Mul基础电路及其仿真 10

第4章半导体二极管电路本章知识结构Multisim仿真分析：直流分析、瞬态分析章节概述电路中的二极管工作在其特性曲线的不同区域，将具有不同的电路功能：正向特性的线性部分可用于放大电路正向特性的非线性部分可用于高频电路正向特性（导通）和反向特性（未击穿）二极管呈现单向导电性反向特性的击穿状态可用于稳压电路4.1半波整流电路整流的概念将交流电变为直流电的过程称为整流。零偏置当输入交流电压的幅值远远大于二极管的导通电压时，利用交流电的正半周和负半周，使二极管导通（截止）和截止（导通），无需给二极管施加偏置电压。单向导电性整流电路是利用二极管的单向导电性的一种功能电路。4.1.1电路半波整流电路工作原理

正半周

负半周

这种电路称为半波整流电路。图4-1半波整流电路及其输入输出波形4.1.2仿真仿真图与波形分析(a)仿真图（V1:1Vpk,1kHz,0°；D1:1N4148；R1:1.0kΩ）细线为输入波形，粗线为输出波形(b)输入、输出波形比较图4-2半波整流电路仿真图

半波整流电路DC传输特性DC扫描分析(a)仿真图（D1:1N4148；V1:12V；R1:1.0kΩ）(b)传输特性图4-3半波整流电路直流分析

4.2全波整流电路问题引出半波整流电路只保留了正弦波的正半周（或负半周），使正弦交流电压变为脉动直流电压。如何将正弦波的正负半周都保留下来？→引入全波整流电路半波整流只保留正半周（或负半周），输出为脉动直流电压，利用率低。全波整流正负半周均保留，输出脉动更小，利用率更高。4.2.1电路全波整流电路结构

输入电压大小相等，相位相反（利用具有中心抽头的变压器实现）

流过负载的电流保持同一方向正、负半周在负载上均有输出电压(a)电路图4-4全波整流电路及其输入输出波形(b)输入输出波形4.2.2仿真全波整流仿真图(a)仿真图（V1:2Vpk,1kHz,0°；R2:10Ω；D1/D2:1N4148；R1:10kΩ）细线为输入波形，粗线为输出波形(b)输入输出波形图4-5全波整流电路仿真图特别说明：图中采用一个低阻值的可变电阻对输入电压分压，其滑动端接地，由此得到大小相等、极性相反的电压，然后作用于全波整流电路。全波整流仿真波形分析观察结论输入波形的正负半周均在横轴以上，已将正弦交流电压变为脉动直流电压较半波整流，正弦电压的负半周也得以利用由于二极管正向压降的影响，导致输出波形幅值小于输入波形幅值正负半周的波形不能很好地衔接带变压器的全波整流电路仿真(a)带中心抽头的变压器（T1:10:5:5）(b)两个相同的变压器（T1:2:1）图4-6带变压器的全波整流电路仿真图说明：这两张图的输入输出波形与图4-5(b)相同。全波整流电路DC传输特性DC扫描分析（方法一）(a)仿真图（用可变电阻分压模拟中心抽头变压器）(b)传输特性图4-7全波整流电路直流分析1

全波整流电路DC传输特性（方法二）图4-8全波整流电路直流分析2采用带中心抽头变压器的仿真图进行DC扫描，同样得到全波整流的DC传输特性。4.3桥式整流电路问题引出全波整流电路由两个二极管完成，但需要输入大小相等、极性相反的电压，在有的应用情况下不一定方便。桥式整流电路很好地解决了输入电压的问题。全波整流需要中心抽头变压器，提供大小相等、极性相反的两路输入电压，应用不便。桥式整流只需一个输入电压，由四个二极管组成电桥，正负半周均有输出，应用更灵活。4.3.1电路桥式整流电路结构与工作原理由四个二极管D1、D2、D3和D4组成，接成电桥形式

正半周内：D2、D4导通，D1、D3截止负半周内：D1、D3导通，D2、D4截止流过负载的电流保持同一方向正、负半周在负载上均有输出电压桥式整流电路也是一种绝对值电路图4-9桥式整流电路及其输入输出波形4.3.2仿真全波桥式整流器（负载10kΩ）

图4-10全波桥式整流器整流电路仿真

桥式整流仿真（负载1kΩ）负载减小时二极管正向压降影响更明显

图4-10全波桥式整流器整流电路仿真（续）原因分析：桥式整流电路工作时，不论正半周还是负半周，均为两个二极管同时导通，导致二极管正向压降的影响较全波整流电路加倍。分立四个二极管搭建的桥式整流电路

图4-11分立的四个二极管搭建的桥式整流电路仿真结论：与全波桥式整流器相比没有明显差别。输入电压幅值对整流效果的影响关键结论不论是半波整流、还是全波、桥式整流，当输入电压幅值为1V时，输出电压幅值都很小，整流效果不好。原因：二极管的正向压降为零点几伏，输入电压为1V，二者几乎是同一量级。若输入电压幅值远大于二极管的正向压降，整流效果如何？输入电压≈1V与二极管正向压降同量级，整流效果差，输出幅值损失明显。输入电压>>正向压降二极管正向压降可忽略不计，整流效果良好。输入电压为10V时的仿真(a)输入电压为10V（D1/D2/D3/D4:1N4001；R1:10kΩ；V1:10Vpk,1kHz）(b)输入电压为10V时的输入输出波形

结论：当输入电压幅值远大于二极管正向压降时，二极管的正向压降可以忽略不计。普通（半波、全波和桥式）整流电路更适于较高电压的整流。4.4精密整流电路电路特点精密整流电路由集成运放和二极管等元器件组成，利用集成运放的放大作用，可将微弱的交流电转换为直流电。普通整流电路的局限对小信号整流效果差，当输入信号幅值与二极管正向压降同量级时，整流失效。精密整流电路的优势利用集成运放的放大作用，可将微弱的交流电转换为直流电，解决小信号整流问题。4.4.1电路——半波精密整流电路电路结构由二极管和集成运放构成的半波精密整流电路：(a)电路图（含R、D₁、D₂、集成运放A、Rₚ）(b)输入输出波形示意图图4-13半波精密整流电路全波精密整流电路电路结构

(a)电路图（含2R、R、D1、D2、A1、A2、Rp1、Rp2）(b)输入输出波形示意图图4-14全波精密整流电路4.4.2仿真——半波精密整流半波精密整流电路仿真(a)仿真图（VCC:15V；VEE:-15V；U1:OP07AH；R1:2kΩ；R2:2kΩ；R3:1kΩ；D1/D2:1N4148；V1:12V）(b)传输特性图4-15半波精密整流电路仿真图及其传输特性vv1电压(V)输出电压(V)-20-10001-1.02-2.0

仿真——全波精密整流全波精密整流电路仿真(a)仿真图（VCC:15V；VEE:-15V；U1/U2:OP07AH；R1:2kΩ；R2:4kΩ；R4/R6/R7:2kΩ；D1/D2:1N4148）(b)传输特性图4-16全波精密整流电路仿真图及其传输特性vvi电压(V)输出电压(V)-22.0-11.00011.022.0结论：可看出电路所具有的"绝对值"电路特性。4.4.3实验——精密全波整流电路面包板实验图4-17面包板上的精密全波整流电路实验仪器雨珠3口袋仪器电源设置+5V和-5V信号源1kHz正弦波实验结果——输入500mV(a)输入信号500mV结论：电路可以输出完整的全波整流波形通道1200mV/div通道21V/div时基500μs/div实验结果——输入200mV与100mV(b)输入信号200mV—输出仍为比较完整的全波整流波形(c)输入信号100mV—输出波形中正负半周幅度不等，整流效果不太好图4-18全波精密整流电路输出波形对比结论：与普通全波整流电路相比，已经看到全波精密整流电路的"精密"程度。4.5稳压电路稳压管工作原理从稳压管的特性曲线来看，其反向击穿区的曲线非常陡峭：稳压特性工作在反向击穿状态时，表现出很好的稳压作用电流-电压关系

如何利用稳压管的这一特点构建稳压电路？4.5.1电路最简稳压电路输入电压的极性和稳压管的接入应使稳压管反偏

通过设置电阻R的值，保证稳压管有一个合适的工作电流（合适的工作点）图4-19稳压管最简稳压电路限流电阻R的双重作用与取值电阻R的双重作用限流作用

调整作用

R的取值应满足：式中：

4.5.2仿真实例设计题目用蓄电池为一台9V收音机供电：最大消耗功率0.5W蓄电池电压波动12～13.6V设计目标设计一个简易稳压电路，确定电阻R和稳压管的参数实例设计过程已知条件

实例参数选择与仿真结果参数选择电阻R取47Ω（标称值，1W）

稳压管功率

电阻R最大功率

稳压管型号选用1N4739A（稳定电压9.1V，耗散功率1W）仿真验证(a)输入电压为12V（V:9.06V；I:55.9mA）(b)输入电压为13.6V（V:9.11V；I:56.2mA）图4-20实例仿真结论：符合设计要求。4.6限幅电路限幅电路的作用消除信号中大于或小于某一特定值的部分。上限幅电路消除信号中大于某一特定值的部分，将输出电压的上限钳制在门限电压处。下限幅电路消除信号中小于某一特定值的部分，将输出电压的下限钳制在门限电压处。双向限幅电路（重点）同时对信号的上下两个方向进行限幅，将输出电压限制在上下门限之间。4.6.1电路——二极管双向限幅电路工作原理分析(a)电路(b)传输特性图4-21二极管双向限幅电路上限幅（D₁支路）

下限幅（D₂支路）

4.6.2仿真——二极管双向限幅电路仿真参数：E=3V，R=1kΩ，输入信号正弦波幅值6V，频率1kHz(a)仿真图（R1:1.0kΩ；V3:6Vpk,1kHz；D1/D2:1N4148；V1/V2:3V）(b)DC传输特性测试结果：电路的下门限、上门限电压分别为-3.634V和+3.634V，与理论分析结果基本一致双向限幅瞬态分析(c)输入（细线）、输出（粗线）波形图4-22二极管双向限幅电路仿真

限幅放大器设计设计要求利用集成运放和稳压管，设计一个具有放大与限幅双重功能的电路：放大倍数20输出电压范围限制在-3.5V～+3.5V之间设计方案采用反相比例放大器（20倍），R1取1kΩ，R2取20kΩ，R3取1//20≈1kΩ利用背靠背的稳压管对输出电压实现双向限幅考虑到稳压管的正向压降，稳压管的稳压值取3.3V图4-23限幅放大器仿真图（VCC:15V；VEE:-15V；U1:OP07AH；R1:1kΩ；R2:20kΩ；R3:1.0kΩ；D1/D2:BZV55-B3V3；V1:0.3Vpk,1kHz）截止状态

限幅状态

限幅放大器工作原理分析

限幅放大器仿真结果

(b)输入电压幅值为0.1V时的输出波形（未被限幅，仍为正弦波）(c)输入电压幅值为0.3V时的输出波形（被限幅于3.5V）图4-24限幅放大器的DC分析和瞬态分析4.6.3实验——LED限幅放大器利用LED实现限幅普通二极管串联普通二极管正向串联可得到约1.4V的稳定电压发光二极管（LED）LED正向导通电压约为2V，可实现约2V的稳定电压电路图图4-25采用LED的限幅放大器（VCC:15V；VEE:-15V；U1:OP07AH；R1:1.0kΩ；R2:20kΩ；V1:0.3Vpk,1kHz）该电路利用LED的正向导通电压（约2V）实现限幅功能，背靠背连接的两个LED可对输出电压进行双向限幅，限幅电压约为±2V。LED限幅放大器实验过程实验设置：放大倍数10倍；雨珠3口袋仪器；电源+5V和-5V(a)面包板上的LED限幅放大器(b)设置电源电压+5V和-5V(c)选择信号源电压幅值100mV图4-26LED限幅放大器实验LED限幅放大器实验结果(d)输出波形1：输入100mV，输出幅值为1V，输出波形未被限幅(e)输出波形2：输入200mV，输出波形已经被限幅图4-26LED限幅放大器实验（续）4.7钳位电路钳位电路的概念别名又称直流分量恢复电路作用使整个信号电压进行直流平移重要特征无须知道确切的信号波形，而能调整其直流分量4.7.1电路二极管钳位电路分析

图4-27二极管钳位电路及其波形4.7.2仿真钳位