電子電路區(qū)別于以前所學電路的主要特點是電路中引入各種電子器件。電子器件的類型很多，目前使用得最廣泛的是半導體器件——二極管、穩(wěn)壓管、晶體管、絕緣柵場效應管等。由于本課程的任務不是研究這些器件內(nèi)部的物理過程，而是討論它們的應用，因此，在簡單介紹這些器件的外部特性的基礎上，討論它們的應用電路。
4.1 PN結和半導體二極管
4.1.1 PN結的單向?qū)щ娦?/p>
我們在物理課中已經(jīng)知道，在純凈的四價半導體晶體材料(主要是硅和鍺)中摻入微量三價(例如硼)或五價(例如磷)元素，半導體的導電能力就會大大增強。這是由于形成了有傳導電流能力的載流子。摻入五價元素的半導體中的多數(shù)載流子是自由電子，稱為電子半導體或N型半導體。而摻入三價元素的半導體中的多數(shù)載流子是空穴，稱為空穴半導體或P型半導體。在摻雜半導體中多數(shù)載流子(稱多子)數(shù)目由摻雜濃度確定，而少數(shù)載流子(稱少子)數(shù)目與溫度有關，并且溫度升高時，少數(shù)載流子數(shù)目會增加。
在一塊半導體基片上通過適當?shù)陌雽w工藝技術可以形成P型半導體和N型半導體的交接面，稱為PN結。 PN結具有單向?qū)щ娦裕寒擯N結加正向電壓時，P端電位高于N端，PN結變窄,由多子形成的電流可以由P區(qū)向N區(qū)流通，見圖4-1 (a),而當PN結加反向電壓時，N端電位高于P端，PN結變寬,由少子形成的電流極小，視為截止(不導通)，見圖4-1 (b)。
4.1.2 半導體二極管
半導體二極管就是由一個PN結加上相應的電極引線及管殼封裝而成的。由P區(qū)引出的電極稱為陽極，N區(qū)引出的電極稱為陰極。因為PN結的單向?qū)щ娦?，二極管導通時電流方向是由陽極通過管子內(nèi)部流向陰極。二極管的種類很多，按材料來分，最常用的有硅管和鍺管兩種;按結構來分，有點接觸型，面接觸型和硅平面型幾種;按用途來分，有普通二極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管等多種。
圖4-2是常用二極管的符號、結構及外形的示意圖。二極管的符號如圖4-2(a)所示。箭頭表示正向電流的方向。一般在二極管的管殼表面標有這個符號或色點、色圈來表示二極管的極性，左邊實心箭頭的符號是工程上常用的符號，右邊的符號為新規(guī)定的符號。從工藝結構來看，點接觸型二極管(一般為鍺管)如圖4-2(b)其特點是結面積小，因此結電容小，允許通過的電流也小，適用高頻電路的檢波或小電流的整流，也可用作數(shù)字電路里的開關元件;面接觸型二極管(一般為硅管)如圖4-2(c)其特點是結面積大，結電容大，允許通過的電流較大，適用于低頻整流;硅平面型二極管如圖4-2(d)，結面積大的可用于大功率整流，結面積小的，適用于脈沖數(shù)字電路作開關管。
4.1.3 二極管的伏安特性
二極管的電流與電壓的關系曲線I = f(V)，稱為二極管的伏安特性。其伏安特性曲線如圖4-3所示。二極管的核心是一個PN結，具有單向?qū)щ娦裕鋵嶋H伏安特性與理論伏安特性略有區(qū)別。由圖4-3可見二極管的伏安特性曲線是非線性的，可分為三部分：正向特性、反向特性和反向擊穿特性
1. 正向特性
當外加正向電壓很低時，管子內(nèi)多數(shù)載流子的擴散運動沒形成，故正向電流幾乎為零。當正向電壓超過一定數(shù)值時，才有明顯的正向電流，這個電壓值稱為死區(qū)電壓，通常硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管的死區(qū)電壓約為0.2V，當正向電壓大于死區(qū)電壓后，正向電流迅速增長，曲線接近上升直線，在伏安特性的這一部分，當電流迅速增加時，二極管的正向壓降變化很小，硅管正向壓降約為0.6～0.7V ，鍺管的正向壓降約為0.2～0.3V。二極管的伏安特性對溫度很敏感，溫度升高時，正向特性曲線向左移，如圖4-3所示，這說明，對應同樣大小的正向電流，正向壓降隨溫升而減小。研究表明，溫度每升高10C ，正向壓降減小 2mV。
2. 反向特性
二極管加上反向電壓時，形成很小的反向電流，且在一定溫度下它的數(shù)量基本維持不變，因此，當反向電壓在一定范圍內(nèi)增大時，反向電流的大小基本恒定，而與反向電壓大小無關，故稱為反向飽和電流，一般小功率鍺管的反向電流可達幾十μA，而小功率硅管的反向電流要小得多，一般在0.1μA以下，當溫度升高時，少數(shù)載流子數(shù)目增加，使反向電流增大，特性曲線下移，研究表明，溫度每升高100C ，反向電流近似增大一倍。
3. 反向擊穿特性
當二極管的外加反向電壓大于一定數(shù)值(反向擊穿電壓)時，反向電流突然急劇增加稱為二極管反向擊穿。反向擊穿電壓一般在幾十伏以上
4.1.4 二極管的主要參數(shù)
二極管的特性除用伏安特性曲線表示外，參數(shù)同樣能反映出二極管的電性能,器件的參數(shù)是正確選擇和使用器件的依據(jù)。各種器件的參數(shù)由廠家產(chǎn)品手冊給出，由于制造工藝方面的原因，既使同一型號的管子，參數(shù)也存在一定的分散性，因此手冊常給出某個參數(shù)的范圍，半導體二極管的主要參數(shù)有以下幾個
1.最大整流電流IDM
IDM指的是二極管長期工作時，允許通過的最大的正向平均電流。在使用時，若電流超過這個數(shù)值，將使PN結過熱而把管子燒壞
2.反向工作峰值電壓VRM
VRM是指管子不被擊穿所允許的最大反向電壓。一般這個參數(shù)是二極管反向擊穿電壓的一半，若反向電壓超過這個數(shù)值，管子將會有擊穿的危險。
3.反向峰值電流IRM
IRM是指二極管加反向電壓VRM時的反向電流值，IRM越小二極管的單向?qū)щ娦杂?。IRM受溫度影響很大，使用時要加以注意。硅管的反向電流較小，一般在幾微安以下，鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。
4.最高工作頻率ƒM
二極管在外加高頻交流電壓時，由于PN結的電容效應，單向?qū)щ娮饔猛嘶?fnof;M指的是二極管單向?qū)щ娮饔瞄_始明顯退化的交流信號的頻率。4.1.5 二極管的等效電路及其應用
由于二極管的伏安特性是非線性的，為了分析計算方便，在特定的條件下，我們可以將其線性化處理，視為理想元件。
1.理想二極管等效電路
在電路中，若二極管導通時的正向壓降遠小于和它串聯(lián)元件的電壓，二極管截止時反向電流遠小于與之并聯(lián)元件的電流，那么可以忽略管子的正向壓降和反向電流把二極管理想化為一個開關，當外加正向電壓時，二極管導通，正向壓降為0，相當于開關閉合，當外加反向電壓時，二極管截止，反向電流為0，相當于開關斷開，理想二極管的等效電路如圖4-4。利用理想二極管表示實際二極管進行電路的分析和計算可以得出比較滿意的結果，但稍有一些誤差。
2.二極管應用電路舉例
二極管的應用范圍很廣，主要都是利用它的單向?qū)щ娦?。下面介紹幾種應用電路。
(1) 限幅電路：限幅器的功能就是限制輸出電壓的幅度。
例4-1 圖4-5(a)就是利用二極管作為正向限幅器的電路圖。已知vi = Vmsinωt，且Vm>VS ，試分析工作原理，并作出輸出電壓vo的波形。
解：a) 二極管導通的條件是vi>VS，由于D為理想二極管，D一旦導通，管壓降為零，此時vo = VS
b) 當vi≤VS時，二極管截止，該支路斷開，R中無電流，其壓降為0。 所以vo =vi
c) 根據(jù)以上分析，可作出vo的波形，如圖4-5(b)所示，由圖可見，輸出電壓的正向幅度被限制在VS值。
注意：作圖時，vo和vi的波形在時間軸上要對應，這樣才能正確反映vo的變化過程。
(2) 二極管門電路
門電路是一種邏輯電路，在輸入信號(條件)和輸出信號(結果)之間存在著一定的因果關系即邏輯關系。在邏輯電路中，通常用符號0和1來表示兩種對立的邏輯狀態(tài)。用1表示高電平，用0表示低電平，稱為正邏輯，反之為負邏輯。
基本的邏輯關系有三種：與邏輯、或邏輯、非邏輯。與此相對應的門電路就有與門、或門、非門。由這三種基本門電路可以組成其他多種復合門電路。
例4-2 圖 4-6所示為最簡單的與門電路及邏輯圖符號。它是由二極管D1、D2和電阻R及電源VCC組成。圖中A、B為兩個輸入端，F(xiàn)為輸出端。設VCC=5V，A、B輸入端的高電平(邏輯1)為3V，低電平(邏輯0)為0V， 并忽略二極管D1、D2的正向?qū)▔航怠Ｔ嚪治鲭娐返妮斎肱c輸出之間的關系。
解：(1)當輸入端A、B均為低電平0時，即VA = VB = 0V時，二極管D1、D2均為正向偏置而導通，使輸出端F的電壓VF = 0V，即輸出端F為低電平0。
(2)當輸入端A為低電平0，B為高電平1，即VA = 0V，VB = 3V時，D1陰極電位低于D2陰極電位，D1導通，使VF = 0V，因而D2為反向偏置而截止，輸出端F為低電平0。
(3)當輸入端A為高電平1，B為低電平0，即VA = 3V，VB = 0V時，D1、D2的工作情況與(2)相反，輸出端F仍為低電平0。
(4)當輸入端A、B均為高電平1時，即VA = VB = 3V時，D1、D2均為正向偏置而導通，使輸出端F的電壓VF = 3V，即輸出端F為高電平1。
從上述分析可知，只有當所有輸入端都是高電平1時，輸出端才是高電平1，否則輸出端均為低電平0。這種“只有當決定一事件結果的所有條件都滿足時，結果才發(fā)生”的邏輯關系稱為與(And)邏輯，與門電路滿足與邏輯關系。與邏輯也稱為邏輯乘、與運算。通常用符號“· ”表示，設A、B、F分別為邏輯變量，則與運算的表達式可寫成以下形式：
F=A·B 或 F=AB
上式讀作F等于A與B。邏輯與的含義是：只有輸入變量A、B都為1 時，輸出變量F才為1;只要A、B中有一個為0，F(xiàn)便為0。換言之，也就是“有0出0，全1出1”。這一結論也適合于有多個變量參加的與運算。
表4-1列出了圖4-6所示電路輸入與輸出邏輯電平的關系。但在邏輯電路分析中，通常用邏輯0、1來描述輸入與輸出之間的關系，所列出的表稱為真值表(即邏輯狀態(tài)表)。上述與門的真值表如表4-2所示。
另外，圖4-7給出了或門電路及邏輯圖符號。它也是由二極管和電阻組成的。圖中A、B是兩個輸入端，F(xiàn)是輸出端。設A、B輸入端的高電平(邏輯1)為3V，低電平(邏輯0)為0V， 并忽略二極管D1、D2的正向?qū)▔航?。通過分析(詳細過程讀者可以自己分析)可知，只要A 、B當中有一個是高電平(邏輯1)輸出就是高電平(邏輯1)。只有當A、 B同時為低電平(邏輯0)時，輸出才是低電平(邏輯0)。這種“在決定一事件結果的所有條件中，只要有一個或一個以上滿足時結果就發(fā)生”的邏輯關系稱或(Or)邏輯。或門電路滿足或邏輯關系。
或邏輯也稱為邏輯加、或運算。通常用符號“+”來表示，設A、B、F分別為邏輯變量，則或運算的表達式可寫成以下形式：
F=A+B
上式讀作F等于A或B。邏輯或的含義是：只有輸入變量A、B中有一個或一個以上為1， 輸出變量F就為1;反之，只有A、B全為0時，F(xiàn)才為0。換言之，也就是“有1出1，全0出0”。這一結論也適合于有多個變量參加的或運算
表4-3列出了圖4-7所示電路輸入與輸出邏輯電平的關系。表4-4為上述或門的真值表。
4.2 特殊二極管
除了上述普通二極管外，還有一些特殊二極管，如穩(wěn)壓二極管、光電二極管、發(fā)光二極管等，分別介紹如下。
4.2.1 穩(wěn)壓管
穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型半導體硅二極管，具有穩(wěn)定電壓的作用。圖4-8(a)為穩(wěn)壓管在電路中的正確聯(lián)接方法;圖(b)和圖(c)為穩(wěn)壓管的伏安特性及圖形符號。穩(wěn)壓管與普通二極管的主要區(qū)別在于，穩(wěn)壓管是工作在PN結的反向擊穿狀態(tài)。通過在制造過程中的工藝措施和使用時限制反向電流的大小，能保證穩(wěn)壓管在反向擊穿狀態(tài)下不會因過熱而損壞。從穩(wěn)壓管的反向特性曲線可以看出，當反向電壓較小時，反向電流幾乎為零，當反向電壓增高到擊穿電壓Vz(也是穩(wěn)壓管的工作電壓)時，反向電流Iz(穩(wěn)壓管的工作電流)會急劇增加，穩(wěn)壓管反向擊穿。在特性曲線ab段，當Iz在較大范圍內(nèi)變化時，穩(wěn)壓管兩端電壓Vz基本不變，具有恒壓特性，利用這一特性可以起到穩(wěn)定電壓的作用。
穩(wěn)壓管與一般二極管不一樣，它的反向擊穿是可逆的，只要不超過穩(wěn)壓管的允許值，PN結就不會過熱損壞，當外加反向電壓去除后，穩(wěn)壓管恢復原性能，所以穩(wěn)壓管具有良好的重復擊穿特性。
穩(wěn)壓管的主要參數(shù)有：
1.穩(wěn)定電壓VZ。穩(wěn)定電壓VZ指穩(wěn)壓管正常工作時，管子兩端的電壓，由于制造工藝的原因，穩(wěn)壓值也有一定的分散性，如2CW14型穩(wěn)壓值為6.0～7.5V。
2.動態(tài)電阻rz。動態(tài)電阻是指穩(wěn)壓管在正常工作范圍內(nèi)，端電壓的變化量與相應電流的變化量的比值。
穩(wěn)壓管的反向特性愈陡，rZ愈小，穩(wěn)壓性能就愈好
3. 穩(wěn)定電流IZ。穩(wěn)壓管正常工作時的參考電流值，只有I≥IZ，才能保證穩(wěn)壓管有較好的穩(wěn)壓性能。
4.最大穩(wěn)定電流IZmax 。允許通過的最大反向電流，I > IZmax管子會因過熱而損壞。
5. 最大允許功耗PZM。管子不致發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗PZM =VZ IZmax
6.電壓溫度系數(shù)αV。溫度變化10C時，穩(wěn)定電壓變化的百分數(shù)定義為電壓溫度系數(shù)。電壓溫度系數(shù)越小，溫度穩(wěn)定性越好，通常硅穩(wěn)壓管在VZ低于4V時具有負溫度系數(shù),高于6V時具有正溫度系數(shù), VZ在4～6V之間，溫度系數(shù)很小。
穩(wěn)壓管正常工作的條件有兩條，一是工作在反向擊穿狀態(tài),二是穩(wěn)壓管中的電流要在穩(wěn)定電流和最大允許電流之間。當穩(wěn)壓管正偏時，它相當于一個普通二極管。圖4-8(a)為最常用的穩(wěn)壓電路，當Vi或RL變化時，穩(wěn)壓管中的電流發(fā)生變化，但在一定范圍內(nèi)其端電壓變化很小，因此起到穩(wěn)定輸出電壓的作用。(該電路分析見4.4節(jié))
4.2.2 光電二極管
光電二極管又稱光敏二極管。它的管殼上備有一個玻璃窗口，以便于接受光照。其特點是，當光線照射于它的PN結時，可以成對地產(chǎn)生自由電子和空穴，使半導體中少數(shù)載流子的濃度提高。這些載流子在一定的反向偏置電壓作用下可以產(chǎn)生漂移電流，使反向電流增加。因此它的反向電流隨光照強度的增加而線性增加，這時光電二極管等效于一個恒流源。當無光照時，光電二極管的伏安特性與普通二極管一樣。光電二極管的等效電路如圖4-9(a)所示，圖4-9(b)為光電二極管的符號。
暗電流：無光照時的反向飽和電流。一般<1μA。
光電流：指在額定照度下的反向電流，一般為幾十毫安。
靈敏度：指在給定波長(如0.9μm)的單位光功率時，光電二極管產(chǎn)生的光電流。一般≥0.5μA/μW。
峰值波長：使光電二極管具有最高響應靈敏度(光電流最大)的光波長。一般光電二極管的峰值波長在可見光和紅外線范圍內(nèi)。
響應時間：指加定量光照后，光電流達到穩(wěn)定值的63%所需要的時間，一般為10-7S。
光電二極管作為光控元件可用于各種物體檢測、光電控制、自動報警等方面。當制成大面積的光電二極管時，可當作一種能源而稱為光電池。此時它不需要外加電源，能夠直接把光能變成電能。4.2.3 發(fā)光二極管
發(fā)光二極管是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的半導體固體顯示器件，簡稱LED(Light Emitting Diode)。和普通二極管相似，發(fā)光二極管也是由一個PN結構成。發(fā)光二極管的PN結封裝在透明塑料殼內(nèi)，外形有方形、矩形和圓形等。發(fā)光二極管的驅(qū)動電壓低、工作電流小，具有很強的抗振動和沖擊能力、體積小、可靠性高、耗電省和壽命長等優(yōu)點，廣泛用于信號指示等電路中。在電子技術中常用的數(shù)碼管，就是用發(fā)光二極管按一定的排列組成的
發(fā)光二極管的原理與光電二極管相反。當這種管子正向偏置通過電流時會發(fā)出光來，這是由于電子與空穴直接復合時放出能量的結果。它的光譜范圍比較窄，其波長由所使用的基本材料而定。不同半導體材料制造的發(fā)光二極管發(fā)出不同顏色的光，如磷砷化鎵(GaAsP)材料發(fā)紅光或黃光，磷化鎵(GaP)材料發(fā)紅光或綠光，氮化鎵(GaN)材料發(fā)藍光，碳化硅(SiC)材料發(fā)黃光，砷化鎵(GaAs)材料發(fā)不可見的紅外線。
發(fā)光二極管的符號如圖4-10所示。它的伏安特性和普通二極管相似，死區(qū)電壓為0.9~1.1V，其正向工作電壓為1.5~2.5V,工作電流為5~15mA。反向擊穿電壓較低，一般小于10V。
4.3 二極管整流及濾波電路
電路中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源供電。小功率穩(wěn)壓電源的組成可以用圖4-11表示，它是由電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路四部分組成。
電源變壓器是將交流電網(wǎng)電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?，然后通過整流電路將交流電壓變成脈動的直流電壓。由于此脈動的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電壓。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動(一般有±10%左右的波動)、負載和溫度的變化而變化。因而在整流、濾波電路之后，還需要接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當電網(wǎng)電壓波動、負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。
4.3.2 濾波電路
整流電路雖將交流電變?yōu)橹绷?，但輸出的卻是脈動電壓。這種大小變動的脈動電壓，除了含有直流分量外，還含有不同頻率的交流分量，這就遠不能滿足大多數(shù)電子設備對電源的要求。為了改善整流電壓的脈動程度，提高其平滑性，在整流電路中都要加濾波器。下面介紹幾種常用的濾波電路。
1.電容濾波電路
電容濾波電路是最簡單的濾波器它是在整流電路的輸出端與負載并聯(lián)一個電容C而組成。如圖4-15(a)所示。
電容濾波是通過電容器的充電、放電來濾掉交流分量的。圖4-15(b)的波形圖中虛線波形為半波整流的波形。并入電容C后，在v2>0時，D導通，電源在向RL供電的同時，又向C充電儲能，由于充電時間常數(shù)很小(繞組電阻和二極管的正向電阻都很小)，充電很快，輸出電壓vo隨v2上升，當vC =后，v2開始下降v2 vC時C又被充電vo = v2又上升。直到v2
為了達到式(4-10)的取值關系，獲得比較平直的輸出電壓，一般要求
式中T電源交流電壓的周期。
此外，由于二極管的導通時間短(導通角小于1800)，而電容的平均電流為零，可見二極管導通時的平均電流和負載的平均電流相等，因此二極管的電流峰值必然較大，產(chǎn)生電流沖擊，容易使管子損壞。
具有電容濾波的整流電路中的二極管，其最高反向工作電壓對半波和全波整流電路來說是不相等的。在半波整流電路中，要考慮到最嚴重的情況是輸出端開路，電容器上充有V2m，而v2處在負半周的幅值時，這時二極管承受了2V2的反向工作電壓。它與無濾波電容時相比，增大了一倍。
對于單相橋式整流電路而言，無論有無濾波電容，二極管的最高反向工作電壓都是V2。
關于濾波電容值的選取應視負載電流的大小而定。一般在幾十微法到幾千微法，電容器耐壓值應大于輸出電壓的最大值。通常采用極性電容器。
下載文檔
