电子元件基础知识培训技巧

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61 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：1ZRjwLjwCC C：分布电容；：分布电容；L L：分布电感：分布电感元件封装元件封装v贴片

2、：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4v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（交流、直流和脉冲电路）v水泥电阻：阻值小、功率大，耐震、耐热

3、；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0.15pFv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

4、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v9河海大学常州校区阻抗：12/()1ZjwCRjwLjwCv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、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

5、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、

6、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 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) )

7、受等效阻抗影响，一般多个并联解决发热问题受等效阻抗影响，一般多个并联解决发热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

8、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162011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ZjwLLdiLVdtv感量感量v

9、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ESLESLv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+Zn/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

10、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 Qv损耗角正切值损耗角正切值tan：1/QvQ值用处：谐振电路的匹配谐振电路的匹配( (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wLQRdcRacRd“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

11、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

12、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crf61. 6 ：电阻率；ur ：相对磁

13、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26v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。

14、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

15、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

16、、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31PNPN结结载流子的扩散载流子的扩散河海大学常州校区32PNPN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

17、到P区必须越过一个能量高坡能量高坡，即势垒。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。

18、在结电场的作用下，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特性稳压、雪崩二极管稳压

19、、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变化晶格受力变化/ /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36PNPN结的应用结的应用v模型：v高频模型：河海大学常州校区374 4、 二极管二极管VF：0.11V常用的为0.50.7VIF：视不同二极管而定硅管：0.7V

20、锗管：0.2Vv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tonACF0PfV dtDCFFPV *Iv基本参数：基本参数：V VF F、I IF Fv正向浪涌电流正向浪涌电流I IF F-peak-peakv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v反向耐压反向耐压VrVrv反向漏电流反向漏电流IrIrv寄生电感：寄生电感：影响高频特性影响高频特性

21、v最高工作温度最高工作温度TopTopv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/SM71N540X1N540XRL20XRL20X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

22、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极管(U)FRD(U)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:FR107FR10735ns:STTH

23、3R0235ns: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STPS20H100CTSTPS20H100CTSS34SS34、1N58221N5822MBR400100CT MBR400100CT 开关电源开关电源 变频器变频器驱动器驱动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415 5、 三极管三极管“电流放大电流放大”：以以基极

24、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放大等电流或电压放大等振荡振荡电路电路调制解调、自激振荡等调制解调、自激振荡等开关开关电路电路/ /电源电源电路电路闸流、限流或作开关管等闸流、限流或作开关管等“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 ICMCM最大集电极电流最大集电极电流电流限值电流限值500mA500mAV 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0.67V0.67Vf fT T特征频率特征频率工作频率限制工作频率限制150MHz150MHzh hFEFE直流电流增益直流电流增益放大电路设计放大电路设计120120V 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