电子元件基础知识培训

1、专题讲座 电子设计基础知识电子设计基础知识 20132013年年4 4月月 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 常用电子元器件特性及参数常用电子元器件特性及参数 v电阻电阻 v电容电容 v电感电感 v半导体基础与半导体基础与PNPN结结 v二极管二极管 v三极管三极管 v元件封装元件封装 物理创新实验室 6 1 1、 电阻电阻 v定义：导体对电流阻碍作用的大小。 v理想模型：R 单位：、k、M等； v实际模型：高频时要特别注意 v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： 1 ZRjwL jwC C C：分布电容；：分布电容；L

2、L：分布电感：分布电感 元件封装元件封装 v贴片：贴片：06030603 0805 1206 0805 1206 12101210 ； SOSO、SOPSOP、MSOPMSOP、SOTSOT系列等；系列等； QFN/SON QFN/SON系列系列( (采用波峰焊或回流焊技术采用波峰焊或回流焊技术) ) v插件：插件：AXIALAXIAL系列系列 DIPDIP系列系列 TOTO系列等系列等 实际制作实际制作PCBPCB时大多自己做封装时大多自己做封装 注意区分注意区分SCHSCH和和PCBPCB 河海大学常州校区 4 v金属丝电阻：稳定性好，功率较大； v碳膜电阻：稳定性差，功率较小,应用范围广

3、（交 流、直流和脉冲电路） v水泥电阻：阻值小、功率大，耐震、耐热； v氧化锌压敏电阻：电阻值随电压而变，V高时击 穿。 5 电阻的材料特性电阻的材料特性 河海大学常州校区 v非绕线电阻器：高频分布参数较小 分布电感0.010.09uH，分布电容0.15pF v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1/1010M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 电阻的高频特性电阻的高频特性 v一个一个500500

4、欧姆金属膜电阻的阻抗的绝对值与频率的关系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 电阻的高频特性电阻的高频特性 “ “耗能耗能” “” “阻碍电流流通阻碍电流流通”“”“产生电压降产生电压降” v降压、分压；降压、分压；电压调整电压调整 v稳定和调节电流；稳定和调节电流；电流调整电流调整 v与电容配合起滤波、振荡等作用；与电容配合起滤波、振荡等作用； 河海大学常州校区 8 电阻的用途电阻的用途 2 2 、电容、电容 v 9 河海大学常州校区 阻抗： 1 2/() 1 ZjwCRjwL jwC v电解电容：铝或钽质 有极性 容值较大 耐压较高 v陶瓷电容：寿命长 用于大功率

5、、高压领域 v薄膜电容：耐压高 容值大 稳定性好 v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材料特性决定工作频率 电容的材料特性电容的材料特性 v电容的寄生参数：电容的寄生参数： 引线电感引线电感 直流等效电阻直流等效电阻(ESR) (ESR) 分布电容等分布电容等 频率很高频率很高(GHz(GHz以上以上) )时，引线电感将极大的影响时，引线电感将极大的影响XcXc； ESRESR的存在使电容在充放电时浪费能量；的存在使电容在充放电时浪费能量； 损耗角正切值损

6、耗角正切值tan =ESR*wC，其中，其中w代表工作代表工作 角频率角频率,C为电容值。为电容值。 Tan=0 则 ESR=0 参阅参阅AVXAVX、RubyconRubycon、松下、松下、TDKTDK等公司的电容资料等公司的电容资料 河海大学常州校区 12 电容的高频特性电容的高频特性 v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：普通：20004000h 长寿命长寿命：60008000h 超长：超长：1000012000h 民用级民用级：070 工业级工业级：-4085 军用级军用级：-55150 河海大学常州校区 13 电容参数电容参数寿命寿命 铝电解铝电解

7、 电容电容 工作温度每工作温度每 上升上升1010， 寿命缩短寿命缩短10%10% 工作温工作温 度级别度级别 v定义：电容反复充放电所允许流过的最大电流。 重视场合：电力电子技术电力电子技术( (功率变换功率变换) ) 受等效阻抗影响，受等效阻抗影响，一般多个并联解决发热一般多个并联解决发热问题问题 河海大学常州校区 14 电容参数电容参数纹波电流纹波电流 v储能、滤波；储能、滤波； v隔直、退耦、耦合；隔直、退耦、耦合； v振荡、保护振荡、保护( (安规安规) )； 河海大学常州校区 15 电容的用途电容的用途 电容的串并联电容的串并联 v电容串联后总电容的倒数等于各电容容量的倒数电容串联

8、后总电容的倒数等于各电容容量的倒数 之和，即之和，即1/C=1/C1+1/C2+,这一点与电阻并联这一点与电阻并联 电路相同。电路相同。 v在电容串联电路中，容量大在电容串联电路中，容量大 的电容两端电压小，的电容两端电压小， 容量小的电压大（容量小的电压大（Q=C*U）。当某个电容的容量）。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。路中起决定作用的是容量小的电容。 v两只有极性电解电容顺串联的结果仍然为一只有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，极性的电解电容，总容量减小，总耐

9、压提高总容量减小，总耐压提高；逆；逆 串后没有极性。串后没有极性。 河海大学常州校区 16 2011年9月15日 3 3、 电感电感 v定义：表征电流与通电线圈的相互作用关系。 v理想模型： v单位：H、mH、uH等； 17 河海大学常州校区 ZjwL L di LV dt v感量感量 v材料特性材料特性( (针对有磁芯电感针对有磁芯电感) ) v等效电阻等效电阻ESLESL v分布电容分布电容 v频率特性频率特性 v载流能力载流能力 v损耗损耗 河海大学常州校区 18 电感的主要参数电感的主要参数 河海大学常州校区 19 电感的材料特性电感的材料特性磁芯材料磁芯材料 材料工作频率 铁氧体+Z

10、n/Ni/Mn(锌/镍/锰)100kHz左右 非晶硅几十kHz几MHz 坡莫合金3050MHz 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 电感的损耗分析电感的损耗分析 标号含义影响因素/产生机理代表损耗 RdcRdc直流等效电阻直流等效电阻导线线径和总长度铜损铜损 RacRac磁芯损耗电阻磁芯损耗电阻磁芯材料、涡流和磁滞效应磁损磁损 RdRd介质损耗电阻介质损耗电阻介质电导和极化的滞后效应介质损耗介质损耗 电感损耗源表 v电感的品质因数电感的品质因数Q Q v损耗角正切值损耗角正切值tan：1/Q vQ值用处：谐振电路的匹配谐振电路的匹配

11、( (调谐时要求高调谐时要求高Q)Q) 河海大学常州校区 21 电感的损耗分析电感的损耗分析 wL Q RdcRacRd “表征无源电路的电阻损耗表征无源电路的电阻损耗” 无功功率无功功率/ /有功功率有功功率 河海大学常州校区 22 电感的损耗分析电感的损耗分析磁滞回线磁滞回线 定义：定义：当磁场强度周期性变化时，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。磁滞现象的闭合磁化曲线。 参数：参数：BmBm饱和磁通饱和磁通 Br Br剩余磁通剩余磁通 Hm Hm最大磁强最大磁强 Hc Hc矫顽力矫顽力 磁滞损耗磁滞损耗与与磁滞回线的

12、面积磁滞回线的面积成正比成正比 根据磁滞回线的形状将磁性材料分类如下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 硬磁硬磁/ /软磁材料软磁材料 分类磁滞回线特征材料特点 软磁材料软磁材料瘦高型瘦高型 较小的剩磁和矫顽力；磁导率较小的剩磁和矫顽力；磁导率 高；磁滞现象不明显；无外磁高；磁滞现象不明显；无外磁 场时磁性基本消失场时磁性基本消失 硬磁材料硬磁材料矮胖型矮胖型 较大的矫顽力；磁滞回线较宽；较大的矫顽力；磁滞回线较宽； 材料被磁化后，剩磁不易消失材料被磁化后，剩磁不易消失 河海大学常州校区 24 电感的频率特性电感的频率特性 RsRs：串联电阻：串联电阻 CsCs：分布

13、电容：分布电容 高频模型高频模型 一个实际电感线圈的频率响应一个实际电感线圈的频率响应 v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。 v铜导线趋肤深度计算： 河海大学常州校区 25 影响电感性能的效应影响电感性能的效应趋附效应趋附效应 cr f 61. 6 ：电阻率； ur ：相对磁导率； f ：工作频率； c：铜在20 时的电阻率 应对应对趋附效应趋附效应的方法的方法 v多股并绕：多股并绕： 用用多股相互绝缘的细导线多股相互绝缘的细导线交织

14、并绕交织并绕代替代替同等同等 截面积的粗导线截面积的粗导线 v宽薄铜带：宽薄铜带： 用用宽薄的铜带宽薄的铜带代替代替直圆柱形绕组直圆柱形绕组 河海大学常州校区 26 v定义：当高频电流在两导体中彼此反向流动，电电 流会集中于导体邻近侧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，当导线由多匝细导线并绕时，邻近效应随邻近效应随并绕的并绕的 匝数匝数增加而呈增加而呈指数规律指数规律增加。增加。 v很多场合，邻近效应影响远比趋肤效应影响大。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。使用直径大的导线。 与与减小趋附效应的方法正好矛盾！正

15、好矛盾！ “多股多股绕制高频变压器时用的导线或薄铜片有个绕制高频变压器时用的导线或薄铜片有个 最佳值并绕最佳值并绕” 河海大学常州校区 27 影响影响电感性能的效应电感性能的效应邻近效应邻近效应 v核心思想： 法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律 楞次定律楞次定律 v储能储能 滤波滤波 v高频谐振高频谐振 河海大学常州校区 28 电感的作用电感的作用 河海大学常州校区 29 半导体基础与半导体基础与PNPN结结 v半导体半导体：电阻率介于金属与绝缘材料之间的材料。电阻率介于金属与绝缘材料之间的材料。 v特征特征：某个温度范围内，电荷载流子的浓度随：某个温度范围内，电荷载流子的浓度随温度温度 升

16、高升高而增加，而增加，电阻率下降电阻率下降。 v通用半导体通用半导体：锗：锗(Ge)(Ge)、硅、硅(Si)(Si)、砷化镓、砷化镓(GaAs)(GaAs) v空穴：空穴：电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后，在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。共价键中留下的一个空位。 v本征半导体的晶格结构：本征半导体的晶格结构： 自由电子数自由电子数= =空穴数空穴数 v起因：纯单晶半导体已不能满足多方面的需要。 v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。 v掺杂物：三价元素：硼、铟、铝 五价元素：磷、砷、锑 v产物：P P型半导体：型半导体： 空穴数自由电子数

17、空穴数自由电子数 N N型半导体：型半导体： 空穴数自由电子数空穴数自由电子数 河海大学常州校区 30 “掺杂掺杂” v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PNPN结结。 河海大学常州校区 31 PNPN结结 载流子的扩散载流子的扩散 河海大学常州校区 32 PNPN结的形成结的形成 PNPN结的特性：结的特性： 1.1.单向导电性；单向导电性； 2.2.光生伏特效应；光生伏特效应； 3.3.电容效应电容效应； v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能量高坡，即势垒。

18、vPN结承受正向电压，等效电阻很小，结承受正向电压，等效电阻很小，PN结导通；结导通； vPN结承受反向电压，等效电阻很大，结承受反向电压，等效电阻很大，PN结截止；结截止； 河海大学常州校区 33 单向导电性单向导电性 iD：通过PN结的电流； VD ：PN结两端电压。 v定义：半导体在受到光照射时产生电动势的现象； v典型应用：太阳能电池太阳能电池 河海大学常州校区 34 光生伏特效应光生伏特效应 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光子能够在P型硅和 N型硅中将电子从共价键中激发电子从共价键中激发，以 致产生电子空穴对电子空穴对。在结电场的

19、 作用下，最后建立一个与光照强度 有关的电动势电动势。 河海大学常州校区 35 电容效应电容效应 vPN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。 特性特性应用应用 单向导电性单向导电性整流、检波、开关二极管整流、检波、开关二极管 反向击穿特性反向击穿

20、特性稳压、雪崩二极管稳压、雪崩二极管 结电容效应结电容效应变容二极管变容二极管 光生伏特效应光生伏特效应太阳电池太阳电池 半导体光电效应半导体光电效应各种光电器件各种光电器件 晶格受力晶格受力变化变化/ /温度特性温度特性压力传感器压力传感器/ /温度传感器温度传感器 光辐射对反向电流的调制光辐射对反向电流的调制光电探测器光电探测器 高掺杂高掺杂PNPN结隧道效应结隧道效应隧道二极管隧道二极管 相互作用的放大、振荡特性相互作用的放大、振荡特性晶体管晶体管 河海大学常州校区 36 PNPN结的应用结的应用 v模型： v高频模型： 河海大学常州校区 37 4 4、 二极管二极管 VF：0.11V

21、常用的为0.50.7V IF：视不同二极管而定 硅管：0.7V 锗管：0.2V v目的：效率分析和电路改进设计。降低功耗！降低功耗！ 河海大学常州校区 38 二极管的损耗计算二极管的损耗计算 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 ton ACF 0 PfV dt DCFFPV *I v基本参数：基本参数：V VF F、I IF F v正向浪涌电流正向浪涌电流I IF F-peak-peak v结电容结电容CjCj：影响高频特性影响高频特性 v反向恢复时间反向恢复时间trrtrr：正向导通到截止时的时间正向导通到截止时的时间

22、 v反向耐压反向耐压VrVr v反向漏电流反向漏电流IrIr v寄生电感：寄生电感：影响高频特性影响高频特性 v最高工作温度最高工作温度TopTop v封装封装 河海大学常州校区 39 二极管重要参数二极管重要参数 PNPN结所存储电荷结所存储电荷 耗尽所需的时间耗尽所需的时间 二极管类型二极管类型特点特点常见型号常见型号应用场合应用场合 整流整流二极管二极管 正向浪涌电流大正向浪涌电流大 反向耐压高反向耐压高 结电容较大结电容较大 1N40071N4007/SM7/SM7 1N540X1N540X RL20XRL20X 整流电路整流电路 钳位电路钳位电路 保护电路等保护电路等 开关二极管开关

23、二极管 开关速度快开关速度快 寿命长寿命长 体积小体积小 LL4148LL4148小信号开关小信号开关 稳压稳压二极管二极管 工作于反向击穿态工作于反向击穿态 噪声系数较高噪声系数较高 稳定系数较差稳定系数较差 1N4782(8.5V)1N4782(8.5V) 1N5338(5.1V)1N5338(5.1V) 低精度稳压低精度稳压/ /基准基准 电平平移电平平移 瞬态抑制二极管瞬态抑制二极管 TVSTVS 响应时间快响应时间快(ns)(ns) 瞬态功率大瞬态功率大 漏电流低漏电流低 P PxxxxKEKExxxx 浪涌保护浪涌保护 钳位吸收电路钳位吸收电路 ( (超超) )快恢复快恢复二极管二

24、极管 ( (U)FRDU)FRD 开关特性好开关特性好 反向恢复时间短反向恢复时间短 反向击穿电压较高反向击穿电压较高 35ns100ns:35ns100ns:FR107FR107 35ns:STTH3R0235ns:STTH3R02 高频整流电路高频整流电路 开关电源开关电源 阻容吸收等阻容吸收等 肖特基二极管肖特基二极管 SBDSBD 正向压降小正向压降小 反向恢复时间短反向恢复时间短 开关损耗小开关损耗小 STPS20H100CTSTPS20H100CT SS34SS34、1N58221N5822 MBR400100CT MBR400100CT 开关电源开关电源 变频器变频器 驱动器驱动

25、器 河海大学常州校区 40 二极管分类二极管分类 v形成：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。 v结构：结构： 河海大学常州校区 41 5 5、 三极管三极管 “电流放大电流放大”：以以基极电流基极电流微小的变化量来微小的变化量来控制控制集集 电极电极电流较大的变化量。电流较大的变化量。 河海大学常州校区 42 三极管作用三极管作用 应用场合应用场合具体作用具体作用 放大放大电路电路电流或电压电流或电压放大等放大等 振荡振荡电路电路调制解调、调制解调、自激振荡等自激振荡等 开关开关电路电路/ / 电源电源电路电路 闸流、限流或作开关闸流、限

26、流或作开关管等管等 “截止区、放大区、饱和区的切换截止区、放大区、饱和区的切换” 参数参数物理意义物理意义参考作用参考作用NPN9013NPN9013参数参数 I ICM CM最大集电极电流最大集电极电流电流限值电流限值 500mA500mA V VBE(on) BE(on)导通导通/ /开启电压开启电压开关电路设计开关电路设计 0.67V0.67V f fT T特征频率特征频率工作频率限制工作频率限制150MHz150MHz h hFE FE直流电流增益直流电流增益放大电路设计放大电路设计 120120 V VCE(sat) CE(sat)集集- -射极饱和压降射极饱和压降电压考虑、功耗电压考虑、功耗 0