模拟电子技术教学指导习题解答第01章.doc

课程教学课时分配方案模拟电子技术课程是电子信息类、电气信息类各专业（含电子信息、通信工程、应用电子技术、电气自动化等专业及相关专业）的专业基础课，涉及的专业很多，各学校的教学诉求、教学侧重点有所不同；另一方面，作为一本理论教学的参考书、实验与技能操作训练的指导书和基本电路的使用手册，在教材的结构上，本书除理论讲述外，每个章节都安排有丰富的课堂活动内容，每章都编有计算机Multisim仿真、实验与技能操作训练、小结和习题等内容，可供选择、编排的内容较多。而各学校模拟电子技术课程教学课时的数量、教学内容的选择和课时的安排有较大的差异，因此，各学校可根据教学实际的需要，适当地取舍、灵活地安排。编者根据本校的教学情况和自己的教学经验，给出了三种课时的分配方案，仅供参考。教材中标有“*”的内容属于加深加宽或自学阅读的参考内容，下面的课时分配中不包括此类内容，教师可根据学时情况和专业要求适当选择。方案一：96教学课时数的课时分配序号章 节课时分配理论课习题课实验课其它共计0*导言1第1章 半导体二极管及其应用622102第2章 半导体三极管622103第3章 基本放大电路1224184第4章 集成运算放大器4265第5章 负反馈放大电路6286第6章 集成运算放大器的应用622107第7章 功率放大电路4268第8章 信号产生电路6289第9章 直流稳压电源62810*第10章晶闸管电路11*附录12课程设计、制作、测试8813机动、复习4合计568201296方案二：78教学课时数的课时分配序号章 节课时分配理论课习题课实验课其它共计0*导言1第1章 半导体二极管及其应用422102第2章 半导体三极管422103第3章 基本放大电路1022184第4章 集成运算放大器4265第5章 负反馈放大电路4286第6章 集成运算放大器的应用42107第7章 功率放大电路4268第8章 信号产生电路4289第9章 直流稳压电源42810*第10章晶闸管电路11*附录12课程设计、制作、测试8813机动、复习4合计426181278方案三：64教学课时数的课时分配序号章 节课时分配理论课习题课实验课其它共计0*导言1第1章 半导体二极管及其应用42102第2章 半导体三极管422103第3章 基本放大电路1022184第4章 集成运算放大器465第5章 负反馈放大电路4286第6章 集成运算放大器的应用42107第7章 功率放大电路268第8章 信号产生电路2289第9章 直流稳压电源4810*第10章晶闸管电路11*附录12课程设计、制作、测试8813机动、复习2合计386101064第1章半导体二极管及其应用本章基本内容、教学要点及能力培养目标由于半导体二极管是非线性器件，因此使用了描述二极管特性的伏安特性曲线的近似的线性模型来进行二极管工作状态的判断和电路的分析。这些概念和方法贯穿了整个模拟电子技术的学习过程，是学习电子线路的基础。通过本章的学习，要了解二极管的工作原理；要掌握二极管的伏安特性、二极管的几种主要近似模型和使用这些模型的条件、二极管电路的分析方法；要熟练掌握二极管正偏和反偏的概念及其单向导电的特性；要熟练掌握二极管的简易测试和二极管工作状态判断的技能；要熟悉普通二极管、稳压二极管、发光二极管的典型应用电路。本章要讨论的问题 PN结及其单向导电的特性？ 二极管及其伏安特性？ 如何用万用表检测二极管？ 用什么方法分析二极管电路？ 二极管有哪些典型应用电路？其工作原理？ 如何分析、排除二极管应用电路的故障？ 如何用Multisim软件分析二极管电路？1.1半导体基础知识重点内容1、PN结；2、PN结的单向导电性。难点内容PN结的形成过程课堂提问和讨论解答T1.1.1PN结是什么？解答：在同一块本征半导体的基片（如硅片）上采用不同的掺杂工艺，生成P型半导体和N型半导体，在它们的交界面处会形成一个由不能移动的带电离子构成的空间电荷区。当由浓度差产生的扩散运动和由内建电场产生的漂移运动达到动态平衡时，交界面处形成的稳定的空间电荷区称为PN结。T1.1.2PN结有什么重要特性？解答：PN结具有单向导电的特性。当外加正偏电压（P，N）时，内电场被削弱，PN结变窄，多子的扩散运动加强，并通过外加电源回路形成正向电流。当外加电压增加至一定数值后，正向电流将显著增加，此时，PN结呈现的电阻很小，外加正向电压对正向电流有很大的影响，称为正向导通状态。当外加反偏电压（P，N）时，由于外加电源产生的外电场的方向与PN结产生的内电场的方向相同，内电场被加强，PN结变宽，漂移运动得到加强，并在外电场的作用下，通过外加电源回路形成反向电流。此时，PN结呈现的电阻很大，反向电流几乎不随外加电压而变化，称为反向截止状态。综上所述，PN结在外加电场的作用下，正偏导通，反偏截止，具有单向导电的特性。T1.1.3PN结的正偏说的是什么？PN结的反偏说的是什么解答：加在PN结上的外加电压称为偏置电压，若P区接电源正极，N区接电源负极，称为正向偏置，简称正偏；反之，若P区接电源负极，N区接电源正极，则称为反向偏置，简称反偏。为了防止正向电流过大而损坏PN结，正偏时应在回路中串接适当大小的限流电阻。1.2半导体二极管重点内容1、二极管的伏安特性；2、二极管的主要参数；3、二极管的简易测试。难点内容1、温度对二极管特性的影响；2、二极管的PN结电容效应。课堂提问和讨论解答T1.2.1什么是二极管的正向偏置和反向偏置？解答：加在二极管两端线间的外加电压称为偏置电压，若阳阴极间电压VAK0，称为正向偏置，简称正偏；反之，若VAK0，称为反向偏置，简称反偏。T1.2.2二极管有什么重要特性？解答：半导体二极管的伏安特性曲线，如图1.2.3所示，是二极管外部特性最直观、形象的表述。与PN结一样，二极管具有单向导电特性。工程上，一般认为，当二极管两端的外加电压大于正向导通压降VD(on)时，二极管导通，当二极管两端的外加电压小于正向导通压降VD(on)时，二极管截止。如图1.2.3所示，二极管的伏安特性曲线是非线性的，所以二极管是非线性元件。它不仅正、反向导电性能差别很大，而且在不同的偏置电压作用下，二极管的直流电阻和交流电阻也是不同的。1. 正向特性对应于图1.2.3的第段为正向特性。当二极管两端所加的正向电压vD（方向从阳极指向阴极）较小时，正向电流几乎为零，二极管呈现的电阻较大，这个区域通常称为死区。当二极管两端的正向电压vD超过一定数值VD(th)后，流过二极管的电流iD将随外加电压依式（1.2.1）按指数规律迅速增长，二极管正向导通。2. 反向特性图1.2.3半导体二极管的伏安特性曲线（a）硅二极管2CZ52的特性曲线 （b）锗二极管2AP15特性曲线对应于图1.2.3的第段为反向特性。二极管在反向电压作用下，反向电流很小，且基本与反向电压的大小无关，二极管反偏截止。由于反向电流是因热激发产生的，所以它对温度非常敏感。当反向电压增加到一定数值VBR时，反向电流剧增，二极管呈现反向击穿状态，如图1.2.3的第段所示。由于PN结已被击穿，故此段的伏安特性不适用于式。T1.2.3工程中，普通小功率二极管正向导通压降VD(on)，硅管取多少？锗管取多少？解答：VD(th) 叫做门坎电压或阀值电压，在室温下，小功率硅管约为0.5V，小功率锗管约为0.1V。正常使用，在二极管所能承受的电流范围内，二极管的正向导通压降VF很小，小功率硅管约为0.60.8V，小功率锗管约为0.20.3V，且几乎维持恒定不变，工程上一般取小功率硅管为0.7V，小功率锗管为0.2V。并用符号VD(on)表示，称为正向导通压降。T1.2.4工程中，普通小功率二极管反向饱和电流，硅管的数量级是多少？锗管的数量级是多少？解答：一般硅管的反向电流比锗管小得多，小功率的硅管的反向饱和电流在nA数量级，小功率锗管在A数量级。T1.2.5温度对二极管的特性有哪些影响？解答：二极管的伏安特性对温度很敏感，温度升高时，二极管的正向特性曲线向左移动，相对于同一正向电流的正向压降减小；反向特性曲线向下移动，反向电流增大。变化的规律是：在室温附近，iD一定时，温度每升高1，正向压降约减小2.5mV；温度每升高10，反向电流约增大一倍。T1.2.6如何使用指针式万用表检测普通小功率二极管？解答：用万用表检测二极管，就是检测二极管的单向导电性。将万用表置于R1k档或R100档（不要用R1档或R10k档，因为R1档测量电流太大，容易烧坏二极管，而R10k档测量电压太高，可能击穿二极管），调零后用表笔分别正、反接于二极管的两端引脚，如图1.2.6所示。一般硅材料的普通小功率二极管正向电阻为几千欧，锗材料的为几百欧；反向电阻，硅管在几百千欧以上，锗管在几十千欧以上。正向电阻越小，反向电阻越大的二极管质量越好。如果正、反两次测得的电阻都很小，说明二极管内部短路；若正、反两次测得的电阻都很大，则说明二极管内部断路；若两次测得的电阻相差不大，则说明二极管性能很差，不能使用。大功率二极管的正、反向电阻数值比小功率二极管的都要小得多。但有一点是相同的，对于一只二极管而言，反向电阻与正向电阻的比值越大，性能越好。测量正向电阻时，黑表笔应连接二极管的阳极，红表笔应连接二极管的阴极；测量反向电阻时，黑表笔应连接二极管的阴极，红表笔应连接二极管的阳极。因为指针式万用表置于欧姆档位时，黑表笔连接的是表内电池的正极，红表笔连接的是表内电池的负极。图1.2.6二极管的简易测试（a）检测方式（b）测量正向电阻（c）测量反向电阻T1.2.7使用二极管应注意哪些问题？解答：二极管的参数是二极管特性的定量描述，是合理选择和正确使用二极管的依据。在使用时，应特别注意电路参数不要超过其最大整流电路IFM和最高反向工作电压VRM，否则二极管容易损坏。IFM指管子长期工作时，允许通过的最大正向平均电流，由PN结的面积和散热条件所决定。实际使用时，应加以限制，以免正向电流过大，若超过此值，有可能烧坏二极管。VRM指二极管工作时所允许施加在二极管两端的最高反向电压，实际工作电压应小于此值，若超过此值二极管就有可能被反向击穿。一般器件手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压VBR的一半，以确保二极管安全工作。反向电流IR是在室温下，二极管未被击穿时的反向电流值。IR越小，说明二极管的单向导电性能越好。结电容Cj是反映二极管中PN结电容效应的参数。在高频或开关状态运用时，必须考虑二极管结电容的影响。最高工作频率fM主要由PN结电容的大小决定。二极管的工作频率超过此值时，结电容的容抗将变得很小，使二极管反偏时的等效阻抗变得很小，从而使二极管可能失去单向导电性，二极管的实际工作频率应远小于此值。在满足上述条件情况下，应尽量选用正向压降、反向电流小的二极管。当工作环境温度较高时，由于二极管的温度敏感性，所选用的二极管参数应留有足够的裕量。1.3二极管电路的分析方法重点内容1、二极管的电路模型：理想模型、恒压降模型、折线模型，交流小信号模型；2、二极管电路的分析方法：图解分析法，微变等效电路分析法。难点内容1、二极管的折线模型、交流小信号模型；2、二极管的直流电阻RD、导通电阻rD、交流电阻rd；3、二极管电路的分析方法。例题详解【例1.3.1】二极管电路如图1.3.5所示，试分别用二极管的（1）理想模型、（2）恒压降模型、（3）折线模型分析计算回路电流ID和输出电压VO。设二极管D为小功率硅管，VD(on)0.7V，rD20。图1.3.5例1.3.1电路（a）电路图 （b）理想等效电路（c）恒压降等效电路 （d）折线等效电路解：如图1.3.5（a）所示电路，通过二极管开始工作前端电压的极性和大小可以判断其工作状态。一般的方法是：断开二极管，并以它的两个电极为端口，利用电位计算的方法或戴维南定理求解端口电压VD。若VD0或VDVD(on) ，则导通；若VD0或VDVD(on)使二极管反偏，则截止。本题示范的是分析判断二极管工作状态的方法。（1）由图1.3.5（b）所示二极管理想等效电路可知，二极管理想模型在电路中相当于一个理想的开关，正向偏置时，二极管导通，正向电阻为0，管压降为0；反向偏置时，二极管截止，流过它的电流为0，反向电阻为无穷大。图中，二极管D开始工作前的外加电压VD（12）（18）V6V0，二极管D正偏导通，导通后，VD0V，有VOVS112V（2）由图1.3.5（c）所示二极管恒压降等效电路可知，二极管恒压降模型在电路中是用一个电压恒定的恒压源VD(on)与一理想二极管（相当于一个理想开关）串联表示。当二极管两端电压VD小于VD(on)时，二极管截止；当VD大于VD(on)时，二极管导通。图中，二极管D开始工作前的外加电压VD（12）18V6V0.7V，二极管D正偏导通，导通后，VD0.7V，有VOVD(on)VS1（0.712）V12.7V（3）由图1.3.5（d）所示二极管折线等效电路可知，二极管折线模型在电路中是用两段折线来近似地表示二极管伏安特性曲线的正向特性，并设定转折点的电压为VD(on)。当二极管开始工作前两端电压VD小于VD(on)时，ID0；当VD大于VD(on)时，二极管等效为导通电阻rD。随着VD的增加，ID沿折线迅速增加，折线的斜率为，斜率的倒数为二极管的导通电阻rD，它表示在大信号作用下，二极管导通后呈现的电阻。图中，二极管D开始工作前的外加电压VD（12）180.7V6V0.7V，二极管D正偏导通，有VOIDRVS2（2.62218）V12.76V【例1.3.2】如图1.3.6所示二极管电路，设D1、D2的正向导通压降都是0.7V，试求输出电压VO。解：从图1.3.6所示电路乍眼一看，二极管D1和D2两端施加的都是大于正向导通压降VD(on)的正向电压，似乎都具备导通条件，但这并不能确定它们都导通。方法一：可沿用【例1.3.1】的分析方法，逐个断开D1和D2，分别计算VD1和VD2，以分别判断D1和D2的状态，有（1）将D1断开，D2正偏导通，VD1（0.76）V5.3V0，D1反偏截止；（2）将D2断开，D1正偏导通，VD2（0.76）V6.3V0.7V，D2正偏导通。（3）综上所述，D1截止，D2导通，输出电压VO（0.76）V5.3V方法二：可对D1、D2分别进行判断，先将电路中要判断的那个二极管短路，而将其它的二极管断开；再看被短路的二极管中流过的电流，哪个二极管中的电流大，那个二极管就首先导通，从而有ID1mA6mA；ID2mA9mA；ID2ID1所以，D2首先导通。D2导通后，VD1（0.76）V5.3V0，D1反偏截止，有VO（0.76）V5.3V方法三：可将D1、D2全部开路，分析二极管两端的电压，哪个二极管两端的电压大，那个二极管就首先导通。VD112V0.7V，VD2（126）V18V0.7V，且VD2VD1，所以D2首先导通。D2导通后，VD1（0.76）V5.3V0，D1反偏截止，有VO（0.76）V5.3V图1.3.6例1.3.2电路另外，用Multisim仿真，可以方便地验证哪个二极管，哪个二极管截止；而在实际电路中，用测量二极管两端在路电压的方法，既可判断二极管的工作状态，也可判断二极管的好坏与否。【例1.3.3】二极管电路如图1.3.7（a）所示，输入信号vi（t）的波形如图1.3.7（b）所示。设二极管D的正向导通压降VD(on)0.7V，导通电阻rD30，试画出输出电压vo（t）的波形，并标出各个转折点的纵坐标数值。图1.3.7例1.3.3电路（a）二极管电路 （b）输入信号波形解：如图1.3.7（a）所示，二极管D的工作状态取决于电路中的直流电源VS与交流信号vi（t）的幅值关系。由二极管折线模型，有等效电路如图1.3.8（a）所示。二极管D开始工作前的外加电压vDvi（t）VSvi（t）4V当VD0.7V，即vi（t）4.7V时，二极管D截止，vo（t）4V；图1.3.8例1.3.2折线等效电路及输出波形（a）折线等效电路 （b）vi（t）、vo（t）输出波形图当VD0.7V，即vi（t）4.7V时，二极管D导通，；当vi（t）10V时，vo（t）6.48V。由此可画出vo（t）的波形如图1.3.8（b）所示。【案例分析1.3.1】如图1.3.10（a）所示的二极管电路，VDD为直流电压源，vi为交流小信号电压源，C为隔离直流、耦合交流信号的耦合电容，设定它对交流信号的容抗近似为0，试求流过二极管的电流iD和输出电压vO。分析、求解：图解分析法和微变等效电路分析法是电子线路中常用的两种分析计算方法。图解分析法常用于非线性器件的大信号分析，微变等效电路分析法常用于既有直流信号又有交流小信号（工程上，既定其幅值小于5.2mV）的电子线路的综合分析。在本小节引入二极管电路的图解分析法和微变等效电路分析法的目的，一是在较简单的二极管电路中开始讲述，不但分散了在三极管电路中讲解时的压力，而且更符合循序渐近的认知规律；二是在此基础上引出的二极管交流小信号模型更加清晰自然，概念更准确，更容易理解、掌握。在本题中，由于加在二极管两端的电压既有直流成分，又有小信号交流成分，所以流过二极管的电流和输出的电压信号中也既有直流成分，又有小信号交流成分。如前所述，对于这种电路，常用的方法是对直流成分和交流成分分别进行分析，然后再进行综合。如图1.3.10（a）所示，如用二极管的恒压降模型和交流小信号模型做等效变换，可将非线性的器件二极管视为线性器件，由叠加定理：（1）当VDD单独作用（vi0）时，等效电路如图1.3.10（b）所示， VQVD(on)对应的二极管的直流电阻 由于二极管伏安特性的非线性，所以直流（静态）工作点Q的位置变化，直流电阻RD的大小亦随之变化。如用二极管的折线模型等效变换，则有二极管的导通电阻rD。rD常用来分析大信号工作状态下的二极管电路，（2）当vi单独作用（VDD0）时，等效电路如图1.3.10（c）所示。由于输入信号Vi为幅值较小的低频信号（称为交流小信号），二极管两端的电压及通过它的电流将在其特性曲线上某一固定点Q（直流工作点）附近作微小的变化。如果只研究这一固定点Q附近电压微变量与电流微变量之间的关系时，可以用特性曲线在该Q点的切线来替代这一小段特性曲线，即将曲线作线性化处理。该切线斜率的倒数，就是二极管在该Q点处的动态（微变）电阻，即为所要求的二极管交流小信号模型，用rd表示，也就是说，对低频交流小信号而言，二极管可以近似地等效为一个电阻rd。rd的大小与Q点所处的位置有关。Q点位置不同，所对应的电压与电流值不同，则rd的值也不同。rd的值可由PN结方程式求得，取iD对vD在Q点的微分，即；vdidrdvi（3）电路综合，有vDVQvd；iDIQid图1.3.10交、直流信号共同作用的二极管电路（a）二极管电路（b）直流等效电路（c）交流小信号等效电路图1.3.11案例分析1.3.1 iD、vO的波形（4）根据前面所讲述的图解法，可画出iD、vO的波形图，如图1.3.11所示。图中的Q点称为二极管的直流（静态）工作点；二极管外直流电路所描绘的直线称为二极管的直线负载线；VQ/IQ称为二极管在Q点的直流电阻RD。显然，在作上述等效变换时应有Vim VQ，工程上，一般限定Vim5.2mV。由于这种分析方法是交流输入小信号在直流工作点附近作微小的变化的基础上展开的，故又称之为微变等效电路分析法。【例1.3.4】设图1.3.10（a）电路中，vi3sin2000t mV，VDD5V，R1k，C20F，D为小功率硅管，VD(on)0.7V，试求iD和vO。解：由于隔直耦合电容C对交流信号vi的容抗很小，可以忽略，如图1.3.10所示，用恒压降模型和交流小信号模型作等效变换，依叠加定理有：VQVD(on)0.7Vvdvi3sin2000t mVid0.5sin2000t mAvDVQvd（0.73103sin2000t）V iDIQid（4.30.5sin2000t）mA课堂提问和讨论解答T1.3.1为什么要设计二极管的电路模型？解答：二极管是一种非线性器件，在工程分析计算中，通常是根据电路的不同的工作条件和要求，在分析计算精度允许的条件下，把非线性的二极管转化为不同的线性电路模型来描述，从而使分析计算变得简单明了。T1.3.2二极管有几种常用的电路模型？它们各适用于什么情况？解答：1、理想模型。当二极管的正向压降和正向电阻与外接电路的等效电压和等效电阻相比较均可忽略时，可用二极管的理想模型等效。2、恒压降模型。当二极管的正向压降与外加电压相比较，相差不是很大，而二极管的正向电阻与外接电阻相比较可以忽略时，可用二极管的恒压降模型等效。3、折线模型。为了更真实地反映二极管正向导通时的特性，可选用二极管的折线模型等效。4、交流小信号模型。如果二极管电路中，既含有直流电源，又含有交流信号电源，且交流信号是幅值较小的低频信号时，交流分析可用二极管的交流小信号模型等效。T1.3.3用指针式万用表电阻档检测二极管，检测的是二极管的什么参数？用数字式万用表二极管档检测二极管检测的是二极管的什么参数？解答：用指针式万用表电阻档检测二极管，检测的是二极管的正向电阻和反向电阻的阻值。用数字式万用表的二极管测试档检测二极管，检测的是二极管的正向导通压降的近似值。T1.3.4试说明用指针式万用表电阻档检测二极管时，对于同一只二极管，量程不同，所测得的数据不同的原因。解答：由于二极管是一个非线性器件，所以用指针式万用表不同的电阻档位检测二极管的正向电阻值时，因为电阻档位不同，万用表内连接的中值电阻值不同，而万用表内的电源电压一定，因此流过二极管的电流不同，亦即二极管的工作点不同，所以测得的二极管的正向电阻（直流电阻RD）值也不同。课堂练习详解L1.3.1试判断图1.3.12所示电路中的二极管是导通还是截止，并确定流过二极管的电流ID。设二极管的正向导通压降为0.7V，反向电流为0。图1.3.12二极管电路解：如图1.3.12所示，断开二极管，利用电位计算的方法计算二极管开始工作前的外加电压，将电路中的二极管D用恒压降模型等效，有（a）V1.67V0.7V，二极管截止，ID0。（b）V5V0.7V，二极管导通，导通后，L1.3.2试判断图1.3.13所示电路中的二极管是导通还是截止，并确定各电路的输出电压VO。设二极管是理想的。解：如图1.3.13所示，将二极管断开，分析、计算其开始工作前的端电压，有图1.3.13二极管电路（a）VD10（12）V2V0，二极管导通。D导通后，VO10V。（b）VD1（108）V2V0，VD2（106）V4V0，VD2VD1，D2首先导通。D2导通后，VD1（68）V2V0，D1反偏截止，VO6V。图1.3.14二极管电路L1.3.3如图1.3.14所示电路中，设vi5sint mV，C对交流信号的容抗近似为0，二极管的VD(on)0.7V，试画出流过二极管的电流iD的波形。解：如图1.3.14所示，分别用二极管的恒压降模型和交流小信号模型做等效变换，可将非线性的二极管视为线性器件，由叠加定理，有（1）当直流5V电源单独作用时（2）当交流小信号vi单独作用时 id0.199sint mA（3）电路综合图1.3.14.1 iD 的波形iDIDid（1.720.199sint）mA画出流过二极管的电流iD的波形，如图1.3.14.1所示。1.4二极管应用电路重点内容二极管整流电路、限幅电路和钳位电路的工作原理。难点内容二极管钳位电路的工作原理。课堂提问和讨论解答T1.4.1简述二极管整流电路的作用。解答：二级管整流电路利用二极管的单向导电性，可将交流电变换为单向脉动的直流电。T1.4.2简述二极管限幅电路的作用。解答：二极管限幅电路利用二极管的单向导电和正向导通后其正向导通压降基本恒定的特性，可将输出信号的幅值电压限制在一定的范围内。在电子线路中，常用二极管限幅电路对各种信号进行处理，以使输入信号在预置的电压范围内，有选择地传输一部分。二极管的限幅电路也可用作保护电路，以防止半导体器件由于过压而被烧坏。T1.4.3简述二极管钳位电路的作用。解答：二极管钳位电路的作用是保持输入信号的形状基本不变，而将其顶部或底部的电位钳制在某个数值上。在电子线路中，钳位电路得到了广泛的应用。例如，在彩色电视机的图像信号直流恢复电路和消色电路中均有应用。课堂练习详解L1.4.1二极管半波整流电路如图1.4.5所示，电路设计合理，设vi为正弦波信号，D为理想的二极管。试画出输入电压vi和输出电压vo的对应波形图。图1.4.1（b）二极管半波整流电路vi和vo的波形图1.4.5半波整流电路解：如图1.4.5所示，由二极管半波整流电路的工作原理，可画出输入电压vi和输出电压vo的对应波形，如图1.4.1（b）所示。L1.4.2在图1.4.6所示的限幅电路中，设vi10sint V，二极管的正向导通压降VD(on)0.7V，试画出输出电压vo的波形。图1.4.6二极管限幅电路解：由如图1.4.6所示，由二极管双向限幅电路的工作原理，可画出电压vo波形，如图1.4.3（b）所示。图中，V1（40.7）V4.7V，V2（20.7）V2.7V。图1.4.3（b）二极管双向限幅电路vi和vo的波形图L1.4.3二极管钳位电路如图1.4.7所示，设viVmsint V，D为理想的二极管，电容器C的初始电压为0，试画出vi和vo的电压波形。图1.4.7二极管钳位电路解：如图1.4.7所示，由二极管钳位电路的工作原理可知，图1.4.7所示钳位电路将输入信号vi的波形向上平移了Vm，将输出电压vo限制在零伏以上。由此，可画出vi和vo的电压波形，如图1.4.7.1所示。图1.4.7.1二极管钳位电路vi和vo的波形图1.5特殊二极管及其应用重点内容稳压二极管、变容二极管、发光二极管和二极管光电耦合器的大致工作原理。难点内容变容二极管的工作原理。课堂提问和讨论解答T1.5.1为实现相应功能，稳压二极管应工作在什么状态？变容二极管应工作在什么状态？发光二极管应工作在什么状态？光电二极管应工作在什么状态？解答：为实现稳压功能，稳压二极管应工作在反向击穿状态；为实现可变电容器的功能，变容二极管应工作在反偏状态；为实现将电能转换成光能的功能，发光二极管应工作在正偏导通状态；为实现将光信号转电信号的功能，光电二极管应工作在反偏状态。T1.5.2如何辨认发光二极管引脚的极性？如何用指针式万用表检测发光二极管？解答：通常单端引脚的发光二极管，引脚较长的为阳极、较短的为阴极。和普通小功率二极管相比，发光二极管的正向导通压降较大（一般为13V），所以应用指针式万用表的R1k或R10k档位检测其正、反向电阻值，以判别其极性和好坏。方法与检测普通二极管时相同。一般，发光二极管的正向电阻值应小于50k，反向电阻值应大于200k以上。T1.5.3如果要用七段数码管显示字符3，应是哪几条字符段被点亮？解答：如果要用七段数码管显示字符3，应是数码管的a、b、c、d、g字符段被点亮。课堂练习详解解答L1.5.1稳压二极管稳压电路如图1.5.2所示，电路设计合理，试定性地说明当VI恒定，而RL变化时，输出电压VO能保持基本恒定的工作原理。图1.5.2分析、求解：如图1.5.2所示，当RL增大时，IL将减小（负荷减轻），VO将增加，稳压管Dz两端的反向电压增加，流过稳压管的电流Iz将大大地增加，限流、调节电阻R上的压降IRR也将大大地增加，从而导致VO的增量绝大部分降落在限流、调节电阻R上，由于VI恒定，VOVIIRR，从而使得输出电压VO基本维持稳定。其稳压过程可描述如下：VO基本维持稳定不变RL VO IZ IR（IZIL） VRVO反之，当RL减小时，其稳压过程与上述过程相仿，只不过各参量的变化方向相反而已。图1.5.4（c）L1.5.2发光二极管驱动电路如图1.5.4（c）所示，设VDD5V，VF1.5V，IF10mA，试求限流电阻R的取值。解：如图1.5.4（c）所示k350从工程的角度出发，依GB24711981标准，取E24系列标称值，R360。S1.1用万用表检测半导体二极管思考题解答图1.2.6（a）（1）用万用表检测二极管时，双手应取什么姿势？能否用左、右手各执表笔捏住管脚进行检测？这会发生什么问题。解答：用万用表检测二极管时，双手应取如图1.2.6（a）所示的方式。若用左、右手各执表笔捏住管脚进行检测，则相当于人体电阻与被测二极管并联，从而造成检测数据的错误。（2）为何不能用R1或R10k档位检测普通小功率二极管？解答：因为R1档位检测电流较大，R10k档位检测电压较高，容易损坏待检测的二极管，故一般不能用R1或R10k档位检测普通的小功率二极管。本章小结1、半导体中参与导电的有两种载流子：电子和空穴。载流子有两种运动方式：扩散运动和漂移运动。掺入不同的杂质可分别制成P型和N型半导体，以改善本征半导体的导电性。2、PN结中的P型半导体与N型半导体的交界处有一个空间电荷区（或耗尽层）。当PN结外加正向偏置电压（P接正，N接负）时，耗尽层变窄，有电流流过（正偏导通）；当PN结外加反向偏置电压（P接负，N接正）时，耗尽层变宽，没有电流流过或电流极小（反偏截止），这就是半导体二极管的单向导电性。3、二极管是非线性器件，所以常用伏安特性曲线表示它的性能。为分析计算电路的方便，工程上常将二极管的非线性伏安特性曲线进行分段线性化处理，从而得到几种简化电路的模型，如理想模型、恒压降模型、折线模型和小信号模型。实际实用中，应根据工作条件、精度要求选择适当的电路模型。4、工程上常取普通小功率硅二极管的正向导通压降为0.7V，锗二极管的正向导通压降为0.2V。硅管的反向电流比锗管小的多，小功率硅管的反向饱和电流在nA数量级，小功率锗管在A数量级。5、温度对二极管的特性影响较大，温度每升高10，反向电流约增大一倍；温度每升高1，正向导通压降约减小2.5mV。6、稳压二极管工作在反向击穿状态，变容二极管、光电二极管工作在反偏状态，发光二极管工作在正向导通状态。7、二极管的参数是合理选择和正确使用的依据。使用时，相关参数不能超过它的极限参数。习题详解1.1试确定图E1.1（a）、（b）所示电路中二极管D是处于正偏还是反偏状态，并计算A、B、C、D各点的电位。设二极管的正向导通压降VD(on) 0.7V。图E1.1解：如图E1.1所示，断开二极管，利用电位计算的方法，计算二极管开始工作前的外加电压，将电路中的二极管用恒压降模型等效，有（a）VD1（120）V12V0.7V，D1正偏导通，V6.915VVBVAVD(on)（6.9150.7）V6.125V（b）VD2（012）V12V0，D2反偏截止，有VC12V，VD0V1.2二极管电路如图E1.2所示，设二极管的正向导通压降VD(on) 0.7V，试确定各电路中二极管D的工作状态，并计算电路的输出电压VO。解：如图E1.2所示，将电路中连接的二极管开路，计算二极管的端电压，有（a）VD1（912）V3V0.7V，D1正偏导通VO1（0.79）V9.7V（b）VD2（3）V1.5V0.7V，D2正偏导通VO2（0.73）V3.7V（c）VD39V0.7V，VD4（96）V15V0.7V，VD4VD3，D4首先导通。D4导通后VD3（0.76）V5.3V0D3反偏截止VO3（0.76）V5.3V图E1.21.3二极管电路如图E1.3所示，设二极管是理想的，输入信号vi=10sint V，试画出输出信号vo的波形。图E1.3解：如图E1.3所示电路，二极管的工作状态取决于电路中的输入信号vi的变化。（a）当vi0时，D1反偏截止，vo10；当vi0时，D1正偏导通，vo1vi。（b）当vi0时，D2反偏截止，vo2vi；当vi0时，D2正偏导通，vo20。（c）当vi0时，D3正偏导通，vo3vi；当vi0时，D3反偏截止，vo30。由此，可画出输入信号vi与输出信号vo1、vo2、vo3的波形，如图E1.3.1所示。图E1.3.1vi与vo1、vo2、vo3的波形1.4二极管电路如图E1.4（a）所示，输入信号vi（t）的波形如图E1.4（b）所示。图E1.4（1）设二极管是理想的，试画出vo（t）的波形。（2）设二极管用恒压降模型等效（VD(on) 0.7V），试画出vo（t）的波形。（3）设二极管用折线模型等效（VD(on) 0.7V，rD20），试画出vo（t）的波形。解：如图E1.4（a）所示电路，二极管D的工作状态取决于电路中直流电源与交流信号vi（t）的幅值关系。断开电路中连接的二极管，其端口外加电压为，vDvi（t）6V。（1）由二极管的理想模型，有vo（t）的波形，如图E1.4.1（b）所示，其中当vi（t）6V时，二极管反偏截止，vo（t）6V；当vi（t）6V时，二极管正偏导通。当vi（t）10V时，vo（t）8V。（2）由二极管的恒压降模型，有vo（t）的波形，如图E1.4.1（c）所示，其中当vi（t）6.7V时，二极管截止，vo（t）6V；当vi（t）6.7V时，二极管导通，图E1.4.1vi（t）与vo（t）的波形当vi（t）10V时，vo（t）7.65V。（3）由二极管的折线模型，有vo（t）的波形，如图E1.4.1（d）所示，其中当vi（t）6.7V时，二极管截止，vo（t）6V；当vi（t）6.7V时，二极管导通，当vi（t）10V时，vo（t）7.57V。1.5二极管电路如图E1.5（a）所示，二极管D的伏安特性曲线如图E1.5（b）所示，试用图解法求取ID、VD。解：如图E1.5所示，二极管D的直流负载线与纵轴和横轴的交点分别为，VDD2V由此，作直流负载线，如图E1.5.1所示。由直流负载线与二极管D的伏安特性曲线的交点（直流工作点）Q可得ID2mA；VD0.7V图E1.5图E1.5.11.6二极管电路如图E1.6所示，取二极管正向导通压降VD(on) 0.7V，vi5sint mV，C对交流的容抗近似为零，试求二极管D两端的交流电压vd和流过二极管的交流电流id。图E1.6解：如图E1.6所示，分别用二极管的恒压降模型和交流信号模型做等效变换，可将非线性的二极管视为线性参件，由叠加定理，有IDIQmA1.72mAIdmmA0.199mAid0.199 sint mAvdidrd（0.19915.1）sint mV3sint mV。图E1.71.7二极管电路如图E1.7所示，设二极管的正向导通压降VD(on) 0.7V，二极管的最大功耗PDM为10mW，要求电路在电源电压为5VVDD10V的范围内变化时，二极管均正向导通，且流过二极管电流的最小值ID(min)2mA。试确定电阻R1和R2的取值。（提示：PDMID(max)VD(on) ）解：如图E1.7所示，将电路中的二极管用恒压降模型等效，有ID(min)2mAmAID(max)解得R1407，R2821.8二极管半波整流电路如图E1.8所示。变压器Tr、熔断器FU、负载电阻RL，设计取值合理。试定性地分析，当二极管D：（1）开路；（2）短路；（3）接反时，电路的工作情况。图E1.8分析、解答：如图E1.8所示，（1）当二极管D开路时，输出电压为零；（2）当二极管D短路时，输出电压为v2，负载电流约增加一倍多，熔断器熔断，输出电压为零；（3）当二极管D反接时，电路可以工作，但输出电压极性相反。1.9由理想二极管组成的电路如图E1.9所示，设vi10sint V，试画出输出信号vo的波形。解：如图E1.9所示，二极管D的工作状态取决于电路中直流电源与交流信号vi的幅值关系。由二