模拟第1单元二极管.ppt

模拟电子技术 第1单元二极管及其应用第2单元三极管及放大电路基础第3单元多级放大电路与反馈放大电路第4单元集成运算放大电路第5单元低频功率放大电路第6单元谐振放大电路和正弦振荡电路第7单元直流稳压电源 第1单元二极管及其应用 1 了解PN结 半导体二极管构造及单向导电性 伏安特性 主要参数 2 会用万用表判别二极管的管脚极性及质量 3 掌握常用整流 滤波电路的结构 工作过程及其计算 第1节二极管 一 半导体基本知识1 物质按导电能力的不同可分为导体 半导体和绝缘体3类 日常生活中接触到的金 银 铜 铝等金属都是良好的导体 而像塑料 云母 陶瓷等几乎不导电的物质称为绝缘体 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体 自然界中属于半导体的物质有很多种类 目前用来制造半导体器件的材料大多是提纯后的单晶型半导体 主要有硅 Si 锗 Ge 和砷化镓 GaAs 等 2 杂质半导体相对金属导体而言 本征半导体中载流子数目极少 因此导电能力仍然很低 如果在其中掺入微量的杂质 将使半导体的导电性能发生显著变化 我们把这些掺入杂质的半导体称为杂质半导体 杂质半导体可以分为N型和P型两大类 P型半导体 在硅 或锗 晶体中掺入微量的三价元素杂质硼 或其他 N型半导体 在纯净的硅 或锗 中掺入微量的磷或砷等五价元素 3 PN结的形成采用掺杂工艺 使半导体材料的一边形成P型半导体区域 另一边形成N型半导体区域 在P型与N型半导体的交界面会形成一个具有特殊电性能的薄层 称为PN结 单向导电性 PN结具有单向导电性 即电流只能从P端流向N端 而不能从N端流向P端 二 二极管基本知识1 二极管的结构和分类一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来 就构成了半导体二极管 简称二极管 接在P型半导体一侧的引出线称为阳极 接在N型半导体一侧的引出线称为阴极 半导体二极管从制作材料来分 有硅二极管和锗二极管 半导体二极管按其结构不同可分为点接触型 面接触型和开关型三类 点接触型二极管 PN结面积很小 因而结电容小 用于检波和变频等高频电路 面接触型二极管 PN结面积大 用于工频大电流整流电路 开关型二极管 适用于在数字逻辑电路中作为开关管 三 二极管的单向导电性 1 加正向电压导通二极管正极接电源正极 负极接电源负极 称为给二极管加正向电压 也称二极管正偏 此时二极管有正极流向负极的电流流过 称正向导通 正向电阻很小 2 加反向电压截止二极管正极接电源负极 负极接电源正极 成为给二极管加反向电压 也称二极管反偏 此时流过二极管的电流几乎为零 称二极管的这种状态为反向截止 反向电阻很大 综上所述 二极管正向偏置时导通 反向偏置时截止 四 二极管的伏安特性1 定义 二极管两端电压uD与流过的电流iD间的关系称为伏安特性 可用函数式iD f uD 来表示 也可用iD与uD之间的曲线来表示 1 正向特性 二极管外加正向电压较小时 外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力 PN结仍处于截止状态 正向电压大于死区电压后 正向电流随着正向电压增大迅速上升 通常死区电压硅管约为0 5V 锗管约为0 2V 导通后二极管的正向压降变化不大 硅管约为0 6 0 8V 锗管约为0 2 0 3V 温度上升 死区电压和正向压降均相应降低 死区电压 反向电压大于击穿电压时 反向电流急剧增加 这种现象称为击穿 UBR称为反向击穿电压 2 反向特性外加反向电压时 PN结处于截止状态 反向电流很小 称为反向饱和电流 用Is表示 显然二极管的伏安特性不是直线 因此属于非线性电阻元件 反向击穿电压 五 二极管的主要参数1 最大整流电流IF 指管子长期运行时 允许通过的最大正向平均电流 此数值由二极管面积和散热条件所决定 2 最高反向工作电压UR 二极管不被击穿时所允许的最大反向电压 通常将击穿电压UBR的一半定为最高反向工作电压UR 3 反向电流IR 指室温下 管子加反向电压时的反向电流值 此值越小 二极管的单向导电性愈好 受温度的影响很大 4 最高工作频率fM 主要决定于PN结结电容的大小 结电容越大 则二极管允许的最高工作频率越低 第2节二极管的基本应用 一 整流电路利用二极管的单向导电特性 可以将交流电变换为单向脉动直流电 完成整流作用 完成整流功能的电路称为整流电路 根据交流电路的相数可分为单相整流和三相整流 以电路形式区分 有半波整流电路 全波整流电路和桥式整流电路 其中单相桥式整流电路在小型电子设备或小功率电路中使用较为广泛 单相半波整流电路如下图所示 半波整流电路 当u2为正半周时 a端电压为正 b端为负 二极管VD承受正向电压而导通 此时有电流流过负载和电流流过二极管 并且二者相等 设二极管为理想元件 则负载两端输出电压等于变压器副边电压的正半波 单相半波整流电路如下图所示 半波整流电路 当u2为正半周时 a端电压为正 b端为负 二极管VD承受正向电压而导通 此时有电流流过负载和电流流过二极管 并且二者相等 设二极管为理想元件 则负载两端输出电压等于变压器副边电压的正半波 当u2为负半周时 b端电压为正 a端为负 二极管VD反向截止 负载上无电流通过 输出电压 变压器二次侧电压全部加在二极管VD上 可见 由于二极管的单向导电性 负载电阻上的电压为交流电的正半波 称为半波整流电路 设变压器二次侧电压为单相半波整流电路负载电压的平均值为 流过负载电阻RL的电流平均值为 二极管承受的最高反向电压为的最大值 即 单相桥式整流电路 工作原理 当u2为正半周时 a端电压为正 b端为负 二极管VD1和VD3承受正向电压而导通 而二极管VD2和VD4承受反向电压而截止 此时电流沿a VD1 RL VD3 b的路径形成回路 负载压降为上正下负 当u2为负半周时 a端电压为负 b端为正 二极管VD1和VD3承受反向电压而截止 而二极管VD2和VD4承受正向电压而导通 此时电流沿b VD2 RL VD4 a的路径形成回路 负载压降仍然为上正下负 流过负载电阻RL的电流平均值为 流经每个二极管的电流平均值为负载电流的一半 即 每个二极管在截止时承受的最高反向电压为u2的最大值 即 桥式整流电路负载电压平均值为 设变压器二次侧电压为 二 滤波电路滤波电路用于滤去整流输出电压中的波纹 一般由储能的电抗元件组成 如并联电容器或与负载串联电感器 工作过程 当输入u2为正半周且由零到峰值逐渐增大时 VD1和VD3导通 电源u2在向负载RL供电的同时又对电容C充电 如果忽略二极管正向压降 电容电压uc随u2按正弦规律上升至的最大值 当u2从峰值开始下降 其值uc小于时 四个二极管都受反向电压而截至 电容C通过负载RL放电 当uc降至小于u2时 二极管VD2和VD4又导通 电容C再次充电 如此循环下去 负载上能够得到较平滑的直流电压 2 电容滤波电路的外特性及主要参数估计 1 电容滤波电路的外特性输出电压UO随输出电流IO的变化规律称为外特性 2 输出电压平均值工程上 电容的放电时间常数为RLC 1 5 2 5 T 其中T为交流电网电源的周期 则输出电压平均值为UO AV 1 1 1 4 U2一般取1 2倍 3 输出电流平均值 4 整流二极管的平均电流桥式整流电容滤波电路域桥式整流电路相比较 流过二极管的平均电流增加了 同时 二极管导通时间缩短了不少 因此 二极管导通时 就会出现一个比较大的冲击电流 放电时间常数越大 二极管的导电角越小 冲击电流就越大 在选用二极管时 其额定整流电流应留有充分的裕量 最好采用硅管 5 整流二极管的最高反向电压 3 检波电路在通信 广播 电视及测量仪器中 常用二极管检波 4 限幅电路利用二极管的单向导电特性和导通后两端电压基本不变的特点 组成限幅电路 用来限制输出电压的幅度 第3节特殊二极管 一 稳压二极管稳压二极管是一种特殊的面接触型硅二极管 其工作在反向击穿区 1 稳压二极管参数 1 稳定电压UZ 稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压 不同型号的稳压管 其稳定电压的值不同 同一型号的管子 其稳压值也会有些差别 2 稳定电流IZ 稳压管的工作电压等于稳定电压时通过管子所需的最小电流 低于此值 无稳压效果 高于此值时 只要不超过最大工作电流都可以 电流愈大 稳压效果愈好 3 动态内阻rZ稳压管两端电压和稳压管中电流的变化量之比 即稳压管的反向特性曲线愈陡 则动态内阻愈小 稳压性能愈好 4 电压的温度系数表示当稳压管的电流保持不变时 环境温度每变化一度能引起的稳定电压变化的百分比 一般来说 稳定电压大于6V的稳压管此值为正值 稳定电压小于4V的稳压管为负值 稳定电压在4V 6V之间的稳压管的温度稳定性较好 5 最大工作电流IZM和最大耗散功率PCMIZM指管子允许通过的最大电流 PCM等于IZM和它对应的稳定电压UZ得乘积 这两个是为了保证管子不发生热击穿而规定的最大极限参数 2 稳压二极管稳压电路 1 工作原理1 电网电压变化时的稳压过程 2 负载变化时稳压过程 二 变容二极管利用PN结具有电容特性的原理制成的特殊二极管 在电路中作为可变电容器 主