模拟电子电路2章2(XXXX02)西北工业大学

(4-1)2.3二极管2.3.2二极管的结构类型2.3.3二极管的特性曲线2.3.4晶体二极管的参数2.3.4二极管的基本应用电路2.3.5特殊二极管2.3.6稳压二极管及稳压电路晶体二极管的模型2.3.1外特性分析方法特殊二极管(4-2)2.3二极管2.3.1二极管的结构类型2.3.2二极管的特性曲线2.3.3二极管的参数(4-3)2.3.1晶体二极管的结构类型在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(1)点接触型二极管—PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(a)点接触型二极管的结构示意图(4-4)二极管的结构示意图(c)平面型(3)平面型二极管—往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管—PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型(4-5)阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(c)平面型金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(a)点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(b)面接触型阴极阳极(d)符号总结(4-6)(4-7)2.3.2晶体二极管的伏安特性曲线二极管的伏安特性曲线晶体二极管的电路符号正向伏安特性曲线反向伏安特性曲线(4-8)2.3.2晶体二极管的伏安特性曲线式中IS为反向饱和电流，UD为二极管两端的电压降，UT=kT/q称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q为电子电荷量，T为热力学温度。对于室温（相当T=300K），则有UT=26mV。根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示：Du/UDi(1)TsIe(4-9)二极管的伏安特性曲线图示Du/UDi(1)TsIe(4-10)(1)正向特性1、当0＜u＜UD(ON)时，正向电流为零，UD(ON)称为死区电压或开启电压。当u＞0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：2、当u＞UD(ON)时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。UD(ON)(4-11)(2)反向特性当u＜0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：1、当UBR＜u＜0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS。２、当u≥UBR时，反向电流急剧增加，UBR称为反向击穿电压。(4-12)在反向区，硅、锗二极管的特性有所不同。•硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；•锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。从击穿的机理上看，硅二极管•若|UBR|≥7V时,主要是雪崩击穿；•若|UBR|≤5V时,则主要是齐纳击穿。•当在5V～7V之间两种击穿都有，有可能获得零温度系数点。(3)反向击穿特性(4-13)正向偏置二极管小功率正常工作时，管压降变化范围很小，硅二极管为：UD(ON)=0.5~0.7V锗二极管为：UD(ON)=0.１~0.３V硅二极管的反向饱和电流也很小。０.1uA锗二极管的反向饱和电流较大。几十uA(4-14)2.3.3晶体二极管的参数1、最大整流电流IF二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。2、反向击穿电压UBR二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压VBR。(4-15)3、反向电流IR5、最高工作频率fM在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。fM与结电容有关，ffM时，单向导电性便差。4、极间电容(反向恢复时间)(4-16)2.4二极管基本电路及分析方法二极管是一种非线性器件3.4.1二极管的图解分析DDVRVDD),(DDDVIDDVR(4-17)2.4二极管基本电路及分析方法二极管是一种非线性器件,在大信号工作时，其非线性表现为单向导电性，而导通后所呈现的非线性往往是次要的。在不同条件下，可采用不同的近似方法来等效二极管。通常采用三种模型：１、理想模型２、简化模型３、折线模型3.4.2晶体二极管的模型(4-18)2.4.1晶体二极管的模型一、理想模型正向：UD(on)=0反向：IR=0理想二极管：ui(4-19)二、恒压模型简化二极管：iuB0BUD(on)UD(on)正向：UD(on)=0.7Si0.3GeVV反向：IR=02.4.1晶体二极管的模型(4-20)三、折线模型折线二极管：iuB0BUD(on)正向：UD(on)=0.7Si0.3GeVV反向：IR=0UD(on)rD2.4.1晶体二极管的模型(4-21)三、折线模型iuB0BUD(on)VD(on)rDUriTDD1iUDT1/UTUUSTIeD1v/VD(1)uTSdIed1DDiuddDuiddDuiDr26()iDmV2.4.1晶体二极管的模型(4-22)2.4.2二极管基本应用电路一、整流二、限幅三、电平选择(4-23)1、半波整流一、整流(4-24)2、全波整流U2aU2bU2aU2bU2bU2aU2aU2bU2aU2b(4-25)2、全波整流U2U2U2U2(4-26)(4-27)当输入信号电压在一定范围内变化时,输出电压随输入电压相应变化；当输入电压超出该范围时,输出电压保持不变。•将输出电压vo开始不变的电压值称为限幅电平。•当输入电压高于限幅电平时,输出电压保持不变的限幅称为上限幅。•当输入电压低于限幅电平时,输出电压保持不变的限幅称为下限幅。二.限幅电路限幅的概念(4-28)VDui＋－uo＋－RE并联二极管上限幅电路二、限幅改变Ｅ值就可改变限幅电平。(4-29)Ｅ＝０V,限幅电平为０V。uｉ＞０时二极管导通,uo＝０V；ui＜０V,二极管截止,uo＝uｉ。波形如图(a)所示。０＜Ｅ＜Um,则限幅电平为＋Ｅ。uｉ＜Ｅ,二极管截止,uo＝uｉ；uｉ＞Ｅ,二极管导通,uo＝Ｅ。波形图如图(ｂ)所示。－Um＜Ｅ＜０,则限幅电平为-E,波形图如图(ｃ)所示。(4-30)tuiO(b)EuotOEtui(a)UmuoOt－UmOtuiO(c)－Euo－EOt二极管并联上限幅电路波形关系Ｅ＝０V－Vm＜Ｅ＜００＜Ｅ＜Vm(4-31)•并联下限幅电路UDUi+Uo+ER•并联上限幅电路UDUi+Uo+ER(4-32)•串联限幅电路(4-33)VD1Vi+-Vo+-RE1VD2E2+--+•双向限幅电路(4-34)2.4.2二极管基本应用电路一、整流二、限幅三、电平选择(4-35)三、电平选择电路图(a)给出了一个二极管电平选择电路，其中二极管D1和D2为理想二极管，输入信号ui1和ui2的幅度均小于电源电压E，波形如图(b)所示。分析电路的工作原理，并作出输出信号uo的波形。REui2uotui1(a)D1ui1D2tui20tuo0(b)0(4-36)解：因为ui1和ui2均小于E，所以D1和D2至少有一个导通。（1）设ui1ui2，则D1导通，D2截止，uo=ui1，（2）当ui1ui2，则D2导通，D1截止，uo=ui2；（3）当ui1=ui2时，D1和D2才同时导通，uo=ui1=ui2。（4）功能：电路完成低电平选择，当高、低电平分别代表逻辑1和逻辑0时，就实现了逻辑“与”运算。REui2uotui10(a)D1ui1D2tui20tuo0(b)110110001000(4-37)四、二极管门电路VAVoVD1RVCCVD2VD3VBVC•二极管“与”门电路(4-38)2二极管门电路VAVoVD1RVD2VD3VBVC•二极管“或”门电路(4-39)2.5特殊二极管稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管。伏安特性曲线与二极管的伏安特性曲线完全一样。2.5.1稳压二极管及基本应用电路（b）伏安特性(c)应用电路(b)(c)(a)符号9(4-40)一、稳压作用电流增量很大的变化，只引起电压增量很小的变化。稳压特性(4-41)(1)稳定电压UZ——在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。二、主要参数(4-42)(2)最大耗散功率PZM——稳压管的最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为PZ=UZIZ，由PZM和UZ可以决定IZmax。(4)最大稳定工作电流IZmax和最小稳定工作电流IZmin—————稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax=UZIZmax。而Izmin对应UZmin。若IZ＜IZmin则不能稳压。二、主要参数(4-43)(5)稳定电压温度系数——VZ•温度的变化将使VZ改变，在稳压管中当VZ＞5.7V时，VZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。•当VZ＜5.7V时，VZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。•当5V＜VZ＜7V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。二、主要参数(4-44)2、电阻的作用一是起限流作用，（1）保护稳压管（2）当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化起到稳压作用。三、应用3、使用时必须对流过管子的电流加以控制1、稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。(4-45)三、应用a、反偏；b、IZ必须在稳定最小电流IZmin和最大电流IZmax之间，即:IZminIZIZmax工作条件：IZDZILRLV0ViR+-(4-46)三、应用工作条件：IZminIZIZmax1、Ui=Uimin，RL=RLMin时IZ最小：minminUUUizzZLIRRminZIminminminminUUUizLLZzRRRImaxRIZDZILRLV0ViR(4-47)三、应用工作条件：IZminIZIZmax2、Ui=Uimax，RL=RLMax时IZ最大：maxmaxUUUizzZLIRRmaxZImaxmaxmaxmaxUUUizLLZzRRRIminRminmaxRRR结论：IZDZILRLU0UiR(4-48)其它二极管•变容二极管•光电子器件•光电二极管•发光二极管•激光二极管(4-49)(4-50)优点：•开关频率高•正向压降低缺点：反向击穿电压比较低(4-51)(4-52)晶体二极管图片(4-53)(4-54)(4-55)108642－12－0.8－0.4－8－400.40.81.2－60℃20℃90℃90℃20℃－60℃I/mAU/V80604020－20－10－200－100－50℃20℃75℃75℃－50℃I/mAU/V20℃－300－300－200－100(a)2AP22(锗管)的伏安特性曲线(b)2CP10～20(锗管)的伏安特性曲线01(4-56)3.3.3晶体二极管的参数一、直流电阻二、交流电阻viDDDR二极管两端所加的直流电压VD与流过的直流电流ID之比。二极管在其工作状态（VD，ID）的电压微变量与电流微变量之比。DD(,V)viDQDQDIrDD(,V)vDQDQIddiDvDQdrdiVTDQIv/VVTTQIe26()()DDQmArI在常温下：由得：Dv/VDi(1)TsIe(4-57)**3.3.3晶体二极管的温度特性1、温度对反向电流的影响：•硅二极管温度每增加10℃，反向电流将约增加一倍；•锗二极管温度每增加12℃，反向电流大约增加一倍。2、温度对正向压降的影响：•每增加1℃，正向压降VF(VD)大约减小2mV，即具有负的温度系数。反向电流增加正向压降减少(4-58)温度对二极管伏安特性曲线的影响图示(4-59)**3.3.3晶体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：(4-60)