半导体二极管及基本应用

1、半导体二极管及基本应用半导体二极管及基本应用1.4 特殊用途二极管1.3 半导体二极管的基本应用1.1 半导体的特性1.2 半导体二级管1.1 半导体的特性导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。 半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如： 当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。可制作热敏电阻、光电二 极管、光电三极管 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显

2、改变。半导体的三个特性：掺杂性、热敏性和光敏性1. 本征半导体一、本征半导体的结构特点GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体结构：硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为

3、自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4二、本征半导体的导电机理在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。1.载流子、自由电子和空穴+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子2.本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下

4、，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。2. 杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称

5、为（空穴半导体）。N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。一、N 型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。+4+4+5+4多余电子磷原子N 型半导体中的载流子是什么？1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远

6、大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。二、P 型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。三、杂质半导体的示意表示法P 型半导体+N 型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。1.1.2 P

7、N结及单向导电性1.PN 结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN 结。P型半导体N型半导体+扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。漂移运动P型半导体N型半导体+扩散运动内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。+空间电荷区N型区P型区电位VV01、空间电荷区中没有载流子。2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区 中的电子（都是多子）向对方运动

8、（扩散运动）。3、P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少），数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意:2. PN结的单向导电性 PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P 区加正、N 区加负电压。 PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区加负、N 区加正电压。+RE一、PN 结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。PN结导通二、PN 结反向偏置+内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流， PN结处于截止状态。在一定温度下，外加反向电压超过某个值时，反向电流将不再随着外

9、加电压的增加而增大，称为方向饱和电流IsRE1.1.3 半导体二极管一、基本结构PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线外壳线触丝线基片点接触型PN结面接触型PN二极管的电路符号： 二、伏安特性UI死区电压 硅管0.7V,锗管0.2V。导通压降: 硅管0.60.8V,锗管0.10.3V。反向击穿电压UBR二极管的伏安特性曲线可用下式表示二极管的击穿二极管处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PN结的电流很小，但电压超过某一数值时，反向电流急剧增加，这种现象我们就称为反向击穿。击穿形式分为两种：电击穿（齐纳击穿和雪崩击穿）和热击穿。 齐纳击穿：高掺杂情况下，耗尽层很窄，宜于形成强电场，

10、而破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚形成电子空穴对，致使电流急剧增加。 雪崩击穿：如果搀杂浓度较低，不会形成齐纳击穿，而当反向电压较高时，能加快少子的漂移速度，从而把电子从共价键中撞出，形成雪崩式的连锁反应。 对于硅材料的PN结来说，击穿电压7v时为雪崩击穿，6v ,管子雪崩击穿，U为正值稳定电压4v ,管子齐纳击穿，U为负值4v稳定电压6v ,温度稳定性最好（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗（3）动态电阻指稳压管两端电压和电流的变化量之比。反向曲线愈陡，则动态内阻愈小，稳压性能愈好。Izmin指稳压管的工作电压等于稳定电压时流过管子所需的最小电流

11、。低于此值，无稳压效果；高于此值，但不高于Izmax均可正常工作，且电流越大稳压效果越好。稳压管应用时应注意：应确保稳压管工作在反向偏置状态稳压管工作时的电流应在Izmax、Izmin之间，因而电路中必须接限流电阻。稳压管可以串联使用，串联后的稳压值为各管稳压值之和。2.稳压二极管稳压电路稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL稳压管的技术参数:负载电阻 。要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax 。求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。方程1令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin 。方程2uoiZDZ

12、RiLiuiRL联立方程1、2，可解得：2. 光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加3. 发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。4. 变容二极管 利用二极管的结电容特性，反向连接于电路之中，工作于截止状态。结电容随外加电压的增加而减小，改变加在变容二极管上的电压，就能改变电容量，成为利用电压调整电路中电容参数的基本元件。变容二极管的电路符号。变容二极管的主要参数有：最大结电容Cmax、最小结电容Cmin、反向击穿电压、反向漏电电流以及Q值。Q值越高的变容二极管，在高频电路中的损耗越小。为追求较高的

13、Q值，减少流过二极管的电流，人们总是使变容二极管反向偏置于电路之中。半导体二极管图片单相整流电路 电子电路工作时都需要直流电源提供能量，电池因使用费用高，一般只用于低功耗便携式的仪器设备中。本章讨论如何把交流电源变换为直流稳压电源，一般直流电源由如下部分组成： 整流电路是将工频交流电转为具有直流电成分的脉动直流电。 滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分。 稳压电路对整流后的直流电压采用负反馈技术进一步稳定直流电压。 直流电源的方框图如图10.01所示。单相桥式整流电路(1) 工作原理 单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，其电路如图10.02（a）所示。

14、（a）桥式整流电路 （b）波形图图10.02 单相桥式整流电路 在分析整流电路工作原理时，整流电路 中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。根据图10.02(a)的电路图可知： 当正半周时二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。 在负载电阻上正负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。单相桥式整流电路的波形图见图10.02(b)。 当负半周时二极管D2、D4导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。 根据图10.02（b）可知，输出电压是单相脉动电压。通常用它的平均值与直流电压等效。输出平均电压为（2）参数计算 流过负载的平均电流为流过二极管的平均电流为二极管所承受的最大反

15、向电压单相半波整流电路 单相整流电路除桥式整流电路外，还有单相半波和全波两种形式。单相半波整流电路如图10.04(a)所示，波形图如图10.04(b)所示。(a)电路图 (b)波形图 图10.04 单相半波整流电路 根据图10.04可知，输出电压在一个工频周期内，只是正半周导电，在负载上得到的是半个正弦波。负载上输出平均电压为流过负载和二极管的平均电流为二极管所承受的最大反向电压 单相全波整流电路如图10.05(a)所示，波形图如图10.05(b)所示。 (a)电路图 图10.05 单相全波整流电路 (b)波形图8/29/2022 根据图10.05（b）可知，全波整流电路的输出，与桥式整流电路

16、的输出相同。输出平均电压为流过负载的平均电流为 二极管所承受的最大反向电压 单相全波整流电路的脉动系数S与单相桥式整流电路相同。注意，整流电路中的二极管是作为开关运用的。整流电路既有交流量，又有直流量，通常对: 输入（交流）用有效值或最大值； 输出（交直流）用平均值； 整流管正向电流用平均值； 整流管反向电压用最大值。 单相桥式整流电路的变压器中只有交流电流流过，而半波和全波整流电路中均有直流分量流过。所以单相桥式整流电路的变压器效率较高，在同样的功率容量条件下，体积可以小一些。单相桥式整流电路的总体性能优于单相半波和全波整流电路，故广泛应用于直流电源之中。滤波电路10.2.1 电容滤波电路1

17、0.2.2 电感滤波电路电容滤波电路 (1)滤波的基本概念 滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L 应与负载串联。经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。 （2）电容滤波电路 现以单相桥式电容滤波整流电路为例来说明。电容滤波电路如图10.06所示，在负载电阻上并联了一个滤波电容C。图10.06电容滤波电路 当v2到达90时，v2开始下降。先假设二极管关断，电容C就要以指数规律向负载L放电。指数

18、放电起始点的放电速率很大。(3)滤波原理 若电路处于正半周，二极管D1、D3导通，变压器次端电压v2给电容器C充电。此时C相当于并联在v2上，所以输出波形同v2 ，是正弦形。 图10.07电容滤波波形图 所以，在t1到t2时刻，二极管导电，充电，vC=vL按正弦规律变化；t2到t3时刻二极管关断，vC=vL按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。电容滤波过程见图10.07。 在刚过90时，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过90时二极管仍然导通。在超过90后的某个点，正弦曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率时，二极管关断。 需要指出的是，当放电时间常数RLC增加时，t1点要右移， t

19、2点要左移，二极管关断时间加长，导通角减小，见曲线3；反之，RLC减少时，导通角增加。显然，当L很小，即IL很大时，电容滤波的效果不好，见图10.08滤波曲线中的2。反之，当L很大，即IL很小时，尽管C较小, RLC仍很大,电容滤波的效果也很好，见滤波曲线中的3。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。问题：有无L即空载，此时VC=VL=？图10.08 电容滤波的效果(动画10-3）(动画10-4）(4)电容滤波的计算 电容滤波的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。工程上有详细的曲线可供查阅。一般常采用以下近似估算法：一种是用锯齿波近似表示，即 另一种是在RLC=(35)T/ 2的条件下，近

20、似认为VL=VO=1.2V2。（或者，电容滤波要获得较好的效果，工程上也通常应满足RLC610。） （5）外特性 整流滤波电路中，输出直流电压VL随负载电流 IO的变化关系曲线如图10.09所示。 图10.09 整流滤波电路的外特性 *使用条件：电感滤波电路 利用储能元件电感器的电流不能突变的性质，把电感与整流电路的负载L相串联，也可以起到滤波的作用。 图10.10 电感滤波电路 图10.11 波形图 电感滤波电路如图10.10所示。电感滤波的波形图如图10.11所示。 当v2正半周时，D1、D3导电，电感中的电流将滞后v2。当负半周时，电感中的电流将经由D2、D4提供。因桥式电路的对称性，和

21、电感中电流的连续性，四个二极管D1、D3 ； D2、 D4的导通角都是180。（动画10-5）稳压电路概述10.2.1.1 引起输出电压不稳定的原因10.2.1.2 稳压电路的技术指标 引起输出电压变化的原因是负载电流的变化和输入电压的变化，参见图16.01。引起输出电压不稳定的原因负载电流的变化会在整流电源的内阻上产生电压降，从而使输入电压发生变化。图16.01稳压电源方框图即硅稳压二极管稳压电路10.2.2.1 硅稳压二极管稳压电路的原理10.2.2.2 稳压电阻的计算10.2.2.3 基准源硅稳压二极管稳压电路的原理硅稳压二极管稳压电路的电路图如图16.02所示。 它是利用稳压二极管的反

22、向击穿特性稳压的，由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。图16.02 硅稳压二极管稳压电路(1) 当输入电压变化时如何稳压根据电路图可知 输入电压VI的增加，必然引起VO的增加，即VZ增加，从而使IZ增加，IR增加，使VR增加，从而使输出电压VO减小。这一稳压过程可概括如下： 这里VO减小应理解为，由于输入电压VI的增加，在稳压二极管的调节下，使VO的增加没有那么大而已。VO还是要增加一点的，这是一个有差调节系统。VIVOVZIZIRVRVO图16.02 硅稳压二极管稳压电路(2) 当负载电流变化时如何稳压 负载电流IL的增加，必然引起IR的增加，即VR增加，从而使VZ=V

23、O减小，IZ减小。IZ的减小必然使IR减小，VR减小，从而使输出电压VO增加。这一稳压过程可概括如下： ILIRVRVZ（VO）IZIRVRVO稳压电阻的计算 稳压二极管稳压电路的稳压性能与稳压二极管击 穿特性的动态电阻有关，与稳压电阻R的阻值大小有关。稳压二极管的动态电阻越小，稳压电阻R越大，稳压性能越好。稳压电阻R 的作用将稳压二极管电流的变化转换为电压的变化，从而起到调节作用，同时R也是限流电阻。 显然R 的数值越大，较小IZ的变化就可引起足够大的VR变化，就可达到足够的稳压效果。 但R 的数值越大，就需要较大的输入电压VI值，损耗就要加大。稳压电阻的计算如下 当输入电压最小，负载电流最

24、大时，流过稳压二极管的电流最小。此时IZ不应小于IZmin，由此可计算出稳压电阻的最大值，实际选用的稳压电阻应小于最大值。即 当输入电压最大，负载电流最小时，流过 稳压二极管的电流最大。此时IZ不应超过IZmax，由 此可计算出稳压电阻的最小值。即(1)(2) 稳压二极管在使用时一定要串入限流电阻，不能使它的功耗超过规定值，否则会造成损坏！线性串联型稳压电源 稳压二极管的缺点是工作电流较小，稳定电压值不能连续调节。线性串联型稳压电源的工作电流较大，输出电压一般可连续调节，稳压性能优越。目前这种稳压电源已经制成单片集成电路，广泛应用在各种电子仪器和电子电路之中。线性串联型稳压电源的缺点是损耗较大

25、，效率低。10.2.3.1 线性串联型稳压电路的工作原理10.2.3.2 稳压电路的保护环节10.2.3.3 三端集成稳压器线性串联型稳压电路的工作原理(1) 线性串联型稳压电源的构成线性串联稳压电源的工作原理可用图16.03来说明。 显然，VO =VI-VR，当VI增加时，R 受控制而增加，使VR增加，从而在一定程度上抵消了VI增加对输出电压的影响。若负载电流IL增加，R受控制而减小，使VR减小，从而在一定程度上抵消了因IL增加，使VI减小，对输出电压减小的影响。 图16.03 串联稳压电源 示意图 图16.03 串联稳压电源 示意图 在实际电路中，可变电阻R是用一个三极管来替代的，控制基极

26、电位，从而就控制了三极管的管压降VCE，VCE相当于VR。要想输出电压稳定，必须按电压负反馈电路的模式来构成串联型稳压电路。典型的串联型稳压电路如图16.04所示。它由调整管、放大环节、比较环节、基准电压源几个部分组成。 图16.04 串联型稳压电路方框图(2) 线性串联型稳压电源的工作原理 根据图16.04分两种情况来加以讨论。1输入电压变化，负载电流保持不变 输入电压VI的增加，必然会使输出电压VO有所增加，输出电压经过取样电路取出一部分信号Vf与基准源电压VREF比较，获得误差信号V。误差信号经放大后，用VO1去控制调整管的管压降VCE增加，从而抵消输入电压增加的影响。 VIVOVfVO

27、1VCEVO（动画16-2） 2负载电流变化，输入电压保持不变 负载电流IL的增加，必然会使输入电压VI有所减小，输出电压VO必然有所下降，经过取样电路取出一部分信号Vf与基准源电压VREF比较，获得的误差信号使VO1增加，从而使调整管的管压降VCE下降，从而抵消因IL增加，使输入电压减小的影响。 ILVIVOVfVO1VCEVO3.输出电压调节范围的计算根据图16.04可知VfVREF调节R2显然可以改变输出电压。（动画16-1） 三端集成稳压器(1)概述 将串联稳压电源和保护电路集成在一起就是集成稳压器。早期的集成稳压器外引线较多，现在的集成稳压器只有三个：输入端、输出端和公共端，称为三端

28、集成稳压器。它的电路符号见图16.07，外形如图16.08所示。 图16.07 集成稳压器符号要特别注意，不同型号，不同封装的集成稳压器，它们三个电极的位置是不同的，要查手册确定。图16.08 外形图 照片 (2) 线性三端集成稳压器的分类三端集成稳压器有如下几种：1.三端固定正输出集成稳压器，国标型号为CW78-/CW78M-/CW78L-2.三端固定负输出集成稳压器，国标型号为CW79-/CW79M-/CW79L-3.三端可调正输出集成稳压器，国标型号为CW117-/CW117M-/CW117L- CW217-/CW217M-/CW217L- CW317-/CW317M-/CW317L-4

29、.三端可调负输出集成稳压器，国标型号为CW137-/CW137M-/CW137L- CW237-/CW237M-CW237L- CW337-/CW337M-/CW337L-5.三端低压差集成稳压器6. 大电流三端集成稳压器 以上1-为军品级；2-为工业品级；3-为民品级。 军品级为金属外壳或陶瓷封装，工作温度范围-55150； 工业品级为金属外壳或陶瓷封装，工作温度范围-25150； 民品级多为塑料封装，工作温度范围0125。(3) 应用电路三端固定输出集成稳压器的典型应用电路如图16.09所示。 可调输出三端集成稳压器的内部，在输出端和公共端之间是1.25 V的参考源，因此输出电压可通过电位

30、器调节。 16.09应用电路(固定)三端可调输出集成稳压器的典型应用电路如图10.2.10所示。 图10.2.10应用电路(可调)（4）利用三端集成稳压器组成恒流源 图10.2.11稳压器做恒流源图10.2.12可调稳压器做恒流源电路 (a)小电流恒流源 (b)大电流恒流源 三端集成稳压器可 做恒流源使用,电路见 图10.2.11和10.2.12。开关型稳压电源 为解决线性稳压电源功耗较大的缺点，研制了开关型稳压电源。开关型稳压电源效率可达90%以上，造价低，体积小。现在开关型稳压电源已经比较成熟，广泛应用于各种电子电路之中。开关型稳压电源的缺点是纹波较大，用于小信号放大电路时，还应采用第二级

31、稳压措施。10.2.4.1 开关型稳压电路的工作原理10.2.4.2 集成开关型稳压器开关型稳压电路的工作原理 开关型稳压电源的原理可用图10.2.13的电路加以说明。它由调整管、滤波电路、比较器、三角波发生器、比较放大器和基准源等部分构成。 图10.2.13 开关型稳压电源原理图 三角波发生器通过比较器产生一个方波vB，去控制调整管的通断。调整管导通时，向电感充电。当调整管截止时，必须给电感中的电流提供一个泄放通路。续流二极管D即可起到这个作用，有利于保护调整管。 根据电路图的接线，当三角波的幅度小于比较放大器的输出时，比较器输出高电平，对应调整管的导通时间为ton；反之输出为低电平，对应调

32、整管的截止时间toff。 输出波形中电位水平高于高电平最小值的部分，对方波而言，相当方波存在的部分。 输出波形中电位水平低于低电平最大值的部分，对方波而言，相当方波不存在的部分。 为了稳定输出电压，应按电压负反馈方式引入反馈，以确定基准源和比较放大器的连线。设输出电压增加，FVO增加，比较放大器的输出Vf减小，比较器方波输出的toff增加，调整管导通时间减小，输出电压下降。起到了稳压作用。 各点波形见图10.2.14。由于调整管发射极输出为方波，有滤波电感的存在，使输出电流iL为锯齿波，趋于平滑。输出则为带纹波的直流电压。 图10.2.14 开关电源波形图 分析见下页 可以通过改变比较器输出方

33、波的宽度（占空比）来控制输出电压值。这种控制方式称为脉冲宽度调制(PWM)。q称为占空比 方波高电平的时间占整个周期的百分比。在输入电压一定时， 输出电压与占空比成正比。 忽略电感的直流电阻，输出电压VO即为vE的平均分量。于是有1调整管工作在开关状态，功耗大大降低， 电源效率大为提高；2调整管在开关状态下工作，为得到直流输出， 必须在输出端加滤波器；3可通过脉冲宽度的控制方便地改变输出电压值；4在许多场合可以省去电源变压器；5由于开关频率较高，滤波电容和滤波电感的体 积可大大减小。由以上分析可以得出如下结论：集成开关型稳压器典型的开关电源控制器和开关电源见下表 型号 电源范围/V 最大输出电

34、流 /A 内部参考源 /V 输出级形式 TL494 740 0.2 5 推挽或单端 SG3524 835 0.1 5 推挽 SG3525 835 0.5 5 推挽 LM2575 3.535 1 1.23 _ 表中前三个是开关电源控制器，后一个是单片开关电源稳压器。实际上就是一个脉冲宽度调制（PWM）控制器，经常也用于其它脉宽调制场合。 集成开关稳压器，一般有两大类型。一类是包括调整管在内的集成开关稳压器;另一类称为开关电源控制器，它不包括调整管。(1)开关稳压电源概述 利用开关电源控制器可以方便地构成开关电源。 SG3524是一个典型的性能优良的开关电源控制器，其内部的结构框图如图10.2.1

35、5所示。 (2)开关稳压电源控制器SG3524图10.2.15 SG3524的内部方框图 它的内部包括误差放大器、限流保护环节、比较器、振荡器、触发器、输出逻辑控制电路和输出三极管等环节。 SG3524构成开关稳压电源的典型电路如图10.2.16所示。图10.2.16 开关稳压电源应用电路 3524从11和14脚输出在时间上互相错开的两路控制信号，其开关频率由6和7脚外接的RT和CT决定。1和2脚是内部运算放大器的输入端，R1和R2构成反馈回路。16脚是基准源，由R3和R4给误差运算放大器提供一个与反馈信号比较的给定电压。 V3和V4是或非门的输出，只要或非门的输入端有高电平，它的输出即为低电

36、平。 V3和V4的输出由V2、CP、Q或Q决定。因Q和Q只能有一个是高电平，T2和T1不可能同时导通。 T1和T2只能按推挽方式工作，轮流交替导通。 SG3524电路控制过程的波形如图10.2.17所示。 图10.2.17 SG3524的波形图 锯齿波由振荡器提供，V1是误差放大器的输出，它们一起加到比较器上。 V2是比较器的输出。振荡器输出的时钟驱动T 触发器，CP、Q和V2 的或非是V3，决定T1的通断。CP、Q和V2 的或非是V4，决定T2的通断。由于Q和Q等宽，加上V2的存在，所以V3和V4这两路信号之间有一定的死区，以保证T1和T2 管不会同时导通。 当V1降低时， V2加宽， T1

37、和T2的宽度变窄，导通时间减小。反之，当V1增加时， T1和T2 的导通时间增加。 设负载电流加大，VO下降，反馈电压减小，误差放大器的输出V1增加， T1和T2的导通时间增加，输出电压VO增加。 (3) SG3524构成的开关稳压电源 现在来讨论3524构成的开关稳压电源的工作原理。图10.2.16 开关稳压电源应用电路图10.2.15 SG3524的内部方框图反之，当VO增加时，反馈电压增加， V输出减小， T1和T2的导通时间减小，输出电压VO 减小。 SG3524的10脚也有保护功能，当10脚加高电平时，可以强迫V1下降， T1和T2关断。10脚与4脚可实现双重保护。 当三极管的电流过

38、大时，电阻R9上的压降增加到使限流运算放大器的输出为低，即V1在大大下降， 使T1和T2 关断。 由于SG3524可在较高的频率下工作，T1和T2 应选用高频开关管。变压器应采用高频变压器，滤波电感和滤波电容都可以选用较小的数值。单相桥式整流电路的二极管选择：理想情况下：二极管的选择主要由流过二极管电流的平均值和它所承受的最大反向电压来确定。最大反向电压：二极管上的平均电流：（与半波整流电路中二极管平均电流相同）（与半波整流电路中二极管最大反向电压相同，但输出电压增加了一倍。）单相桥式整流电路的二极管选择： 实际情况下：电网电压有10%的正负波动，即电源变压器原边电压为198242V，所以IL

39、和URM也应留有10%的余地。最高反向电压：二极管上的平均电流：几种常见的硅整流桥外形：+ A C -+- + - 缺点：实际的二极管存在正向电阻，使得整流器内阻较大，损耗也就比较大。优点倍压整流电路的工作应用倍压整流电路的工作原理（一）二倍压整流电路u2的正半周时：D1导通，D2截止，理想情况下，电容C1的电压充到：u2的负半周时：D2导通，D1截止，理想情况下，电容C2的电压充到：负载上的电压：+u1u2+D1C2C1D2uoRL+（二）多倍压整流电路+u2的第一个正半周：u2、C1、D1构成回路，C1充电到：u2的第一个负半周：u2、C2、D2 、C1构成回路，C2充电到：C1u1u2D

40、1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6+C1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6u2的第二个正半周：u2、C1、C3 、D3 、C2构成回路， C1补充电荷，C3充电到：u2的第二个负半周： u2、C2、C4、D4、C3 、C1构成回路， C2补充电荷， C4充电到：把电容接在相应电容组的两端，即可获得所需的多倍压直流输出。倍压整流电路的工作应用灭蚊灯电路图中C1的作用主要是降压，以延长灯管的使用寿命。二极管D1、D2与C2、C3构成倍压整流器，R为限流电阻。按下电源开关K，220V市电通过电容C1加到灯管两端，点亮灯管。同时市电通过限流电阻R加到倍压电路。 晶体三级管及其

41、放大电路BJT：Bipolar Junction Transistor双极型晶体管（晶体三极管、半导体三极管）双极型器件两种载流子（多子、少子）几种常见晶体管的外形 5.1.1 晶体管的结构及其类型ecb发射极基极集电极发射结集电结基区发射区集电区NPNcbeNPN(a) NPN管的原理结构示意图(b) 电路符号（base） （collector ）（emitter）符号中发射极上的箭头方向，表示发射结正偏时电流的流向。晶体管的结构PNPcbe(b) 电路符号(a) PNP型三极管的原理结构符号中发射极上的箭头方向，表示发射结正偏时电流的流向。图2-3 平面管结构剖面图结构特点1、三区两结2、

42、基区很薄3、e区重掺杂 c区轻掺杂 b区掺杂最轻4、集电区的面积则比发射区做得大，这是三极管实现电流放大的内部条件。5.1.2 晶体管的电流分配与放大作用 （以NPN管为例）一、放大状态下晶体管中载流子的运动BJT 处于放大状态的条件：内部条件：发射区重掺杂(故管子e、 c极不能互换)基区很薄(几个m)集电结面积大外部条件：发射结正偏集电结反偏NPN型晶体管的电流关系 外加偏置电压要求 对 NPN管UC UB UE UC UEUB对 PNP管 要求 UC UB UE UC UEUB共射极直流电流放大系数一般1、直流电流放大系数5.1.3 晶体管的共射特性曲线晶体管特性曲线：描述晶体管各极电流与

43、极间电压关系的曲线。 icebiBC输出回路输入回路ecbiBiEceiEiCb(a)共发射极(b)共集电极(c)共基极 下面以共射极电路为测试电路AmAVViBiCUCCUBBRCRBuBEuCE5.1.3.1 共射极输入特性曲线共射组态晶体管的输入特性：AmAVViBiCUCCUBBRCRBuBEuCE 它是指一定集电极和发射极电压UCE下，三极管的基极电流IB与发射结电压UBE之间的关系曲线。cICeIENPNIBRCUCCUBBRBbIBNIENICN5.1.3.2 共射极输出特性曲线共射组态晶体管的输出特性： 它是指一定基极电流IB下，三极管的输出回路集电极电流IC与集电结电压UCE

44、之间的关系曲线。uCE/V5101501234iC/mAIB40A30A20A10A0AcICeIENPNIBRCUCCUBBRB15VbIBNIENICN 共射输出特性曲线一、放大区发射结正向偏置， 集电结反向偏置1、基极电流 iB 对集电极电流 iC 的控制作用很强uCE/V5101501234饱和区截止区iBICBO放大区iC/mAuCEuBEIB40A30A20A10A0A在数值上近似等于问题：特性图中=？=1002、uCE 变化时, iC 影响很小（恒流特性）uCE/V5101501234饱和区截止区iBICBO放大区iC/mAuCEuBEIB40A30A20A10A0A即： iC

45、仅决定于iB ，与输出环路的外电路无关。 放大区二、饱和区发射结和集电结均正向偏置uCE/V5101501234饱和区截止区iBICBO放大区iC/mAuCEuBEIB40A30A20A10A0A临界饱和：uCE=uBE，uCB=0(集电结零偏)IcCeIENPNIBRCUCCUBBRBIbIBNIEPIENICNC1饱和区（1） iB一定时，iC比放大时要小 三极管的电流放大能力下降，通常有iCICM时，虽然管子不致于损坏，但值已经明显减小。3、集电极最大允许耗散功率PCM 晶体管的安全工作区 功耗线PCM =iCuCE5.2 放大电路的组成和放大原 5.2.1 放大电路概述5.2.2. 基

46、本共射极放大电路给T提供适当的偏置集电极电阻，将集电极电流转换成集电极电压基极电阻，决定基极电流放大电路的核心输入交流电压信号基极电源，提供适当偏置输出电压信号地 静止状态（静态）：ui=0时电路中各处的电压、电流都是不变的直流。若UBB和UCC能使T的发射结正偏，集电结反偏三极管工作在放大状态，则：当 时ib含有交流分量ic也有交流分量 uce产生变化uO变化uO与ui相比： uO幅度 ui幅度 波形形状相同电压、电流等符号的规定直流量： 大写字母+大写下标，如IB交流量： 小写字母+小写下标，如ib交流量有效值： 大写字母+小写下标，如Ib瞬时值（直流分量和交流分量之和）：小写字母+大写下

47、标，如iB， iB= IB+ ibuBEube叠加量交流分量tUBE直流分量 重要：静态工作点的作用静态工作点Q（Quiescent）：静态时，晶体管的IB、IC、UBE和UCE 记作：IBQ、ICQ、UBEQ和UCEQ 动态时（ui0） ：ui UBE（ON） 发射结无法正偏三极管一直在截止区 uo= UCE = UCC即使 ui UBE（ON）， 输出仍然严重失真。 只有在信号的整个周期内晶体管始终工作在放大状态，输出信号才不会产生失真。为什么要设计静态工作点？静态工作点的作用： 保证放大电路中的三极管正常工作 ，保证放大电路输出不产生失真。放大电路的基本要求：输出不失真输出能够放大 晶体

48、管放大电路的放大原理当ui0iB=IBQ+ibiC=ICQ+ic=ICQ+ibuCE=UCEQ+uceuo=uce ic uCE ic uCE方向和ic相反结 论设置合适的静态工作点，让交流信号承载在直流分量之上，保证晶体管在输入信号的整个周期内始终工作在放大状态，输出电压波形才不会产生非线性失真。基本共射放大电路的电压放大作用是利用晶体管的电流放大作用，并依靠RC将电流的变化转化成电压的变化来实现的。组成放大电路必须遵守的原则设置合适的静态工作点，使三极管偏置于放大状态。输入信号能够作用于的输入回路(基极-发射极回路)。必须设置合理的信号通路。 基本放大电路的组成原则RCVRBUCCuoC2

49、RLuiC1UCC：直流电源RB：基极偏置电阻RC：集电极偏置电阻RL：负载电阻Ui：正弦信号源电压及内阻C1、C2 ：耦合电容直接耦合：电路中信号源与放大电路，放大电路与负载电阻均直接相连。RCVRBUCCuoRLui 直接耦合共射放大电路 阻容耦合：电路中信号源与放大电路，放大电路与负载电阻均通过电容相连。RCVRBUCCuoC2RLuiC1 阻容耦合共射放大电路 电容C1、C2（一般几微法到几十微法）： 隔离直流 通过交流RCVRBUCCuoC2RLuiC1 阻容耦合共射放大电路 作用：静态工作点与信号源内阻和负载电阻无关，且不受输入交流信号的影响。补： 直流通路和交流通路直流通路：直流

50、电源作用下直流电流流经的道路画直流通路的原则C开路L短路输入信号为0（保留内阻）RCVRBUCCuoC2RLuiC1 阻容耦合共射放大电路 RCVRBUCCuoC2RLuiC1 阻容耦合共射放大电路 RBUCCRC (a)直流通路直流通路交流通路：只考虑交流信号的分电路画交流通路的原则C短路直流电源对地短路（恒压源处理）RCVRBUCCuoC2RLuiC1 阻容耦合共射放大电路 交流通路RCVRBUCCuoC2RLuiC1 阻容耦合共射放大电路 RCuousRsRBRLIiIo (b)交流通路交流通路练习：请画出下面电路的直流通路的交流通路。(a) (c)直流通路交流通路直流通路交流通路 由于

51、交流信号均叠加在静态工作点上，且交流信号幅度很小，因此对工作在放大模式下的电路进行分析时，应先进行直流分析，后进行交流分析。 5.3 放大电路的分析直流分析法分析指标：IBQ、ICQ、UCEQ分析方法：图解法、估算法 交流分析法分析指标：Au 、Ri 、Ro分析方法：图解法、微变等效电路法 例1： 晶体管电路如图 (a)所示。若已知晶体管工作在放大状态，试计算晶体管的IBQ，ICQ和UCEQ。(a) 电路ICQUCEQRBUBBIBQUCCRCeRBUBE(on)bIBQIBQcICQUCCRCUCEQUBB (b)直流等效电路图 ：晶体管直流电路分析5.3.1 放大电路的静态分析 解： 因为

52、晶体管工作在放大状态。这时用图 (b)的模型代替晶体管，便得到图)所示的直流等效电路。由图可知故有2 静态工作点的图解分析法图解法：在已知放大管的输入特性、输出特性以及放大电路中其它各元件参数的情况下，利用作图的方法对放大电路进行分析。优点：直观、形象静态工作点：IBQ、UBEQ和ICQ、UCEQ1、 IBQ、UBEQ的求解一般不用图解法确定，而用估算法。 UBEQ=0.7V（硅管） 或0.3V（锗管） RBUCCRC 共射放大器的直流通路2、 ICQ、UCEQ的求解输出特性曲线与输出回路方程的交点为静态工作点Q。RBUCCRCiBIBQuCE0NQMiCUCEQUCCICQUCCRC(a)直

53、流负载线与Q点直流负载线例2： 在图220(a)电路中，若RB=300k, RC=4k,UCC=12V，=40 若晶体管的输出特性曲线如图221(b)所示，试用图解法确定直流工作点。RBUCCRCIBQICQUCEQ(a)直流通路输出回路满足：UCC=UCEQ+ICQRC 放大器的直流图解分析 放大器的直流图解分析(b)Q点与RB、RC的关系uCE/V21012012340A30A20A10AiC/mA4684MNQRBQ3Q2Q4RCRBQ1RCRBUCCRCIBQICQUCEQ晶体管工作状态的判断步骤UBEUBE(on)且UBEUCE，则晶体管截止1、首先判断晶体管是否截止；此时：IBQ=

54、ICQ=IEQ=0，若UBBUBE(on),则发射结正偏，下面关键是判断集电结是正偏还是反偏。2、判断晶体管是处于放大状态还是饱和状态：方法：假设法（假设处于放大区，计算点参数）。则晶体管处于放大状态；则晶体管处于饱和状态；硅管UCE=0.3V，锗管UCE=0. 1V补充例题1电路补充例题1、 晶体管电路如下图所示。已知=100，试判断晶体管的工作状态。5VRBUBBRERCUCC500K1K2K 12V1.先判断晶体管是否处于截止状态：晶体管不处于截止状态；2.再判断晶体管是处于放大状态还是饱和状态：晶体管处于放大状态；补充例题2电路补充例题2 晶体管电路如下图所示。已知=100，试判断晶体

55、管的工作状态。5VRBUBBRCUCC500K50K2K 12V1.先判断晶体管是否处于截止状态：晶体管不处于截止状态；2.再判断晶体管是处于放大状态还是饱和状态： UBB - UBE(on) =IBQRB晶体管不可能处于放大区，而应工作在饱和区； 共射放大电路的动态分析1 微变等效电路法所谓放大电路的微变等效电路，就是把非线性元件晶体管所组成的放大电路等效为一个线性电路，就是把晶体管等效为一个线性元件。晶体管的微变等效电路模型 rbb ：基区体电阻，不能忽略。 rbc：很大（几十M），可做开路处理。若rceRL或UA= ，可忽略rce。gmubeucerceuberbebcebrbb 共射低

56、频混合型模型说明只适用小信号交流分析（不能用来求Q点）只针对低频参数与Q有关 先求Q点 Q点变化参数变化 等效电路法分析共射放大电路根据直流通路估算直流工作点确定放大器交流通路、交流等效电路计算放大器的各项交流指标UoUiUsRsRB2C1RECERLUCCRCRB1C2 共射极放大器及其交流等效电路(a)电路解：首先根据直流通路以及直流大信号等效电路求解出放大器的静态工作点。 第二步画放大器的交流通路。然后将通路中的晶体管用等效小信号模型代替。分析各性能指标。主要包括以下性能指标： 求Q点 画直流通路画交流通路画等效通路计算交流参数(b)交流等效电路 共射极放大器及其交流等效电路UiRiRs

57、RB2rbeIiRCRLUoeIbIbrceRoIcIobcRB1Us一、电压放大倍数-无量纲参数UiRiRsRB2rbeIiRCRLUoeIbIbrceRoIcIobcRB1Us关于电压放大倍数Au的讨论3.输出电压与输入电压反相。当忽略rbb时， 二、输入电阻Ri定义：从放大器输入端看进去的电阻，即： UsAuoUiRLRsUiRiRoUoRi表征放大器从信号源获得信号的能力。UiRiRsRB2rbeIiRCRLUoeIbIbrceRoIcIobcRB1UsUsAuoUiRLRsUiRiRoUo三、输出电阻Ro定义：从放大器输出端看进去的电阻。 根据戴维南定理，可得： Ro是一个表征放大器

58、带负载能力的参数。UiRiRsRB2rbeIiRCRLUoeIbIbrceRoIcIobcRB1Us对于电压输出。Ro越小，带负载能力越强，即负载变化时放大器输出给负载的电压基本不变。 对于电流输出。Ro越大，带负载能力越强，即负载变化时放大器输出给负载的电流基本不变。 UsAuoUiRLRsUiRiRoUo四、 源电压放大倍数Aus若RiRs ,则：UiRiRsRB2rbeIiRCRLUoeIbIbrceRoIcIobcRB1UsUoUiUsRsRB2C1RERLUCCRCRB1C2 共射极放大器及其交流等效电路(a)电路 五、带有射极电阻RE时的交流指标CE 发射极接电阻时的交流等效电路R

59、i=RB1RB2RiRi例： 下图电路中，若RB1=75k，RB2=25k, RC=RL=2k，RE=1k,UCC=12V，晶体管的=80，rbb=100,信号源内阻Rs=0.6k,试求直流工作点ICQ、UCEQ及Au，Ri，Ro和Aus。UoUiUsRsRB2C1RECERLUCCRCRB1C2 解： 按估算法计算Q点： RB2REUCCRCRB1直流通路 UiRiRsRB2rbeIiRCRLUoeIbIbrceRoIcIobcRB1UsUiRiRsRB2rbeIiRCRLUoeIbIbrceRoIcIobcRB1UsUoUiUsRsRB2C1RE1CERLUCCRCRB1C2RE2例：在上

60、例中，将RE变为两个电阻RE1和RE2串联，且RE1=100,RE2=900，而旁通电容CE接在RE2两端，其它条件不变，试求此时的交流指标。1解： 由于RE=RE1+RE2=1k，所以Q点不变。对于交流通路，现在射极通过RE1接地。交流等效电路为：1可见，RE1的接入，使得Au减小了约10倍。但是，由于输入电阻增大，因而Aus与Au的差异明显减小了。5.3.3 放大电路的动态范围和非线性失真2 交流图解分析法RCVRBUCCuoC2RLuiC1 阻容耦合共射放大电路 RCuousRsRBRLIiIo交流通路 RBUCCRC直流通路 iBIBQtiBIBQuBEuBEtiBmaxiBminQU