zch010二极管及其电路.ppt

模拟电子技术 电子教案V1 0 华中科技大学电信系邹韬平 电子电路分析与设计 Ch01 02 2 MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesign Chapter1SemiconductorMaterialsandDiodes Chapter2DiodeCircuits Chapter3TheField EffectTransistor Chapter4BasicFETAmplifiers Chapter5TheBipolarJunctionTransistor Chapter6BasicBJTAmplifiers Chapter7FrequencyResponse Chapter8OutputStagesandPowerAmplifiers 2Chapter9IdealOperationalAmplifiersandOp AmpCircuits 2Chapter10IntegratedCircuitBiasingandActiveLoads 2Chapter11DifferentialandMultistageAmplifiers 2Chapter12FeedbackandStability 2Chapter13OperationalAmplifierCircuits 2Chapter14NonidealEffectsinOperationalAmplifierCircuits 2Chapter15ApplicationsandDesignofIntegratedCircuits 4h 4h 10h 基础 重点章 较独立的分析任务 4h 4h 6h 8h 8h 4h 共52h 运放内部电路 3 二极管及其电路 分析 Ch1 SemiconductorMaterialsandDiodes 1 1SemiconductorMaterialsandProperties 1 2ThePNJunction 1 4DiodeCircuits ACEquivalentCircuit 1 3DiodeCircuits DCAnalysisandModels 1 5OtherDiodeTypes Ch2 DiodeCircuits 2 1RectifierCircuits 2 2ZenerDiodeCircuits 2 4Multiple DiodeCircuits 2 3ClipperandClamperCircuits 2 5PhotodiodeandLEDCircuits 问题1 二极管 PN结 主要特性是什么 其工程描述方法 问题2 二极管电路 非线性 的分析方法 最常用的是 问题3 常用的二极管电路及功能 4 1 1SemiconductorMaterialsandProperties 1 1 1IntrinsicSemiconductors 1 1 2ExtrinsicSemiconductors 1 1 3DriftandDiffusionCurrents 1 1 4ExcessCarriers 原子结构简化模型 Silicon Si germanium Ge galliumarsenide Valenceelectrons SemiconductorMaterials Properties 1 导电能力容易受环境因素影响 温度 光照等 2 掺杂可以显著提高导电能力 5 1 1 1IntrinsicSemiconductors 本征半导体 纯半导体 无杂质半导体 single crystalSilicon AtT 0K allvalenceelectronsarebound nochargeflows insulator 1 1SemiconductorMaterialsandProperties Fig1 2Covalentbondingstructure Covalentbonding Valenceelectron Si Eg 1 1eV Ge Eg 0 66eV Insulator Eg 3 6eV 1eV 1 6 10 19J 6 1 1 1IntrinsicSemiconductors 1 1SemiconductorMaterialsandProperties 本征激发Generation Freeelectron 温度 光照 Generation Freeelectron ValenceelectronGainenergy 浓度 导电能力 Emptystate positivecharge 空位 带正电荷 靠相邻共价键中的价电子依次充填空位来实现电荷移动 取名为 Hole空穴可自由移动的正电荷 温度 载流子浓度 Carrier载流子 自由移动带电粒子 复合electron holerecombination 本征激发的逆过程见1 1 4ExcessCarriers 7 1 1 2ExtrinsicSemiconductors 1 N型半导体 掺入少量的五价元素磷P 2 P型半导体 掺入少量的三价元素硼B 自由电子是多数载流子 简称多子 空穴是少数载流子 简称少子 空穴是多数载流子自由电子为少数载流子 1 1SemiconductorMaterialsandProperties 空间电荷 8 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响 一些典型的数据如下 以上三个浓度基本上依次相差106 cm3 2 掺杂后N型半导体中的自由电子浓度 n0 Nd 1 1016 cm3 p0 ni2 n0 2 25 104 cm3 杂质对半导体导电性的影响 9 本征半导体 本征激发 本节中的有关概念 自由电子空穴 N型半导体 施主杂质 5价 P型半导体 受主杂质 3价 多数载流子 少数载流子 杂质半导体 复合 半导体导电特点1 其能力容易受温度 光照等环境因素影响温度 载流子浓度 导电能力 半导体导电特点2 掺杂可以显著提高导电能力 10 1 1 3DriftandDiffusionCurrents 1 1SemiconductorMaterialsandProperties 扩散运动 浓度差产生的载流子移动 漂移运动 在电场作用下 载流子的移动 11 1 2ThePNJunction 1 2 1TheEquilibriumpnJunction Objective 1 2 2Reverse BiasedpnJunction 1 2 3Forward BiasedpnJunction 1 2 4IdealCurrent VoltageRelationship 1 2 5pnJunctionDiode TemperatureEffect BreakdownVoltage SwitchingTransient 问题1 二极管 PN结 主要特性是什么 其工程描述方法 12 1 2 1TheEquilibriumpnJunction 因为浓度差 多子的扩散运动 在P型半导体和N型半导体结合面 离子薄层形成的空间电荷区称为PN结 在空间电荷区中缺少多子 所以也称耗尽层 复合 杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后 多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡 问题 当动态平衡被外电场打破后 会如何 P region N region 13 PN结的单向导电性 只有在外加电压时才 扩散与漂移的动态平衡将 定义 加正向电压 简称正偏 加反向电压 简称反偏 扩散 漂移大的正向扩散电流 多子 低电阻 正向导通 漂移 扩散很小的反向漂移电流 少子 高电阻 反向截止 1 2 2Reverse BiasedpnJunction 1 2 3Forward BiasedpnJunction 14 1 2 3Forward BiasedpnJunction Space chargeregion Depletionregion Built inpotentialbarrier Vbi vD EA EI Thermalequilibrium Vbi Densitygradient Depletionregionisreduced lowresistance MajoritycarriersflowacrossPNjunctionmoreeasily IDF IDR iD IDF IDR IDF 外加正向偏置电压 Vbi excesscarriers 15 1 2 2Reverse BiasedpnJunction vR 1 Depletionregionisincreased highresistance 2 Majoritycarrierscannotcrossthejunction 3 MinoritycarrierssweepacrossPNeasily But IDF IDR iR IDR 0 EA EI 4 JunctionCapacitanceDepletionLayerCapacitanceVR charges 若f较高 VaractorDiode 用来描述势垒区的空间电荷随外加电压变化而变化的电容效应 势垒电容Cj SwitchingCharacteristics Vbi build involtage 16 1 2 4IdealCurrent VoltageRelationship 图2 1 8PN结伏安特性 正向特性 反向特性 PN结 二极管 特性描述方法 陡峭 电阻小正向导通 特性平坦 反向截止温度一定 由本征激发产生的少子浓度一定 PN结方程 理论计算仿真 IS 反向饱和电流 VT 温度的电压当量 26mV 伏安特性曲线 对应图解法 17 1 2 5pnJunctionDiode TemperatureEffect BreakdownVoltage SwitchingTransient 问题1 二极管 PN结 主要特性是什么 其工程描述方法 circuitsymbol Photoofrealdiode 18 图2 2 2硅二极管的2CP10的伏安特性图2 2 3锗二极管2AP15的伏安特性 二极管的伏安特性 正向特性 反向特性 反向击穿特性 Vth 0 5V 硅 Vth 0 1V 锗 注意 1 死区电压 门坎电压 2 反向饱和电流 好 硅 0 1 A 锗 10 A 3 PN结方程 近似 19 TemperatureEffect 1 2 5pnJunctionDiode 温度对二极管特性曲线的影响示意图 温度升高时 正向特性曲线向左移动 温度 1 正向压降 2 2 5mV 反向特性曲线向下移动 温度 10 反向电流 一倍 ISandVTarefunctionsofT 20 BreakdownVoltage 1 2 5pnJunctionDiode 反向击穿 倍增效应 雪崩击穿 齐纳击穿 PN结的反向击穿 StoragetimetsTurn offtimetf Whenforward bias excesscarrierisstoredinbothregions Whenswitchingfromforwardtoreverse itneedtimetoremove SwitchingTransient 图2 1 10扩散电容效应 21 1 势垒电容CB 2 扩散电容CD PN结电容 用来描述势垒区的空间电荷随外加电压变化而变化的电容效应势垒电容CB 图2 1 9势垒电容与外加电压关系 图2 1 10扩散电容效应 多数载流子的扩散运动是形成扩散电容的主要因素 SwitchingTransient 22 1 最大整流电流IF 2 最高反向工作电压VRM 3 反向电流IR 4 极间电容Cd 5 最高工作频率fM 二极管的主要参数 图2 2 3锗二极管2AP15的伏安特性 IF VRM VBR IR 极限 直流 交流 1 2 5pnJunctionDiode 23 1 5OtherDiodeTypes 1 5 1SolarCell 1 5 2Photodiode 1 5 3Light EmittingDiode 1 5 4SchottkyBarrierDiode 1 5 5ZenerDiode 反向截止状态少子漂移电流 特殊材料正向导通发光导通电压较大 反向击穿状态 变容二极管反向截止状态利用势垒电容见1 2 2Reverse Biased 金属 N开关速度高 阅读资料 不做要求 但必须掌握 齐纳二极管 VaractorDiode 问题1 二极管 PN结 主要特性是什么 其工程描述方法 24 1 3DiodeCircuits DCAnalysisandModels 1 3 0IdealDiode 1 3 1IterationandGraphicalAnalysistechniques 1 3 2PiecewiseLinearModel 1 3 3ComputerSimulationandAnalysis 1 4DiodeCircuits ACEquivalentCircuit 1 3 4SummaryofDiodeModels 1 4 1SinusoidalAnalysis 1 4 2Small SignalEquivalentCircuit 问题1 二极管 PN结 主要特性是什么 其工程描述方法 问题2 二极管电路 非线性 的分析方法 最常用的是 25 1 3 4SummaryofDiodeModels 非线性分析方法 PN结方程 复杂 图解分析方法 麻烦 等效电路分析方法 转换为线性 硅二极管的伏安特性 理想模型 折线模型恒压降模型 折线模型 小信号模型 问题2 二极管电路 非线性 的分析方法 最常用的是 根据不同的工作条件和要求 在分析精度允许的条件下 采用不同的模型来描述非线性元器件的电特性 26 1 3 1IterationandGraphicalAnalysistechniques 例1 已知伏安特性 求VD ID 线性 vD VI iDR 非线性 联立求解 可得VD ID 图解法直线与伏安特性的交点 图解法关键 画直线 又称为负载线 静态工作点Q 问题 若VI 10V 则交点位于什么位置 27 1 4 1SinusoidalAnalysis 例2 已知伏安特性 求vD iD 例1 已知伏安特性 求VD ID VI 10V vi 1Vsin t 先静态分析 直流负载线 再动态分析 交流负载线 vD VI vi iDR 问题2 在D正向导通 则vD VD 0 7V 问题3 可否用叠加原理求 iD和 vD 问题1 vi 10Vsin t 28 iD ID DiDvD VD DvD VI 10V vi 1Vsin t 动态分析 叠加原理 例2 已知伏安特性 求vD iD 问题3 可否用叠加原理求 iD和 vD 1 4 1SinusoidalAnalysis 29 小信号模型 二极管工作在正向特性的某一小范围内时 其正向特性可以等效为 微变电阻 根据得Q点处的微变电导 常温下 T 300K 1 4 1SinusoidalAnalysis 30 VI 10V vi 1Vsin t 例2 已知伏安特性 求vD iD iD ID DiD 0 95mA 0 1mAsin t vD VD DvD 0 7V 叠加原理 小信号模型 小信号等效电路 1 4 1SinusoidalAnalysis 31 例3 小信号分析 例2中求 vD iD VI 10V vi 1Vsin t 解题步骤 1 静态分析 令vi 0 由恒压降模型得 VD 0 7V ID 0 93mA 2 动态分析 令VI 0 由小信号模型得 1 4 1SinusoidalAnalysis 32 小信号工作情况分析 模型分析应用举例 图示电路中 VDD 5V R 5k 恒压降模型的VD 0 7V vs 0 1sinwtV 1 求输出电压vO的交流量和总量 2 绘出vO的波形 直流通路 交流通路 静态 动态等概念 在放大电路的分析中非常重要 1 4 1SinusoidalAnalysis 33 1 3 2PiecewiseLinearModel 大信号模型 将指数模型分段线性化 得到二极管特性的等效电路 1 理想模型 3 折线模型 2 恒压降模型 VD 0 7V 硅 VD 0 2V 锗 问题2 二极管电路 非线性 的分析方法 最常用的是 问题 二极管状态判断方法 34 2 静态工作情况分析 2 模型分析法应用举例 R 10k a VDD 10V时 b VDD 1V时 理想模型 恒压模型 折线模型 理想模型 恒压模型 折线模型 35 1 3 4SummaryofDiodeModels 非线性分析方法 PN结方程 复杂 图解分析方法 麻烦 等效电路分析方法 转换为线性 硅二极管的伏安特性 理想模型 折线模型恒压降模型 折线模型 小信号模型 问题2 二极管电路 非线性 的分析方法 最常用的是 根据不同的工作条件和要求 在分析精度允许的条件下 采用不同的模型来描述非线性元器件的电特性 36 二极管分析方法小结 状态判断 假设D截止 开路 求D两端开路电压 VD 0 7V 状态 等效电路 条件 将不同状态的等效电路 模型 带入原电路中 分析vI和vO的关系 画出电压波形和电压传输特性 确定功能及指标 特殊情况 求 vD 波动 小信号模型和叠加原理 最常用 恒压降模型 1 3 2PiecewiseLinearModel 37 习题2 4 4试判断图题2 4 4中二极管导通还是截止 为什么 图题2 4 4 a 例4 习题2 4 3电路如下图所示 判断D的状态 1V 2 5V 1V 二极管分析方法小结 状态判断 38 Ch2 DiodeCircuits 2 1RectifierCircuits 2 2ZenerDiodeCircuits 2 4Multiple DiodeCircuits 2 3ClipperandClamperCircuits 2 5PhotodiodeandLEDCircuits 问题2 二极管电路 非线性 的分析方法 最常用的是 问题3 常用的二极管电路及功能 2 1 1Half WaveRectification 2 1 2Full WaveRectification 2 1 3Filters RippleVoltageandDiodeCurrent 2 1 4Detectors 2 1 5VoltageDoublerCircuit 1 ClipperandRectifierCircuits 分析任务 求vD iD目的1 确定电路功能 即信号vI传递到vO 有何变化 目的2 判断二极管D是否安全 2 3 1Clippers 2 RectifierandPrecisionRectifier 2 1 1Half WaveRectification 2 1 2Full WaveRectification 9 5 6NonlinearCircuitApplication 3 带有电容的二极管电路 4 ZenerDiodeCircuits 39 1 ClipperandRectifierCircuits 假设D截止开路 则vD vi 理想模型 vi 0 D导通 VD 0vi 0 D截止 vD vi vO1 a b 恒压降模型 vi 0 7V D导通 VD 0 7Vvi 0 7V D截止 vD vi 分析结论 Clippers Limiter Rectifier 40 2 3 1Clippers 1 ClipperandRectifierCircuits a Parallel basedclipper b Series basedclipper c Doublelimiter 41 半波整流 全波整流 全波桥式整流 2 1RectifierCircuits D1导通 D2导通 D1 D3导通 D2 D4导通 信号处理 绝对值 42 桥式整流电路 D1 D3导通 D2 D4导通 43 单相整流电路的性能指标 1 直流电压VL 输出平均电压 3 纹波系数 4 二极管平均整流电流 IF 5 二极管承受的最大反向电压 VBR 选择变压器 匝数比 线径 选择二极管 2 直流电流IL 输出平均电流 性能参数 44 利用桥式整流电路实现正 负电源 45 直流电源 小功率直流电源的结构图和转换过程 46 9 5 6NonlinearCircuitApplication 9 5Op AmpApplications 1 PrecisionHalf WaveRectifier 因为D在反馈回路 必须先判断状态 2 LogAmplifier 3 AntilogorExponentialAmplifier 设D截止开路 则 vO1通过D引入负反馈 构成电压跟随器 此时运放处于开环状态 47 9 5 6NonlinearCircuitApplication 2 LogAmplifier 3 AntilogorExponentialAmplifier IfDisforwardbiased 电路正常工作基本条件 vS 0 VD on vS 0 vS VD on V 48 3 带有电容的二极管电路 2 1 3Filters RippleVoltageandDiodeCurrent 2 1 4Detectors 2 1 5VoltageDoublerCircuit 2 3 2Clampers 49 2 1 3Filters RippleVoltageandDiodeCurrent 1 电容滤波原理 注意 电容方向 RL未接入 忽略整流电路内阻Rint RL接入 v2 vc 放 RLC v2 vc vc 充 RintC 二极管中的电流 脉冲波 50 2 电容滤波的特点 A 二极管的导电角 流过二极管的瞬时电流很大 B 负载直流平均电压VO升高 d RLC越大 VO越高 C 直流电压VL随负载电流增加而减小 2 1 3Filters RippleVoltageandDiodeCurrent 51 3 带有电容的二极管电路 2 1 3Filters RippleVoltageandDiodeCurrent 2 1 4Detectors 2 1 5VoltageDoublerCircuit 2 3 2Clampers 52 图2 3 5二极管钳位电路 2 3 2Clampers 2 3限幅电路和钳位电路 53 4 ZenerDiodeCircuits 54 基本要求 问题1 二极管 PN结 主要特性是什么 其工程描述方法 掌握PN结的单向导电性 I V特性 PN结方程问题2 二极管电路 非线性 的分析方法 最常用的是 分段线性的分析方法 关键是工作状态判断恒压降模型问题3 常用的二极管电路及功能 掌握二极管 包括稳压管 的基本应用及基本应用电路 二极管及其电路 分析 Ch1 SemiconductorMaterialsandDiodes Ch2 DiodeCircuits 55 微电子电路分析与设计 第1章半导体材料和二极管 第2章二极管电路 第3章场效应晶体管 第4章基本FET放大器 第5章双极型晶体管 第6章基本的BJT放大器 第7章频率响应 第8章输出级和功率放大器 第9章理想运算放大器及运放电路 第10章集成电路偏置技术和有源负载 第11章差分放大器和多级放大器 第12章反馈及其稳定性 第13章运算放大器电路 第14章运算放大器电路的非理想效应 第15章集成电路的应用和设计 第2部分模拟电子技术 第1部分半导体器件及其基本应用 56 第1章半导体材料和二极管 1 1半导体材料及其特性 1 2PN结 1 3二极管电路 直流分析及模型 1 4二极管电路 交流等效电路 1 5其他类型的二极管 Ch1 SemiconductorMaterialsandDiodes 1 1SemiconductorMaterialsandProperties 1 2ThePNJunction 1 4DiodeCircuits ACEquivalentCircuit 1 3DiodeCircuits DCAnalysisandModels 1 5OtherDiodeTypes 第2章二极管电路 2 1整流电路 2 2齐纳二极管电路 2 3限幅电路和钳位电路 2 4多二极管电路 2 5光电二极管和发光二极管电路 Ch2 DiodeCircuits 2 1RectifierCircuits 2 2ZenerDiodeCircuits 2 4Multiple DiodeCircuits 2 3ClipperandClamperCircuits 2 5PhotodiodeandLEDCircuits 58 2 模型分析法应用举例 3 4 2二极管电路的简化模型分析方法 1 整流电路 2 静态工作情况分析 3 限幅电路 4 开关电路 5 低电压稳压电路 问题3 常用的二极管电路及功能 分析任务 求vD iD目的1 确定电路功能 即信号vI传递到vO 有何变化 目的2 判断二极管D是否安全 59 讲课思路 3 4二极管基本电路及其分析方法 3 4 1简单二极管电路的图解分析方法 3 4 2二极管电路的简化模型分析方法 1 二极管V I特性的建模 2 模型分析法应用举例 1 整流电路 2 静态工作情况分析 3 限幅电路 4 开关电路 6 小信号工作情况分析 5 低电压稳压电路 2 恒压降模型 1 理想模型 3 折线模型 4 小信号模型 图解分析2例 导出小信号模型 二极管状态判断方法小结 4 小信号模型 6 小信号工作情况分析 2 静态工作情况分析