管两端所加直流电压VD与流过二极管的直流电流ID之比。,rD、rd 随Q(IDQ,VDQ)变化，是非线性电阻。, 交流电阻 rd ：二极管在其直流工作状态(IDQ,VDQ)处的电压微变量与电流微变量之比。,特性曲线上不同点处的交、直流电阻不同，同一点处的交、直流电阻也不同。,D,vi,vo,t,t,0,0,整流电路中，通常 vi VD(on)，选择理想模型: VD(on) =0。 1、正半周时，vi 0，二极管加正向电压（正偏）导通，在 理想模型中二极管相当于短路，故 vo=vi，输出正半周波形。,2. 模
36、型分析法应用举例,(1) 二极管整流电路 ( Diode Rectifier）,整流：将交流电转变为脉动直流电。,半波整流电路,例3.4.2,2、负半周时，vi0，二极管加反向电压（反偏）截止，在理 想模型中二极管相当于开路断开，故 vo=0，输出零波形。,正半周： D1、D3 导通 D2、D4 截止,负半周 D2、D4导通 D1、D3截止,例：全波整流电路的输出波形。,(2) 二极管电路的静态工作情况分析 例3.4.3(旧2.4.1)：求VDD=10、1V时，二极管的电流ID、电压VD 值(rD=0.2k) 。, 理想模型, 恒压降模型,解：,a) VDD=10V时,参考电位点,习惯 画法,
37、 折线模型,电源电压远大于管压降时：恒压降模型与折线模型结果很接近，使用恒压降模型。,b) VDD=1V时: 计算方法同上。,模型选 择方法,电源电压较低时：恒压降模型误差大，使用折线模型。,理想模型,恒压降模型,折线模型,理想模型,恒压降模型,折线模型,VDD=10V时,例3.4.4 使用理想模型和恒压降模型求解。 求 vI=0,4,6V时，vO=? vI=6sint V，vO波形。,(3) 限幅电路（Amplitude Limiting）,vI=4、6V，二极管导通:, vI=0V，二极管截止， vO=vI。,vO=3V（理想模型）。,vO=3.7V（恒压降模型）。, 理想模型, 恒压降模
38、型,vI=4、6V，二极管导通:, vI=0V，二极管截止， vO=vI。,解:,例旧2.4.2 采用折线模型, 设Vth=0.5V，rD=200 ， 求 vI=0,4,6V时，vO=? vI=6sint V，vO波形。, vI=6sint V,vO,vI,|vI |0.7V时，D1、D2截止，vO=vI,| vI |0.7V时， D1、D2中有一个导通，|vO | =0.7V,上限幅,下限幅,vI,例：双向限幅电路如图所示，使用恒压降模型。,改变V值就可改变限幅电平,vI VR时，二极管导通，vO=vI 。,例：理想二极管电路中 vI= Vm sint V，求输出波形vO。,解：,vIVR时
39、，二极管截止，vO =VR 。,(4) 开关电路（电平选择电路）,二极管的单向导电性表现为开关特性。可作为电子开关。,例3.4.5(旧2.4.3) 求vI1和vI2不同值组合时的vO值（二极管为理想 模型）。,解：,习惯画法,理想模型,基本原则：首先将二极管断开，然后判断其状态是导通或截止。,与逻辑,例：二极管“或”门电路(设二极管为理想模型)。,“与”门电路,例旧2.4.4(新例3.4.6类似) VI=10V，R=10k , 若 , 问 vD如何变化？,解: VI=10V时，采用恒压降模型，有：VD=0.7V, ID=(10-0.7)V/10k =0.93mA 在此Q点上：, 二极管电压变化
40、：,3-4V以下时，采用多只二极管串接，可获得较好的稳压特性。,二极管上的 电压变化很小,(5) 低压稳压电路,3.5 特殊二极管,3.5.1 齐纳二极管（稳压管）,1. 稳压作用,伏安特性,稳压管是应用在反向击穿区的 特殊硅二极管。电流增量很大的变 化，只引起电压增量很小的变化。,普 通 二 极 管,反向电流最小工作电流IZ(min)：,稳压管进入反向截止状态。,反向电流最大工作电流IZ(max)：,稳压管可能烧毁。,稳压值：VZ (测试电流IZT时),注意：,稳压二极管在工作时应反接， 并串入一只电阻。,反向击穿电压曲线越陡，动态电阻rz愈小， 稳压性能愈好。,2. 应用电路,伏安特性曲线
41、与硅二极管的 完全一样。动态电阻rz 很小。,R：* 限流电阻。限制IZ，防止管耗过大（IZIZ(max)）。* 使电路有一个合适的工作状态。,a) 反偏；,b) IZ满足 IZ(min) IZ IZ(max)。,稳压管工作条件：,并联式稳压电路,RL与稳压管并联,(1) 稳定电压VZ ,在规定的稳压管反向工作电流下，所对应的反向工 作电压。,3. 主要参数,(2) 动态电阻rZ ,与一般二极管的动态电 阻概念相同，但稳压二极管 的动态电阻是从它的反向特 性上求取。 rZ愈小，反映稳 压管的击穿特性愈陡，稳压 性能愈好。rZ =VZ /IZ,(3) 最大耗散功率 PZM ,取决于PN结面积和散
42、热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为 PZ= VZ IZ，由 PZM和VZ可以决定IZ(max)。,(4) 最大稳定工作电流IZ(max) 和最小稳定工作电流IZ(min) ,IZ(max)取决于最大耗散功率：PZmax =VZIZmax 。 Izmin对应于VZmin，若IZIZmin则不能稳压。,(5)稳定电压温度系数CTV ,* 当VZ 5.7 V时，温度系数为正值，雪崩效应占优势。 * 当VZ 5 .7V时，温度系数为负值，齐纳效应占优势。 * 当5 VVZ 7 V时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。,温度的变化改变VZ。,3.5.2-4 其他二极管,变容二极管：PN结加反向电压，利用势垒电容制作的二极管。,光电二极管：利用光能在耗尽层内激发出大量电子、空穴对，改变反向饱和电流的大小，反偏使用。,发光二极管：用特殊半导体材料制成PN结，可发出可见光（红、黄、绿、兰等）和不可见光（红外线等），且发光强度与正偏电压大小成比例。,激光二极管：发射出单波长的光，主要是红外线。,肖特基二极管：利用金属与N型半导体接触，在交界面形成势垒的二极管。,PN结三大特性的基本应用： 单向导电特性：晶体二极管等； 反向击穿特性：稳压二极管等： 电 容 特 性：变容二极管等。 其他,结束了,
