电子元件基础知识培训概述

专题讲座电子设计基础知识2013年4月物理创新实验室—常用电子元器件特性及参数常用电子元器件特性及参数电阻电容电感半导体基础与PN结二极管三极管元件封装物理创新实验室61、电阻定义：导体对电流阻碍作用的大小。理想模型：R单位：Ω、kΩ、MΩ等；实际模型：高频时要特别注意参数：阻值精度功率材料特性寄生电感电容3河海大学常州校区阻抗：1ZRjwLjwCC：分布电容；L：分布电感元件封装贴片：0603080512061210；SO、SOP、MSOP、SOT系列等；QFN/SON系列(采用波峰焊或回流焊技术)插件：AXIAL系列DIP系列TO系列等实际制作PCB时大多自己做封装注意区分SCH和PCB河海大学常州校区4金属丝电阻：稳定性好，功率较大；碳膜电阻：稳定性差，功率较小,应用范围广（交流、直流和脉冲电路）水泥电阻：阻值小、功率大，耐震、耐热；氧化锌压敏电阻：电阻值随电压而变，V高时击穿。5电阻的材料特性河海大学常州校区非绕线电阻器：高频分布参数较小分布电感0.01~0.09uH，分布电容0.1~5pF绕线电阻器：高频分布参数较大分布电感几十uH，分布电容几十pF※随着高频电压和电流波的波长变得越来越小，贴片电阻的尺寸也做得很小，以满足需要。阻值范围从1/10~10M欧姆。高阻值的电阻不仅难以制造，误差大，而且易于产生寄生场，影响电阻频率特性的线性度；河海大学常州校区6电阻的高频特性一个500欧姆金属膜电阻的阻抗的绝对值与频率的关系河海大学常州校区7电阻的高频特性“耗能”“阻碍电流流通”“产生电压降”降压、分压；——电压调整稳定和调节电流；——电流调整与电容配合起滤波、振荡等作用；河海大学常州校区8电阻的用途2、电容9河海大学常州校区阻抗：12//()1ZjwCRjwLjwC电解电容：铝或钽质有极性容值较大耐压较高陶瓷电容：寿命长用于大功率、高压领域薄膜电容：耐压高容值大稳定性好独石电容：温度特性及频率特性好容值小（电子精密仪器、谐振、耦合、滤波）河海大学常州校区10电容的材料特性河海大学常州校区11材料特性决定工作频率电容的材料特性电容的寄生参数：引线电感直流等效电阻(ESR)分布电容等※频率很高(GHz以上)时，引线电感将极大的影响Xc；※ESR的存在使电容在充放电时浪费能量；※损耗角正切值tanδ=ESR*wC，其中w代表工作角频率,C为电容值。Tanδ=0则ESR=0参阅AVX、Rubycon、松下、TDK等公司的电容资料河海大学常州校区12电容的高频特性在很多场合，如开关电源、照明技术中，电容的寿命都是一大瓶颈。普通：2000~4000h长寿命：6000~8000h超长：10000~12000h民用级：0~70℃工业级：-40~85℃军用级：-55~150℃河海大学常州校区13电容参数—寿命铝电解电容工作温度每上升10℃，寿命缩短10%工作温度级别定义：电容反复充放电所允许流过的最大电流。※重视场合：电力电子技术(功率变换)受等效阻抗影响，一般多个并联解决发热问题河海大学常州校区14电容参数—纹波电流储能、滤波；隔直、退耦、耦合；振荡、保护(安规)；河海大学常州校区15电容的用途电容的串并联电容串联后总电容的倒数等于各电容容量的倒数之和，即1/C=1/C1+1/C2+…,这一点与电阻并联电路相同。在电容串联电路中，容量大的电容两端电压小，容量小的电压大（Q=C*U）。当某个电容的容量远大于其他电容时，该电容相当于通路，此时电路中起决定作用的是容量小的电容。两只有极性电解电容顺串联的结果仍然为一只有极性的电解电容，总容量减小，总耐压提高；逆串后没有极性。河海大学常州校区162011年9月15日3、电感定义：表征电流与通电线圈的相互作用关系。理想模型：单位：H、mH、uH等；17河海大学常州校区ZjwLLdiLVdt感量材料特性(针对有磁芯电感)等效电阻ESL分布电容频率特性载流能力损耗河海大学常州校区18电感的主要参数河海大学常州校区19电感的材料特性—磁芯材料材料工作频率铁氧体+Zn/Ni/Mn(锌/镍/锰)100kHz左右非晶硅几十kHz~几MHz坡莫合金30~50MHz参阅：全球知名的磁性元件生产商的公司主页磁性元件行业网站、电源行业网站河海大学常州校区20电感的损耗分析标号含义影响因素/产生机理代表损耗Rdc直流等效电阻导线线径和总长度铜损Rac磁芯损耗电阻磁芯材料、涡流和磁滞效应磁损Rd介质损耗电阻介质电导和极化的滞后效应介质损耗电感损耗源表电感的品质因数Q损耗角正切值tanδ：1/QQ值用处：谐振电路的匹配(调谐时要求高Q)河海大学常州校区21电感的损耗分析wLQRdcRacRd“表征无源电路的电阻损耗”无功功率/有功功率河海大学常州校区22电感的损耗分析—磁滞回线定义：当磁场强度周期性变化时，表示铁磁性物质或亚铁磁性物质磁滞现象的闭合磁化曲线。参数：Bm—饱和磁通Br—剩余磁通Hm—最大磁强Hc—矫顽力磁滞损耗与磁滞回线的面积成正比根据磁滞回线的形状将磁性材料分类如下河海大学常州校区23硬磁/软磁材料分类磁滞回线特征材料特点软磁材料瘦高型较小的剩磁和矫顽力；磁导率高；磁滞现象不明显；无外磁场时磁性基本消失硬磁材料矮胖型较大的矫顽力；磁滞回线较宽；材料被磁化后，剩磁不易消失河海大学常州校区24电感的频率特性Rs：串联电阻Cs：分布电容高频模型一个实际电感线圈的频率响应产生机理：交变电流通过导体时，由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀，愈近导体表面电流密度越大。频率越高，趋肤效应越显著。※影响：造成导体等效电阻增大，功率损耗(铜损)增大，载流能力减小。铜导线趋肤深度Δ计算：河海大学常州校区25影响电感性能的效应—趋附效应crf61.6ρ：电阻率；ur：相对磁导率；f：工作频率；ρc：铜在20℃时的电阻率应对趋附效应的方法多股并绕：用多股相互绝缘的细导线交织并绕代替同等截面积的粗导线宽薄铜带：用宽薄的铜带代替直圆柱形绕组河海大学常州校区26定义：当高频电流在两导体中彼此反向流动，电流会集中于导体邻近侧流动的一种特殊的物理现象※当导线由多匝细导线并绕时，邻近效应随并绕的匝数增加而呈指数规律增加。很多场合，邻近效应影响远比趋肤效应影响大。※减小邻近效应的方法：使用直径大的导线。与减小趋附效应的方法正好矛盾！“多股绕制高频变压器时用的导线或薄铜片有个最佳值并绕”河海大学常州校区27影响电感性能的效应—邻近效应核心思想：法拉第电磁感应定律楞次定律储能滤波高频谐振河海大学常州校区28电感的作用河海大学常州校区29半导体基础与PN结半导体：电阻率介于金属与绝缘材料之间的材料。特征：某个温度范围内，电荷载流子的浓度随温度升高而增加，电阻率下降。通用半导体：锗(Ge)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)空穴：电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后，在共价键中留下的一个空位。本征半导体的晶格结构：自由电子数=空穴数起因：纯单晶半导体已不能满足多方面的需要。定义：在本征半导体的晶格中植入杂质以改变电特性的过程。掺杂物：三价元素：硼、铟、铝五价元素：磷、砷、锑产物：P型半导体：空穴数＞自由电子数N型半导体：空穴数＜自由电子数河海大学常州校区30“掺杂”形成机理：P型半导体与N型半导体相互接触时，由于自由电子和空穴的相互扩散与漂移，在交界处会形成阻碍多数载流子扩散运动的势垒区即PN结。河海大学常州校区31PN结载流子的扩散河海大学常州校区32PN结的形成PN结的特性：1.单向导电性；2.光生伏特效应；3.电容效应；起源：在PN结空间电荷区内，电子要从N区到P区必须越过一个能量高坡，即势垒。PN结承受正向电压，等效电阻很小，PN结导通；PN结承受反向电压，等效电阻很大，PN结截止；河海大学常州校区33单向导电性iD：通过PN结的电流；VD：PN结两端电压。定义：半导体在受到光照射时产生电动势的现象；典型应用：太阳能电池河海大学常州校区34光生伏特效应太阳能电池：一个大面积平面PN结原理：太阳能电池板吸收太阳光，具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子－空穴对。在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。河海大学常州校区35电容效应PN结的电容效应将导致反向时交流信号可以部分通过PN结，频率越高则通过越多，这就限制了管子的最高工作频率。一般在制造高频二极管或三极管时，都是通过减小PN结面积或增加PN结厚度来减小这个电容。由于减小结面积不利于大电流通过，提高结厚度则需要时N区和P区扩散的杂志浓度比较低，导致电阻增加，因此要制造高频大功率管是相当困难的，一般高频大功率管由于P区和N区电阻大，导致饱和压降高。特性应用单向导电性整流、检波、开关二极管反向击穿特性稳压、雪崩二极管结电容效应变容二极管光生伏特效应太阳电池半导体光电效应各种光电器件晶格受力变化/温度特性压力传感器/温度传感器光辐射对反向电流的调制光电探测器高掺杂PN结隧道效应隧道二极管相互作用的放大、振荡特性晶体管河海大学常州校区36PN结的应用模型：高频模型：河海大学常州校区374、二极管VF：0.1~1V常用的为0.5~0.7VIF：视不同二极管而定硅管：0.7V锗管：0.2V目的：效率分析和电路改进设计。降低功耗！河海大学常州校区38二极管的损耗计算损耗类型计算公式备注直流损耗VF:正向压降；IF：正向电流；f：工作频率ton：导通时间；交流损耗tonACF0PfVdtDCFFPV*I基本参数：VF、IF正向浪涌电流IF-peak结电容Cj：影响高频特性反向恢复时间trr：正向导通到截止时的时间反向耐压Vr反向漏电流Ir寄生电感：影响高频特性最高工作温度Top封装河海大学常州校区39二极管重要参数PN结所存储电荷耗尽所需的时间二极管类型特点常见型号应用场合整流二极管正向浪涌电流大反向耐压高结电容较大1N4007/SM71N540XRL20X整流电路钳位电路保护电路等开关二极管开关速度快寿命长体积小LL4148小信号开关稳压二极管工作于反向击穿态噪声系数较高稳定系数较差1N4782(8.5V)1N5338(5.1V)低精度稳压/基准电平平移瞬态抑制二极管TVS响应时间快(ns)瞬态功率大漏电流低PxxKExx浪涌保护钳位吸收电路(超)快恢复二极管(U)FRD开关特性好反向恢复时间短反向击穿电压较高35ns~100ns:FR107≦35ns:STTH3R02高频整流电路开关电源阻容吸收等肖特基二极管SBD正向压降小反向恢复时间短开关损耗小STPS20H100CTSS34、1N5822MBR400100CT开关电源变频器驱动器河海大学常州校区40二极管分类形成：在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的PN结，组成一个PNP(或NPN)结构。结构：河海大学常州校区415、三极管“电流放大”：以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。河海大学常州校区42三极管作用应用场合具体作用放大电路电流或电压放大等振荡电路调制解调、自激振荡等开关电路/电源电路闸流、限流或作开关管等“截止区、放大区、饱和区的切换”参数物理意义参考作用NPN9013参数ICM最大集电极电流电流限值500mAVBE(on)导通/开启电压开关电路设计0.67VfT特征频率工作频率限制150MHzhFE直流电流增益放大电路设计120VCE(sat)集-射极饱和压降电压考虑、功耗0.2；0.6V/maxVBE(sat)基-射极饱和压降电压考虑、控制0.9；1.2V/maxPCM最大耗散功率功率考虑、散热625mWV(BR)CBO集-基极击穿电压电压限值45VV(BR)CEO集-射极击穿电压电压限值25VV(BR)EBO射-基极击穿电压电压限值5V河海大学常州校区43三极管重要参数※特别注意：三极管的寄生电感、电容将极大影响其高频特性。按用途分：高/