二极管基本电路及其分析方法

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方法3.4.2二极管电路的简化模型分析方法3.4.1简单二极管电路的图解分析方法二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的V-I特性曲线。例3.4.1电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源VDD和电阻R，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD。解：由电路的KVL方程，可得RViDDDDvDDDD11VRRiv即是一条斜率为-1/R的直线，称为负载线Q的坐标值（VD，ID）即为所求。Q点称为电路的工作点3.4.2二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I特性的建模将指数模型分段线性化，得到二极管特性的等效模型。)1e(DSDTVIiv（1）理想模型（a）V-I特性（b）代表符号（c）正向偏置时的电路模型（d）反向偏置时的电路模型3.4.2二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I特性的建模（2）恒压降模型（a）V-I特性（b）电路模型（3）折线模型（a）V-I特性（b）电路模型1.二极管正向V-特性的建模uDiD电路模型SS正向偏置，其压降为0V;而在反向偏置时，认为电阻无穷大3.4.2二极管电路的简化模型分析方法1)理想模型：判断二极管通断二极管导通后,其管压降认为是恒定的,且不随电流而变化,典型值是0.7V。不过，这只有当二极管的电流iD近似等于或大于1mA时才正确。iDvD电路模型2）恒压降模型iD+_vD0.7V0.7V：信号幅度远大于二极管压降3)折线模型其中，Vth和rD的值不是固定不变的。200mA15.07.0DriDvD电路模型+_vDiDVthrDVth二极管的管压降不是恒定的，而是随着通过二极管电流的增加而增加。Vth约为0.5V(硅）：信号幅度不能远大于二极管压降3.4.2二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I特性的建模（4）小信号模型vs=0时,Q点称为静态工作点，反映直流时的工作状态。)(11sDDDDvvVRRivs=Vmsint时（VmVDD）,将Q点附近小范围内的V-I特性线性化，得到小信号模型，即以Q点为切点的一条直线。3.4.2二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I特性的建模（4）小信号模型过Q点的切线可以等效成一个微变电阻DDdirv即)1e(/SDDTVIiv根据得Q点处的微变电导QigDDdddvQVTTVI/SDevTVIDdd1gr则DIVT常温下（T=300K）)mA()mV(26DDdIIVrTQTViD（a）V-I特性（b）电路模型2.模型分析法应用举例1)整流电路2）限幅电路3）开关电路4）低电压稳压电路5）箝位电路6）其它电路分析方法：1）选取参考点；2）用理想模型、恒压降或折线模型代替二极管；3）断开理想二极管，求N、P两端的电压。若VPVN，则理想二极管导通，用短路代替；若VNVP，则理想二极管截止，用开路代替。4）分析电路中待求量。习题：P97页3.4.5电路如图，求VAO。VP=－6VVN=－12V解：取O点作参考点D6V12V3kOAVAO+–NPVPVN二极管导通VAO=－6VD6V12V3kOAVAO+–NP6V12V3kOAVAO+–NPOD215V12V3kAD1VAO+–P2N2P1N1解：取O点作参考点VP1=0V，VP2=－15V，∵VD1VD2∴D1优先导通，D2截止。VD1=12V，VD2=－3VVN1=VN2=－12V若忽略管压降，二极管可看作短路，VAO=0VOD215V12V3kAD1VAO+–P2N2P1N1O15V12V3kAVAO+–P2N2P1N1习题：P97页3.4.615V10V+–R1R6R5R4R3R2ABPDNV5.31510443665RRRRRRVB二极管截止BAVVV115221RRRVA15V10V+–R1R6R5R4R3R2ABPDN15V10V+–R1R6R5R4R3R2ABPN例3.4.21)整流电路tvDO2工作波形voOtU2U2U21工作原理vS＞0(正半周)，即VPVN，D通，RvO+_D+_vsPNvS＜0(负半周)，即VNVP，D止，，VP＝VS，VN=0D断开RvO+_D+_vsPNRvO+_D+_vsPNvstOv0=vsRvO+_D+_vsPNv0=0RvO+_D+_vsPN+_vDRvO+_D+_vs习题P97页3.4.13.4.2?例3.4.3设简单二极管基本电路如图(a)示，R=10k,图(b)是它的习惯画法。对于下列两种情况，求电路的D和VD的值：(1)VDD=10V；(2)VDD=1V。在每种情况下，应用理想模型、恒压降模型和折线模型求解。2)静态工作情况分析图（b）DVDiRDDvDRDDviDDVDiRDDvDRDDviD图（a)VDDa.使用理想模型VVD0b.使用恒压降模型V7.0DVc.使用折线模型DthDDDrRVVR+_DDVDVDR+_DDVDV0.7VDR+_DDVDV0.5VDrDD导通RVDDD解：RVDDD7.0D导通DDDrV5.0D导通理想模型恒压降模型折线模型(V)(mA)DVD将数据带入上述公式得下表：VVDD10VVDD10VVDD10VVDD1VVDD1VVDD1由上分析，可得如下结论：在电源电压远大于二极管压降时，恒压降模型能得出较合理得结果；0010.10.70.930.70.030.690.9310.510.049而当电源电压较低时，折线模型能得到较满意得结果。在电子技术中，常用限幅电路对各种信号进行处理。它是用来让信号在预置的电平范围内，有选择地传输一部分。3)限幅电路根据二极管的位置不同，限幅电路有三种基本形式：上限幅器，下限幅器，双向限幅器。限幅电路，又称消波器，是利用二极管在外加正向电压超过门坎电压（死区电压）时导通，且导通后管子两端电压基本不变得特点，限制输出电压的幅度。（1）上限幅器RDVREFuoui++––并联上限幅器RDVREFuoui++––串联上限幅器（2）下限幅器RDVREFuoui++––并联下限幅器串联下限幅器RDVREFuoui++––（3）双向限幅器RD1VREF1uoui++––VREF2D2例3.4.4一限幅电路如图所示，R=1KΩ,VREF=3V。（1）vi=0V、4V、6V时，求相应的输出电压VO的值；（2）当Vi=6SinwtV时，绘出相应的输出电压VO的波形。1）用理想模型分析解：RDVREFvovi++––RDVREFvovi++––RDVREFvovi++––PN时，，即若REFVvVViNPiPvVREFVVN通，D设D断开，时，，即若REFVvVViNP止，DREF0Vvivv0vit0RDVREFvovi++––，V0iv通，D止，DREF0Vvivv0，V4iv，V6iv通，DREF0Vv，V)(sin6wtvi，REFVvi通，D，REFVvi止，DREF0Vvivv063vo0t32）用恒压降模型分析RDVREFvovi++––0.7V7.37.03OivDv通，时，当iOivvDv止，时，当7.03（3）限幅电路电路如图，R=1kΩ，VREF=3V，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当vI=6sintV时，绘出相应的输出电压vO的波形。RrDVREFvovi++––Vth二极管D断开，ABvA=vi－Vth，vB=VREF3)用折线模型分析若VAVB，D通，则DDREFthiREFthOrrRVVVVVV取rD=200Ω，则VO=0.17Vi－2.917若VAVB，D截止，则VO=ViVi=0V，4V，6V时，输出电压Vo的值如右表所示Vi(V)046D状态截止导通导通Vo(V)03.5833.917VO=ViDDREFthiREFthOrrRVVVVVVVOVOwtwtVi00例ui=2sint(V)，分析二极管的限幅作用。采用恒压降模型-0.7Vui0.7VV1、V2均截止uO=uiuO=0.7Vui0.7VV2导通V１截止ui0.7VV1导通V2截止uO=0.7VOtuO/V0.7Otui/V20.7解：习题：P973.4.73.4.83.4.94)开关电路例3.4.5D1D24.7K5VVCCVI1+-VI2+-V1V2D1D2V0由上表可见，在输入电压V1和V2中，只要有一个为0V，则输出为0V；只有当两输入电压均为5V时，输出才为5V，这种关系在数字电路中称为“与”逻辑。0V导通导通导通D1D2VI1VI24.7KVCC5VV00V截止截止导通0V0V0V0V5V5V0V5V5V截止截止5V5)低电压稳压电路例：在如图所示的低电压稳压电路中，直流电源电压V的正常值为10V，R=10k,当V变化±1V时，问相应的硅二极管电压(输出电压)的变化如何？RDDvVoVIVIRDvDVIi=I+Δiv=V+ΔvDDDDDDRrDvDVIΔIDRDDvVoVIVIRDvDVIi=I+Δiv=V+ΔvDDDDDDRrDvDVIΔIDVIRD+_VOID+△VI_RD+_△vO△idvO+△VI=2VVI=10V_RD+_iD解：(1)求IDmA93.0kΩ10V7.0V10DVI=10VRD+_VOIDRD+_VO0.7VIDVI=10VV7.0OVmV79.22828101013IddOrrRvv(2)求△idV702790697210mV79.2V7.0V11~9V1V10.~.vvOI28mA93.0mV26DTdVr+_R+_△vO△idrdV1IV+_RD+_△vO△idV1IV习题:P973.4.33.4.46)小信号工作情况例3.4.6+vSVDD_RD+_iD+_vDVOVDDR+_IDVDVO+vS_R+_id+_vdvOrd7)其它电路防止电源反接＋－vivo＋VCC-VEE＋－vo＋VCC-VEE防止共模输入电压过大＋－vo防止差模输入电压过大2．模型分析法应用举例（6）小信号工作情况分析图示电路中，VDD=5V，R=5k，恒压降模型的VD=0.7V，vs=0.1sintV。（1）求输出电压vO的交流量和总量；（2）绘出vO的波形。直流通路、交流通路、静态、动态等概念，在放大电路的分析中非常重要。