模擬電子技術(shù)_二極管基礎(chǔ)知識

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1、 緒 論 0.1 電 子系統(tǒng) 概 述0.2 模擬 信號 與 數(shù) 字信號0.3 電 路仿真 軟 件簡 介 0.1 電 子系統(tǒng) 概 述 當(dāng) 今 世 界 已 進(jìn) 入 電 子 信 息 化 時 代 , 各 式 各 樣 的 電 子 系 統(tǒng) 已 經(jīng) 被 用 于電 力 、 通 信 、 控 制 、 計(jì) 算 機(jī) 、 自 動 化 等 工 業(yè) 領(lǐng) 域 , 并 廣 泛 應(yīng) 用 于 社 會 的其 它 各 個 領(lǐng) 域 , 給 人 們 的 工 作 、 學(xué) 習(xí) 和 生 活 帶 來 了 巨 大 的 變 化 。 電 子 系統(tǒng) 在 我 們 的 日 常 生 活 中 是 很 常 見 的 。 凡 是 可 以 完 成 一 個 特 定 功 能

2、 的 完 整 的 電 子 裝 置 都 可 以 稱 為 是電 子 系 統(tǒng) 。 一 個 復(fù) 雜 的 電 子 系 統(tǒng) 是 由 子 系 統(tǒng) 或 一 些 功 能 塊 所 組 成 。 它主 要 由 信 號 的 發(fā) 射 端 、 信 號 的 傳 輸 信 道 和 信 號 的 接 收 端 所 組 成 。 l信 息 源 是 指 需 要 傳 送 的 原 始 信 息 , 一 般 是 非 電 物 理 量 。 如 語 言 、 音 樂 、 圖像 、 文 字 、 數(shù) 據(jù) 等 。 因 此 , 這 些 原 始 信 息 需 經(jīng) 過 輸 入 換 能 器 轉(zhuǎn) 換 成 攜 帶 欲 傳送 信 息 的 電 信 號 ( 稱 為 基 帶 信 號

3、) 后 , 方 可 送 入 發(fā) 送 設(shè) 備 , 將 其 變 成 適 合 于信 道 傳 輸 的 電 信 號 。 若 需 傳 送 的 信 息 本 身 已 是 電 信 號 時 , 則 可 直 接 送 入 發(fā) 送設(shè) 備 。 發(fā) 送 設(shè) 備 的 作 用 是 將 基 帶 信 號 變 換 ( 調(diào) 制 ) 成 適 合 信 道 傳 輸 特 性 的 頻帶 信 號 ( 稱 為 調(diào) 制 信 號 ) 并 放 大 到 信 號 發(fā) 射 所 需 要 的 功 率 。l信 道 又 稱 為 傳 輸 媒 介 , 是 連 接 發(fā) 、 收 兩 端 的 信 號 通 道 。 通 信 系 統(tǒng) 中 的 信 道分 為 兩 大 類 : 一 類 是

4、有 線 信 道 , 如 架 空 明 線 、 電 纜 、 光 纖 等 ; 另 一 類 就 是 無線 信 道 , 如 自 由 空 間 、 地 球 表 面 等 。l信 號 的 接 收 端 由 接 收 設(shè) 備 、 輸 出 換 能 器 和 受 信 者 組 成 。 接 收 設(shè) 備 的 作 用 是接 收 信 道 傳 送 過 來 的 已 調(diào) 波 信 號 并 進(jìn) 行 處 理 ( 解 調(diào) ) , 以 恢 復(fù) 出 與 發(fā) 射 端 相一 致 的 基 帶 信 號 , 然 后 經(jīng) 由 輸 出 換 能 器 變 換 成 原 來 形 式 的 信 息 , 如 聲 音 、 圖像 等 , 供 受 信 者 使 用 。 0.2 模擬 信

5、號 與 數(shù) 字信號 模擬 信號 ,是指“模擬 ”物理量的變 化(如聲 音、溫 濕度等的變 化)所得出的電 壓 或電 流信號 。模擬 信號的特點(diǎn)是,在時 間 和幅值 上均是連 續(xù) 的,在一定動態(tài) 范圍 內(nèi) 取任意值 。 數(shù) 字信號 是離散的、不連 續(xù) 的信號 。數(shù) 字信號 的幅值 是有限的,通常用二進(jìn) 制(例如只有兩 種 可能的幅值 )來 表示。電 腦 鍵 盤 的輸 出屬 于典型的數(shù) 字信號 。 根 據(jù) 電 子 系 統(tǒng) 工 作 時 所 處 理 的 信 號 形 式 的 不 同 , 通 常將 電 路 分 為 模 擬 電 路 和 數(shù) 字 電 路 兩 大 類 。 處 理 模 擬 信 號 的電 路 稱 為

6、 模 擬 電 路 , 而 處 理 數(shù) 字 信 號 的 電 路 則 稱 為 數(shù) 字 電路 。 0.3 電 路仿真 軟 件簡 介 隨 著計(jì) 算機(jī)技術(shù) 的飛 速發(fā) 展,電 子電 路的分析與 設(shè) 計(jì)手段發(fā) 生了重大變 革,電 路設(shè) 計(jì) 可以通過 計(jì) 算機(jī)輔 助設(shè)計(jì) (Computer Aided Design,簡 稱 CAD)和仿真 技術(shù)來 完成。計(jì) 算機(jī)仿真 技術(shù) 在教 學(xué) 中的應(yīng) 用,可以代替大包大攬 的試 驗(yàn) 電 路,大大減 輕 驗(yàn) 證 階 段的工作量;其強(qiáng)大的實(shí) 時 交互性、信息的集成性和生動 的直觀 性,為 電子專 業(yè) 教 學(xué) 創(chuàng) 設(shè) 了良好的平臺,極 大地激發(fā) 了學(xué) 生的學(xué)習(xí) 興 趣;能夠

7、 突出教 學(xué) 重點(diǎn)、突破教 學(xué) 難 點(diǎn);并 能保存仿真 中產(chǎn) 生的各種 數(shù) 據(jù),為 整機(jī)檢 測 提供參 考數(shù) 據(jù),還可保存大量的單 元電 路、元器件的模型參 數(shù) 。采用仿真軟 件能滿 足電 子電 路整個 設(shè) 計(jì) 及驗(yàn) 證 過 程的自動 化。 常見 的電 路仿真 軟 件有EWB,Protel,ORCAD,PSPIC,Multisim等等。目前比較 流行的電 路仿真 軟 件是multisim和Pspice。 Multisim是一個 專 門 用于電 子線 路仿真 與 設(shè) 計(jì) 的 EDA 工具軟件。它 的前身為 加拿大Interactive Image Technologies 公司(簡 稱 IIT公

8、司)于20世紀(jì) 80年代推出的EWB(Electronics Workbench)軟 件。它 以其界面形象直觀 、操作方便、分析功能強(qiáng)大、易學(xué) 易用等突出優(yōu) 點(diǎn),早在20世紀(jì) 90年代就在我國 得到迅速推廣,并 作為 電 子類 專 業(yè) 課 程教 學(xué) 和實(shí) 驗(yàn) 的一種 輔 助手段。 作為 Windows 下運(yùn) 行的個 人桌 面電 子設(shè) 計(jì) 工具,Multisim 是一個 完整的集成化設(shè) 計(jì) 環(huán) 境。而且Multisim計(jì) 算機(jī)仿真 與 虛 擬儀 器技術(shù) 可以很好的解決 理論 教 學(xué) 與 實(shí) 際 動 手實(shí) 驗(yàn) 相脫 節(jié) 的這一老大難 問 題 。學(xué) 員 可以很好地、很方便地把剛 剛 學(xué) 到的理論知識

9、 用計(jì) 算機(jī)仿真 真 實(shí) 的再現(xiàn) 出來 。并 且可以用虛 擬 儀 器技術(shù)創(chuàng) 造出真 正屬 于自己的儀 表。極 大地提高了學(xué) 員 的學(xué) 習(xí) 熱 情和積 極 性。真 正的做到了變 被動 學(xué) 習(xí) 為 主動 學(xué) 習(xí) 。 第 1章 半 導(dǎo) 體 二 極 管 及 其 應(yīng) 用 學(xué) 習(xí) 目標(biāo) 了解半導(dǎo) 體的基礎(chǔ) 知識 掌握PN結(jié) 的單 向?qū)?電 性 了解半導(dǎo) 體二極 管的結(jié) 構(gòu) 及類 型,掌握二極 管的伏安特性及主要參 數(shù) 掌握二極 管的分析方法和基本應(yīng) 用 了解常用特殊二極 管及其應(yīng) 用 1.1 半 導(dǎo) 體 的 基 本 知 識1.2 半 導(dǎo) 體 二 極 管1.3 半 導(dǎo) 體 二 極 管 電 路 的 分 析 方

10、 法 及 其 應(yīng) 用1.4 特 殊 二 極 管*1.5 電 路 仿 真 實(shí) 例 1.1 半導(dǎo) 體基礎(chǔ) 知識1.1.1 半導(dǎo) 體的概 念及特性 自然界中所有的物質(zhì) 根據(jù)其導(dǎo) 電 性能的不同劃分為 :導(dǎo) 體、半導(dǎo) 體、絕 緣 體。導(dǎo) 體一般為 低價元素,如金、銀 、銅 、鋁 等;絕 緣 體一般為 高價元素,如橡膠 、塑料、木材等;顧 名思義 ,半導(dǎo) 體的導(dǎo) 電性能介于導(dǎo) 體與 絕 緣 體之間 。 半導(dǎo) 體材料之所以可制成各種 電 子器件,是因?yàn)?其具有以下獨(dú) 特性質(zhì) : 光敏性:在光照條 件下,其導(dǎo) 電 性能將 顯 著增加。利用光敏性可制成光敏元件。 熱 敏性:在熱 輻 射條 件下,其導(dǎo) 電 性能

11、也將 顯著增加。利用熱 敏性可制成熱 敏元件。 摻 雜 性:摻 入特定的雜 質(zhì) 元素時 ,其導(dǎo) 電 性能顯 著增加,并 具有可控性。 1. 本征半導(dǎo) 體及其特性 (1)本征半導(dǎo) 體本征半導(dǎo) 體純 凈 的具有晶體結(jié) 構(gòu) 的半導(dǎo) 體。 本 征 半 導(dǎo) 體 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 (2) 本征半導(dǎo) 體的特性載 流子可移動 的電 荷??昭ü矁r鍵 吸附引起的載 流子。在一定溫 度下,本征半導(dǎo) 體中載 流子的產(chǎn) 生和復(fù) 合兩 種運(yùn) 動 將 達(dá) 到動 態(tài) 平衡。 ii pn 硅和鍺 的本征載 流子濃 度與 溫 度的關(guān) 系為 : 顯 然,本征載 流子的濃 度對 溫 度十分敏感,隨 溫 度的上升而迅速增大,這 正是

12、半導(dǎo) 體的重要特性熱 (或光)敏性。 但在室溫 時 ,本征半導(dǎo) 體的導(dǎo) 電 能力很弱,且不受控制,故不能直接用于制作半導(dǎo) 體器件。 KTEii geATTpTn 223 2.雜 質(zhì) 半導(dǎo) 體及其特性(1)N型半導(dǎo) 體(電 子型半導(dǎo) 體) 型 半 導(dǎo) 體磷素純 凈 的 硅 晶 體 五 價 元 NN 自 由 電 子 多 數(shù) 載 流 子型 半 導(dǎo) 體 空 穴 少 數(shù) 載 流 子 制 作 擴(kuò) 散 工 藝 少 量 特 定 雜 質(zhì) (2)P型半導(dǎo) 體(空穴型半導(dǎo) 體) 型 半 導(dǎo) 體硼素純 凈 的 硅 晶 體 三 價 元 PP 空 穴 多 數(shù) 載 流 子型 半 導(dǎo) 體 自 由 電 子 少 數(shù) 載 流 子

13、(3) 雜 質(zhì) 半導(dǎo) 體的特性 載 流子的濃 度 多子濃 度取決 于雜 質(zhì) 的濃 度 雜 質(zhì) 半導(dǎo) 體的電 中性 在無外加電 場 條 件下,雜 質(zhì) 半導(dǎo) 體是呈現(xiàn) 電 中性的。 轉(zhuǎn) 型 1.1.2 PN結(jié) 的形成及其特性1PN結(jié) 的形成擴(kuò) 散運(yùn) 動 由濃 度高向濃 度低運(yùn) 動漂移運(yùn) 動 電 場 驅(qū) 動 的載 流子運(yùn) 動擴(kuò) 散運(yùn) 動 (多子)與 漂移運(yùn) 動 (少子)的平衡形成PN結(jié) 2PN結(jié) 的特性(1)PN結(jié) 的單 向?qū)?電 性l 外加正向電 壓 (或正向偏置電 壓 ,簡 稱 正偏) 擴(kuò) 散運(yùn) 動 加劇 ,漂移運(yùn) 動 減 弱,多子擴(kuò) 散形成電 流,處 于正向?qū)?通狀 態(tài) 。 l 外加反向電 壓

14、 (或反向偏置電 壓 ,簡 稱 反偏 ) 空間 電 荷區(qū) 變 寬 ,多子擴(kuò) 散電 流為 零,PN結(jié) 呈現(xiàn) 很高的電 阻,處 于反向截止?fàn)?態(tài) 。 少子的漂移運(yùn) 動 增強(qiáng) ,形成電 流。 3.PN結(jié) 的電 容效應(yīng)(1) 勢 壘 電 容(2) 擴(kuò) 散電 容 PN結(jié) 正向偏置,擴(kuò) 散電 容較 大;PN結(jié) 反向偏置時 ,擴(kuò) 散電 容很小,可以忽略不計(jì) 。 1.2 半導(dǎo) 體二極 管1.2.1 二極 管的結(jié) 構(gòu) 、類 型及特點(diǎn) 1.二極 管的結(jié) 構(gòu)2.二極 管的類 型及特點(diǎn)(1)點(diǎn)接觸 型 (2)面接觸 型 (3)平面型 1.2.2 二極 管的伏安特性及主要參 數(shù)1.二極 管的伏安特性(1)二極 管的伏安

15、特性方程 i為 流過 PN結(jié) 的電 流 ,IS為 流過 PN結(jié) 的反向飽 和電 流 1 TUuS eIi 。 時 ,常 溫 下 , mVU CKTT o26 27300 (2)二極 管的伏安特性曲線 正向特性在AB段,,電 流近似為 0,稱 為 死區(qū) 。在BC段 ,電 流按平方律上升;在CD段,電 流近似線 性規(guī) 律迅速上升。 反向特性: 這 時 只有少數(shù) 載 流子在反向電 壓 作用下的漂移運(yùn) 動 形成微弱的反向電 流IS,且?guī)缀醪浑S 反向電 壓 的增大而增大 。但反向電 流IS隨溫 度的變 化。 反向擊 穿特性: 當(dāng) 反向電 壓 大于UBR(反向擊 穿電 壓 )時 ,反向電 流急劇 增大,這

16、種 現(xiàn) 象稱 為 二極 管的擊 穿。(3) 溫 度對 二極 管伏安特性的影響 溫 度上升,二極 管的正向特性曲線 左移(正向壓 降減 小),反向特性曲線 下移(反向電 流增大)。 2.二極 管的主要參 數(shù)(1)最大整流電 流IFM(2)最高反向工作電 壓 URM(3)反向擊 穿電 壓 UBR(4)反向電 流IR(5)最高工作頻 率fM 1.2.3 半導(dǎo) 體分立器件型號 命名方法 1.3 半導(dǎo) 體二極 管電 路的分析方法及其應(yīng) 用1.3.1 二極 管電 路的分析方法 二極 管是一種 非線 性器件,含有二極 管的電 路是非線 性電 路。分析設(shè) 計(jì) 方便,將 二極 管的伏安特性進(jìn) 行線 性化處理,并

17、 建立相應(yīng) 的“線 性模型” 。1.理想模型2.恒壓 源模型 3.折線 模型4.小信號 模型(微變 等效電 路) DDD iur TDUuTSDUuSDDD UieUIdueIduir TDTD / 11 DTD iUr 1.3.2 半導(dǎo) 體二極 管的基本應(yīng) 用電 路1.整流與 檢 波電 路 整流與 檢 波電 路的工作原理相同,都是利用二極 管的單 向?qū)щ?特性,將 交變 的雙 向信號 轉(zhuǎn) 變 成單 向脈動 的信號 。2.鉗 位電 路【例1.1】如圖 所示為 一鉗 位電 路,設(shè) 二極 管的正向壓 降為 0.7V。試 分析電 路的輸 入與 輸 出之間的關(guān) 系。 3.限幅電 路【例1.2】如圖 所

18、示為 一雙 向限幅電 路。設(shè) 直流電 壓 源 U1=-U2。輸 入信號 ui為 正弦信號 ,ui =Umsinwt,且Um U1 ,試 分析工作原理,并作出輸 出電 壓 uo的波形。 1.4 特殊二極 管1.4.1 穩(wěn) 壓 二極 管及其應(yīng) 用1.穩(wěn) 壓 管的伏安特性和電 路符號 2.穩(wěn) 壓 管的工作原理 在反向擊 穿時 ,在一定的電 流范圍 內(nèi) ,端電 壓 幾乎不變 ,即能夠 起到穩(wěn) 壓 的作用。 3.穩(wěn) 壓 管的主要參 數(shù)(1)穩(wěn) 定電 壓 UZ(2)穩(wěn) 定電 流IZ(3)動 態(tài) 電 阻rZ: rZ越小,穩(wěn) 壓 越好。(4)最大允許 耗散功率PZM 4.使用穩(wěn) 壓 管的注意事項(xiàng)(1)穩(wěn) 壓

19、管應(yīng) 工作在反向擊 穿狀 態(tài) 。(2)穩(wěn) 壓 管的工作電 流范圍 為 I Zmin IZmax(3)穩(wěn) 壓 管工作時 必須 串聯(lián) 限流電 阻。(4)穩(wěn) 壓 管可以串聯(lián) 使用,但不可并 聯(lián) 使用。 5.典型應(yīng) 用 (1)并 聯(lián) 式穩(wěn) 壓 電 路 負(fù) 載 電 阻不變 ,輸 入電 壓 Ui變 化時 : 輸 入電 壓 Ui不變 ,負(fù) 載 電 阻變 化時 : (2)限幅電 路 1.4.2 其它 常用二極 管簡 介1.變 容二極 管 【例題 1.3】分析變 容二極 管典型應(yīng) 用電 路。 2.發(fā) 光二極 管 發(fā) 光二極 管以其功耗低、體積 小、色彩艷 麗 、響 應(yīng) 速度快、抗震動 、壽 命長 等優(yōu) 點(diǎn),廣泛

20、用作電 子設(shè) 備 的顯示器件(如音響 設(shè) 備 中的電 平指示器、電 源指示器),可單 個 使用,也可制作成7段式顯 示器或矩陣 式顯 示器。 【例題 1.4】分析發(fā) 光二極 管用作電 源指示器的電 路。 3. 光電 二極 管 【例題 1.5】分析采用光電 二極 管設(shè) 計(jì) 的光控節(jié) 能路燈電 路。 1.4.3二極 管的選 用原則1.選 用二極 管的一般原則(1)要求正向壓 降小時 ,應(yīng) 選 擇 鍺 管;要求反向電 流 小時 ,應(yīng) 選 擇 硅管。(2)要求工作電 流大時 ,應(yīng) 選 擇 面接觸 型二極 管;要 求工作頻 率高時 ,應(yīng) 選 擇 點(diǎn)接觸 型二極 管。(3)要求反向擊 穿電 壓 高時 ,應(yīng)

21、 選 擇 硅管。(4)要求耐高溫 時 ,應(yīng) 選 擇 硅管。 2. 使用二極 管的注意事項(xiàng) (1)在電 路中應(yīng) 按注明的極 性進(jìn) 行連 接。 (2)同一型號 的整流二極 管方可串聯(lián) 、并 聯(lián) 使用。在串聯(lián)或并 聯(lián) 使用時 ,應(yīng) 視 實(shí) 際 情況 決 定是否需要加入均衡(串聯(lián)均壓 、并 聯(lián) 均流)電 阻。 (3)引出線 的焊 接或彎 曲處 ,離管殼 距離不得小于10mm。為 防止因焊 接時 過 熱 而損 壞,應(yīng) 使用小功率的電 烙鐵 ,焊 接時 間 不應(yīng) 超過 23s。 (4)工作在高頻 或脈沖電 路中的二極 管,引線 要盡 量短。 (5)切勿超過 手冊 中規(guī) 定的最大允許 電 流值 和電 壓 值

22、 。 (6)二極 管的替換 :硅管和鍺 管不能互相代用;所替換 的二極 管的主要參 數(shù) 要高于被替換 的二極 管;根據(jù)工作特點(diǎn),還 應(yīng) 考慮 其他特性,如最高工作頻 率及開 關(guān) 速度等。 *1.5電 路仿真 實(shí) 例【例題 1.6】 分析二極 管鉗 位電 路解:利用Multisim 分析【例1.1】中圖 1.14所示的鉗 位電 路。首先打開 Multisim10.0軟 件開 發(fā) 環(huán) 境,然后按圖 1.14繪出電 路,如圖 1.25所示,最后進(jìn) 行仿真 ,得到如圖 1.26的分析結(jié) 果?!痉抡?圖 】 【例題 1.7】 分析二極 管單 向限幅電 路 解:利用Multisim 分析如圖 1.27所示

23、的二極 管組 成的單 向限幅電 路。首先打開 Multisim10.0軟 件開 發(fā) 環(huán) 境,然后按圖 1.27繪 畫 電 路,最后進(jìn) 行仿真 得到如圖 1.28的分析結(jié) 果。【仿真 圖 】 圖 1.27 圖 1.28 本章內(nèi) 容主線 :半導(dǎo) 體基本知識 PN結(jié) 及其特性半導(dǎo) 體二極 管二極 管電 路的分析方法及應(yīng) 用常用特殊二極 管簡 介。1、半導(dǎo) 體材料具有熱 敏性、光敏性和摻 雜 性。在本征半導(dǎo)體中摻 入不同雜 質(zhì) 便形成N型半導(dǎo) 體和P型半導(dǎo) 體,通過控制摻 入雜 質(zhì) 的多少就可以有效地改變 其導(dǎo) 電 性。半導(dǎo) 體中有自由電 子和空穴兩 種 載 流子,這 是不同于金屬 導(dǎo) 電 的重要特點(diǎn)

24、。2、將 N型和P型兩 種 雜 質(zhì) 半導(dǎo) 體制作在同一個 硅片(或鍺 片)上,在其交接面處 會 形成PN結(jié) ,PN結(jié) 是構(gòu) 成半導(dǎo) 體器件的重要環(huán) 節(jié) 。PN結(jié) 具有單 向?qū)?電 性、反向擊 穿特性、溫度特性和電 容效應(yīng) 。小結(jié) 3、將 一個 PN結(jié) 封裝并 引出電 極 后便構(gòu) 成半導(dǎo) 體二極 管,主要有點(diǎn)接觸 型、面接觸 型和平面型。半導(dǎo) 體二極 管具有跟PN結(jié) 一樣 的特性。常用伏安特性( )來 描述半導(dǎo) 體二極 管的性能,其數(shù)學(xué) 表達(dá) 式為 。二極 管的主要參 數(shù) 有最大整流電 流 和反向擊 穿電 壓 等,這 些參 數(shù) 是實(shí) 際 工作中合理選 用和正確使用器件的主要依據(jù)。4、二極 管電

25、路的分析方法,主要采用模型分析法。在分析電 路的靜 態(tài) 情況 時 ,若精度要求不高時 ,一般選 擇 理想模型;若精度要求較 高時 且外加電 壓 遠(yuǎn) 遠(yuǎn) 大于管壓 降(一般為 10倍以上)時 ,應(yīng) 選 擇 恒壓 源模型,否則 應(yīng) 選 擇 折線 模型。而小信號 模型則 用在電 路中既 有直流成分,又有交流小信號 的情況 。5、利用二極 管可實(shí) 現(xiàn) 整流、檢 波、限幅、鉗 位等電 路功能。6、常用的特殊二極 管有穩(wěn) 壓 管、變 容二極 管、發(fā) 光二極 管、光電二極 管等。特殊二極 管與 普通二極 管一樣 ,具有單 向?qū)?電 性。利用PN結(jié) 擊 穿時 的特性可制成穩(wěn) 壓 二極 管,利用發(fā) 光材料可制成發(fā) 光二極 管,利用PN結(jié) 的光敏性可制成光敏二極 管。 iu 1TUuS eIi FMIBRU

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