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編輯推薦： 本书有效整合了模拟电子技术基础和高频电子线路两门课程，从知识学习与知识应用两个方面入手，借助精心设计的项目，引导学生将知识应用于问题的分析和问题的解决过程中，并通过这一过程来认知专业理论对自身技能培养的重要性。从另一方面来看，课程整合的思路也符合向中国制造2025方向发展与技术转型的需求。 本书的编写有以下特点。 针对项目进行主题学习，每个项目都有项目导引，可引导学生了解完成项目任务所需的知识，在将知识应用于项目任务解决过程的同时，理解知识置于实践的重要性，并扩展自身对专业理论知识应用的认知。 本书虽然简化了基本概念上烦琐的数学推导，但增强了对基本概念的物理解释和应用描述，引导学生学会用基本概念去处理复杂的电子电路或电子系统所出现的问题。 消除了原模拟电子技术基础与高频电子线路课程之间的清晰界线，依据项目化的编写，让学生可以从宏观角度了解模拟电子技术的应用目的和它能够解决的实际问题，提升学生的学习兴趣。 为适应项目化的教学过程，本书配置有较为完善的教学资源。项目任务书可以引导学生按步骤和要求完成项目任务，教师评价则可以方便教师检查学生的完成情况并给予学生相应的指导；由于本课程 內容簡介： 全书共包括四个项目，并按完成每个项目所需的知识点进行编写。 项目1是直流供电电路故障排除，主要涉及半导体、PN结特性及其具体的应用电路；项目2是示波器的使用与信号测量，其主要任务是正确使用示波器观察信号在传输过程中的完整特性，涉及晶体管放大电路偏置状态的设置与检查、晶体管放大组态电路的工作原理；项目3是集成电子器件数据手册阅读与信号合成，主要任务是在理解集成运算放大器运算电路组态、工作原理的基础上，通过查阅集成运算放大器数据技术手册，测试电路板并对可能的故障进行诊断，主要涉及运算放大器的技术参数、运算放大器基本电路构成及基本工作原理；项目4是遥控小车的制作与调试，主要涉及现代通信系统各个组成部件的基本电路组成及基本工作原理，包括正弦波振荡器、调制器、射频放大器、混频器及中频放大器、解调制器及功率放大器等。 本书可作为高职高专电气、机电、通信及电子类专业的教学用书，也可供相关专业的工程技术人员参考。 目錄： 目 录 项目1 直流供电电路故障排除1 主题1 模拟电子电路的基本概念3 1.1 电路基础与电子技术基础的区别3 1.1.1 线性电阻4 1.1.2 非线性电阻5 1.2 信号的基本概念6 1.2.1 信号的合成7 1.2.2 信号的失真7 1.3半导体材料及其特性8 1.3.1 本征半导体9 1.3.2 杂质半导体10 1.4 结及单向导电11 1.4.1 结的形成原理13 1.4.2 结的单向导电性13 主题2半导体二极管及其应用15 2.1 半导体二极管的特性15 2.1.1 半导体二极管的结构与 符号15 2.1.2 半导体二极管的伏安特性 曲线16 2.1.3 半导体二极管的分析模型18 2.2 整流器19 2.2.1 半波整流器19 2.2.2全波整流器22 2.2.3桥式整流器25 2.2.4 半导体整流二极管的主要 参数26 2.3 二极管稳压器29 2.3.1 稳压二极管29 2.3.2 整流滤波与稳压30 2.4 二极管限幅器和钳位器36 2.4.1 二极管限幅器36 2.4.2 限幅电压的调节器38 2.4.3 二极管钳位器39 2.5 二极管指示电路40 2.5.1 发光二极管40 2.5.2 发光二极管电路41 2.6特殊二极管41 2.6.1 变容二极管41 2.6.2光敏二极管43 主题3 故障检查46 3.1 故障检测计划46 3.2 全波桥式整流故障检测47 3.2.1 熔断器失效48 3.2.2 二极管及滤波电容失效48 3.3 项目任务：汽车供电系统故障检查50 4.1 工作页55 项目2 示波器的使用与信号测量60 主题1 半导体晶体管器件61 1.1 半导体晶体管的诞生与影响61 1.2 半导体晶体管器件62 1.2.1 晶体管的结构63 1.2.2 晶体管的工作条件和工作 原理65 1.3 双极型晶体管器件的性能参数67 1.3.1 晶体管的偏置电流67 1.3.2 晶体管的直流67 1.3.3 晶体管的偏置电压68 1.3.4 晶体管的特性曲线69 1.3.5 截止和饱和71 1.3.6 直流负载线72 1.3.7 静态工作点74 1.4 双极型晶体管的直流偏置电路74 1.4.1 基极偏置75 1.4.2 集电极反馈偏置76 1.4.3 分压式偏置77 1.4.4 发射极偏置79 1.5 双极型晶体管数据手册中的交流 参数80 1.5.1 直流量和交流量80 1.5.2 厂商数据手册81 1.5.3 交流和直流等效电路84 1.6 项目任务：单管放大器点的设置与 测试86 主题2 半导体晶体管电路90 2.1 共发射极放大器90 2.1.1 直流等效电路90 2.1.2 交流等效电路91 2.1.3 电压增益92 2.1.4 输入与输出电阻94 2.1.5 交流负载线96 2.2 达林顿管及典型应用101 2.2.1 达林顿管101 2.2.2 典型应用101 2.3 模拟开关电路103 2.3.1 双极晶体管开关电路103 2.3.2 采样保持电路104 2.3.3 模拟复用器105 2.3.4 晶体管逆变电路106 2.4 电容耦合多级放大器107 2.4.1 电容耦合107 2.4.2 负载效应108 2.5 项目任务：信号完整性测试110 3.1 工作页114 项目3 集成电子器件数据手册阅读与信 号合成121 主题1 信号运算电路122 1.1 运算放大器介绍122 1.1.1 符号与端子123 1.1.2 理想运算放大器124 1.1.3 实际运算放大器125 1.2 差分放大器125 1.2.1 差分放大器的基本工作 原理126 1.2.2 共模抑制比128 1.3 运算放大器数据手册中的参数130 1.3.1 输入失调电压130 1.3.2 输入失调电压温漂131 1.3.3 输入偏置电流131 1.3.4 输入电阻132 1.3.5 输入失调电流132 1.3.6 输出电阻133 1.3.7 输入电压范围133 1.3.8 开环电压增益133 1.3.9 共模抑制比133 1.3.10 转换速率134 1.4 负反馈运算放大器135 1.4.1 反馈的概念136 1.4.2 负反馈运算放大器组态139 1.4.3 负反馈对运算放大器的 影响144 1.5 项目任务：集成电子器件数据手册 Datasheet阅读151 主题2 基本运算放大电路154 2.1 比较器154 2.1.1 过零检测154 2.1.2 非过零检测155 2.1.3 输入噪声对比较器工作的 影响156 2.1.4 用滞回减小噪声的影响158 2.1.5 输出限幅160 2.2 求和放大器162 2.3 积分与微分器164 2.3.1 运算放大积分器164 2.3.2 运算放大微分器166 2.4 项目任务：超温检测仪故障检测168 3.1 工作页170 项目4 遥控小车的制作与调试177 主题1 通信系统的基本概念178 1.1 电子通信系统概述178 1.1.1 系统组成框图绘制178 1.1.2 电子通信系统的组成 框图180 1.1.3 传输频率182 1.2 高频传输线183 1.2.1 终止传输线184 1.2.2 其他高频考虑185 主题2 通信系统的组成部件186 2.1 振荡器187 2.1.1 振荡器的类型187 2.1.2 反馈振荡器188 2.1.3 弛豫振荡器198 2.2 调制器200 2.2.1 调制的概念201 2.2.2 幅度调制202 2.3 项目任务：遥控小车组成框图的 绘制208 2.4 射频放大器212 2.5 混频器与中频放大器214 2.5.1 混频器215 2.5.2 中频放大器215 2.6 幅度解调器220 2.7 功率放大器221 2.7.1 甲类功率放大器221 2.7.2 乙类功率放大器227 2.7.3 丙类功率放大器232 2.7.4 丁类功率放大器235 2.8 项目任务：遥控小车的制作与 调试238 3.1 工作页244 参考文献252 內容試閱： 前 言 项目化的教材既不是实验或实训项目的堆积，也不是知识点的无序排列，而应该是借助项目为教学手段，实现知识的学习与应用，并引导学生在应用过程中积累经验，提高技能。本书正是以此为指导思想而编写的一本教材。 随着高职教育从规模化建设向内涵建设方向的转变，使得课程由过去较为细致的划分向相近合并，并向同类综合的方向转变，而项目化的课程设计更加快了这一转变的速度。为了适应这一转变，本书有效整合了模拟电子技术基础和高频电子线路两门课程，从知识学习与知识应用两个方面入手，借助精心设计的项目，引导学生将知识应用于问题的分析和问题的解决过程中，并通过这一过程来认知专业理论对自身技能培养的重要性。从另一方面来看，课程整合的思路也符合向中国制造2025方向发展与技术转型的需求。 本书的编写有以下特点。 针对项目进行主题学习，每个项目都有项目导引，可引导学生了解完成项目任务所需的知识，在将知识应用于项目任务解决过程的同时，理解知识置于实践的重要性，并扩展自身对专业理论知识应用的认知。 本书虽然简化了基本概念上烦琐的数学推导，但增强了对基本概念的物理解释和应用描述，引导学生学会用基本概念去处理复杂的电子电路或电子系统所出现的问题。 消除了原模拟电子技术基础与高频电子线路课程之间的清晰界线，依据项目化的编写，让学生可以从宏观角度了解模拟电子技术的应用目的和它能够解决的实际问题，提升学生的学习兴趣。 为适应项目化的教学过程，本书配置有较为完善的教学资源。项目任务书可以引导学生按步骤和要求完成项目任务，教师评价则可以方便教师检查学生的完成情况并给予学生相应的指导；由于本课程是专业理论技术课程，因此让学生彻底理解并能够准确描述其中基本的理论知识点是非常必要的。为此本书配置了从知识点的自我检查，到基本理论素养的实践训练及基本实践技能培养的故障诊断工作页，在方便学生自我练习的同时，也方便教师随堂或课后的任务布置。 本书由云南机电职业技术学院李琳、周柏青主编。云南机电职业技术学院的李林会副教授负责项目1.1～主题4.1的编写及书中部分示图的绘制。浙江同济科技职业学院的教师周柏青负责项目1.2～主题4.2的编写及书中大部分示图的绘制。李琳教授负责项目1.3～主题4.3的编写、全书项目任务的讨论与设计，以及全书的统稿与审定。湖北汽车工业学院杨正材副教授负责项目1.4～主题4.4的编写及项目1.4～主题4.4任务的制作、验证及示范。 本书是专业理论课程项目化教学资源建设的一部分，其他教学资源，如课程课件、任务指导课件、教学设计、授课计划、微课及原理动画、资源包含Multisim文件、器件技术手册、任务资料、教学视频等可与出版社进行咨询并访问下载。 本书所有项目任务均要感谢与深圳国泰教育技术股份有限公司李全和邵磊的讨论、交流以及他们对该课程建设的技术支持。同时，还要感谢参与本书教学资源建设的大连理工大学微机电工程学院王兴博士及参与本课程建设的相关人员。 由于编者水平有限，书中不妥与不足之处在所难免，请广大读者和专家批评指正。 编 者 项目1 直流供电电路故障排除 项目导引 项目内容 德系紧凑式汽车发电机的直流供电系统不能向蓄电池正常充电。经检查，发电机供电系统线路与蓄电池完好，请您找到故障原因并排除故障。直流供电系统结构示意图和电路原理图分别如图1-1和图1-2所示。图1-1 德系紧凑式汽车发电机直流供电系统结构示意图图1-2 德系紧凑式汽车发电机直流供电系统电路原理图 项目路径 完成任务需要先期解决以下几个问题参考问题，您还可以根据自己的实际情况，找出完成任务需要先期解决的更多问题。 问题1：在图1-2中，汽车发电机直流供电电路中的1、2、3、4都是什么器件？它们的作用是什么？ 问题2：图1-2所示汽车发电机直流供电电路中的电流是如何流动的如何从正极流向负极？ 问题3：图1-2所示的汽车发电机直流供电电路与电路基础中的电路相比，它们之间有何异同？ 主题1 模拟电子电路的基本概念 1.1 电路基础与电子技术基础的区别 电路基础是指用来分析在电路中流经各个电路元件的电流与其两端所产生电压的一套计算方法与相关理论。它主要关注的是电能安全与有效利用的方式，电路安全与正常运行的条件，在特殊情况下如开路、短路、开关闭合及开启时所出现的电路现象以及利用与避免的方法。电子技术则是利用半导体材料制造出某些能够用来控制电路中电流运动的电子元件如二极管、三极管，并用这些电子元件设计和制造出某种具有特定功能的电路电子部件，它往往是一个完整电路中的某个中间环节，以解决诸如电流在电路中流动时的控制、非电量的转换与传送等实际的技术应用问题。 电子技术基础可以划分成许多分类来进行研究和应用。其中最基本的一种分类是将电信号分成由连续变化量表示的模拟信号和可以用二进制表示的数字信号。 模拟信号是自然界最常见的信号，如温度、压力、流速等。这些非电的自然信息经过传感器转换成电压或电流之后，就形成了模拟信号，便可以通过由半导体器件所组成的电子电路来对这些信号进行加工和处理，使它们能够按着我们的意图进行运行和传输。能够完成这些功能的电路就被称为模拟电路。但随着计算机和其他数字设备的发展，这些模拟信号越来越多地被电子电路转换成可以用二进制表示的数字信号进行处理和传递。尽管如此，我们仍然无法越过模拟信号而直接接触到数字世界。因此，在现代电子技术中，模拟器件和模拟功能将继续发挥重要的作用。 现代电子技术基础起源于1907年，Lee de Forest李德福雷斯特，1873－1961，无线电之父，发明了真空三极管，见图1-3的发明。他第一次将金属网格插入真空管中并能够在一个电路中控制电流。今天，电子器件还在控制着电路中的电压和电流，但采用了固态器件半导体器件。 图1-3 德弗雷斯特和他的网格三极管1.1.1 线性电阻 在初等代数中，线性方程代表的是一条直线。在通常情况下，可写成如下形式： 式中，是因变量；是自变量；是斜率；是轴上的截距。 如果方程的图形经过坐标原点，轴上的截距是，此时方程可简化成如下形式： 这与欧姆定律的形式 1-1 一样。并且由此可以看出，在欧姆定律中，电流是因变量，电压是自变量，斜率是电阻的倒数。回顾一下电路基础，简单来说，斜率就是电导。很显然，通过变量代换，欧姆定律的线性方程可以更为明显，就是 线性电阻是指在欧姆定律给定形式中，电流的增加正比于所施加电压的变化。一般而言，能够反映出一个器件两个变化特性之间关系的图被称为特性曲线。对于大多数的电子元件来说，特性曲线是指一幅将电流表示成电压的函数的图形。例如，线性电阻的电流-电压特性曲线是如图1-4所示的一条直线。注意，轴代表电流，因为它在式1-1中是因变量。 图1-4 两个线性电阻的电流-电压特性 【例1-1】 图1-4中画出了两个电阻的电流-电压特性曲线，的电导和电阻各是多少？ 解：通过测量特性曲线的斜率，可以求出电导，斜率就是轴的变化量记为除以轴的变化量记为，等于。 从图1-4中选择点，和原点，，可以求出斜率，因此电导是 对于一条直线而言，斜率是一个常数，因此可以选择直线上的任意两点来求出电导，电阻是电导的倒数，所以有 实践练习：求出电阻的电导和电阻。 1.1.2 非线性电阻 如前所述，线性电阻的特性曲线是一条通过坐标原点的直线。直线的斜率是常数，代表电阻器的电导，斜率的倒数表示电阻。但在电子技术基础中，基本电子元件二极管、三极管的电流和电压不成正比，因此，其特性曲线也就不能够用一条直线来表示。 如图1-5所示是基本电子元件二极管的电流-电压特性曲线关于二极管的特性，我们将会在主题2中讨论。讨论这种非线性电阻的问题，通常会借助微分的概念，即将电压的变化限制在一个微小的区域内，从而使这个区域内电流的变化基本上能够呈现为线性，从而使其与电压变化成正比。这个方法被称为非线性电阻的线性化方法。 图1-5 二极管的电流-电压特性曲线 在图1-5所示的两个电压变化区域内，区域内的点由这个电压变化区域内的电压中间值确定。一旦电压的变化区域及电压中间值被确定，则在其所对应的电流线性变化区域内，电流的中间值也就随之确定。因此，在这个选定区域内，由中间点的电压与其相对应电流的点的比值被称为直流电阻；而这个线性化区域内，电压变化量与其所对应的电流变化量的比值则被定义为交流电阻，表示为 1-2 从图1-5中可以观察到：当将电压变化限制在相同的区域内时，由于二极管工作电流-电压的非线性特性，其线性化后电流的变化区域却大不相同。这说明，对于非线性电子元器件来说，选择不同的直流电阻以及相应的电压变化区域，元器件对电流所产生的阻碍作用是不一样的。 【例1-2】 在图1-5所示的电流-电压特性曲线上，区域1的直流电阻与交流电阻各是多少？ 解：通过测量特性曲线上区域工作点的电流与电压值，得、，则可求出该工作点的直流电阻是 测量区域上电流的变化量，有 测量区域上电压的变化量，有 则可计算出在该工作区域内，二极管的交流电阻是 实践练习：求出图1-5中区域的直流和交流电阻，并结合例1-2比较两个区域内直流电阻与交流电阻的计算结果，总结非线性电阻电路及电子电路的特点。 1.2 信号的基本概念 电信号是指任何携带非电物理量信息的电压或电流的统称。而这些非电的物理信息可能是可以被听到的，也可能是可以被看到的，又或者是以其他方式表征的信息。例如，声音信号可以传达语言或音乐信息；图像信号可以传达人类视觉系统能够接受的图像信息。再如，房间温度发生变化的信息、汽车轮胎压力发生变化的信息等。这些随时间变化的非电物理量信息借助传感器转换成随时间变化的电压或电流等电信号，然后输入到电子设备中做进一步的处理。 傅里叶17681830，法国著名数学家，他在数学上用三角级数表示了周期信号，这个级数就被称为傅里叶级数，即除了正弦波本身外，所有周期函数都是一系列正弦波的组合。 图1-6 傅里叶和傅里叶级数 从数学描述的角度上看，这些电信号基本是时间的函数它们代表了对自然界中非电物理量随时间变化的模拟。在高低频电子技术中，电信号一般满足狄利克雷条件，这也就是说，进入高低频电子设备中的绝大部分电信号都可以展开成为傅里叶级数。 例如，图1-7a所示的方波电压信号，可以分解成如下式所表示的傅里叶级数，即 在傅里叶表达式中，不含正弦函数的分量被称为直流分量，含有正弦函数的分量被称为谐波分量。方波的傅里叶表达式中没有直流分量，它由各种不同频率的谐波分量组成。其中所代表的分量叫基波分量，其他的则称为高次谐波分量。例如，在方波的傅里叶级数中，频率为的谐波分量被称为三次谐波，同理含有的谐波分量就被称为五次谐波。鉴于正弦函数所具有的单纯性，即在进行信号分析时，可以只考虑正弦函数的频率和幅值大小，因此傅里叶发明了频谱图。即纵轴轴上通常以电压或者功率为单位来表示各谐波分量的幅度大小，在横轴轴上，以Hz赫兹为单位来表示各谐波分量所占据的频率。示例中方波信号的频谱图如图1-7b所示。 图1-7 方波信号的波形与频谱 1.2.1 信号的合成 傅里叶级数理论和他的频谱图解释了电信号的组成。反过来说，任何一个非正弦周期信号也是可以用不同频率、不同幅值的正弦信号进行合成。例如，根据傅里叶分析，方波信号可以分解成若干个奇数频率的谐波分量。同样，我们也可以利用的基波、的三次谐波和的五次谐波等来合成如图1-8所示的频率为的方波。 图1-8 奇次谐波的组成构成方波信号 1.2.2 信号的失真 在任何一个电子电路中，信号的失真都是一个不得不考虑的问题。用傅里叶级数理论来解释信号失真是比较容易理解的。由图1-8可以看出，用来合成方波的奇次谐波分量越多，合成的方波波形就越接近理想方波的波形。然而在信号传输过程中，由于电路本身的非线性以及对信号能量的消耗，高频率低幅值的高次谐波在很大程度上会因为能量损失过大而无法被传送到负载端去参与信号合成，从而导致信号失真。因此，能否不失真地传递电信号的一个重要限制就是带宽用表示。 带宽包括信号带宽和系统带宽。 所谓信号带宽就是指某电信号所包含的最高谐波频率和最低谐波频率的差值。例如，语音信号一般可分解为～之间正弦谐波分量，因此，根据信号带宽的定义，该语音信号的带宽为 而系统带宽则是指一个电子系统所能允许通过的最高谐波频率与最低谐波频率的差值也称为通带。如前所述，一个电子系统的带宽必须足够大宽，才能够使其电信号所包含的各种频率的谐波分量无损通过。如上例中，要想让语音信号不失真地传送，那么传送语音信号的电子设备就必须有大于或等于的系统带宽。因此，衡量电子器件质量好坏的一个重要性能参数就是：被制造出来的器件在不同的工作环境中，其带宽是否能够满足所有不同频率和大小的正弦信号不失真地采集与传递。另外，电子元件非线性特性是造成信号失真的另一个来源，关于这一点，我们将在电子器件的介绍中做进一步的讨论。 综上所述，与电路基础中电路讨论的任务不同，电子电路是一个讨论如何对电信号进行处理与传送的系统。一个典型的例子就是公共广播系统，它用来传递语音信号，使人们在一个较大的范围内能接收到并听到。图1-9表示语音信号通过语音传感器麦克风获取，转换为一个电压信号，电压信号经过处理和线性放大后，最后传送到扬声器负载上，再由扬声器将放大的电压信号转换成语音信号。 图1-9 一个基本的公共广播系统 1.3 半导体材料及其特性 物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。 物质的导电特性取决于物质的原子结构。导体一般为低价元素，如铜、铁、铝等金属，其最外层电子受原子核的束缚力很小，因而极易挣脱原子核的束缚成为自由电子。因此，在外电场的作用下，这些电子产生定向运动称为漂移运动形成电流，从而呈现出较好的导电特性。高价元素如惰性气体和高分子物质如橡胶、塑料最外层电子受原子核的束缚力很强，不易摆脱原子核的束缚成为自由电子，所以其导电性极差，可作为绝缘材料。而半导体材料最外层电子既不像导体那样极易摆脱原子核的束缚成为自由电子，也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧，因此，半导体的导电特性介于二者之间。 元素硅、锗以及一些其他的化合物如砷化镓或锑化铟都可以作为半导体材料，如表1-1所示。 表1-1 半导体材料 材 料 应 用 硅 二极管、晶体管、集成电路、晶闸管、太阳能电池 锗 高频晶体管、检波管 砷化镓 发光二极管、高频晶体管 砷化铟、锑化铟 霍尔发生器 硫化镉 光电阻、太阳能电池 碳化硅 热敏电阻、压敏电阻、发光二极管 1.3.1 本征半导体 纯净晶体结构的半导体称为本征半导体。其制作纯度可达到个原子中仅有一个是外来原子。 在极度低温的条件下，本征半导体为非导电材料。但是在常温条件下，本征半导体因为受到热、光等能量的辐射，会产生一定的导电能力。而这种由于受外部能量辐射而产生导电的过程，就被称为本征激发。 从原子结构上看，半导体材料的原子会形成晶格结构，而且都为四价元素，即在原子结构最外层轨道上有四个价电子。每个价电子都围绕着自己的原子核和相邻的原子核旋转，从而形成了共价键，如图1-10所示。 在常温下，本征半导体中的价电子受到热、光的作用而产生本征激发，挣脱共价键束缚。而某些挣脱共价键束缚的价电子在做无序运动时，又会破坏另一些共价键，从而使得原子最外层的价电子离开原子核而可以在晶格内自由运动，形成能够导电的自由电子。这个过程如图1-11所示。这时若给本征半导体施加外加电压，那么在外部电场的作用下，自由电子便能够进行定向运动，从而形成由负极指向正极的电流，如图1-12a所示。 图1-10 硅原子最外层共价键的示意图 图1-11 硅半导体中的导电电子 图1-12 在外电压作用下硅半导体中电流的形成 如图1-11所示，在价电子变成自由电子的同时，会在其原来的共价键中留下一个称为空穴的电子空位，贡献出电子的空穴同样能传导电流。当一个空穴产生时，相邻共价键上的价电子会受到此空穴的吸引，而来填充此空穴，这样又会在这个相邻位置上再次形成一个新的空穴。空穴如此地出现与填充，便形成了空穴在晶格内的自由运动能够导电的空穴。这时若给本征半导体施加同样的外加电压，那么在外部电场的作用下，空穴的出现与填充便能够进行定向运动，从而形成由正极指向负极的电流，如图1-12b所示。 由此可见，半导体中存在着两种载流子能够导电的粒子：一种是带负电的自由电子，另一种是由于失去电子而带正电的空穴。通过以上对自由电子和空穴生成情况的讨论可知：在受本征激发的本征半导体中，自由电子与空穴是同时成对产生的。其原因则在于：共价键上的价电子从外界获得能量，挣脱共价键的束缚变成了自由电子。而价电子一旦变成自由电子，那么在其原来的位置上就留下了一个空穴。 1.3.2 杂质半导体 在本征半导体材料中掺入极微量的杂质，例如把一个硼原子掺进个硅原子中，其导电能力可提高几千倍。 对于本征半导体来说，可掺杂低价原子，如三价原子，也可掺杂高价原子，如五价原子。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。 1. 型半导体 由于本征半导体在构成共价键时只需要四价电子。因此，当在本征半导体材料中掺入微量五价元素，如磷、锑、砷之后，剩余的五价杂质中的第五个价电子就成为一个自由电子，即使在没有本征激发的情况下，这个自由电子也可成为导电粒子，如图1-13a所示。 掺杂了五价原子的本征半导体称为型半导体。在型半导体材料中，参与导电的多数载流子是自由电子，如图1-13b所示。 图1-13 型杂质半导体 2. 型半导体 在本征半导体中掺入微量三价元素，如硼、镓、铟之后，在构成完整的共价键时，将缺少一个电子，为了补充此电子将留下一个正极性的空穴。同理，这个留下来的空穴也将构成导电粒子，即使在没有本征激发时，这个空穴也能导电，如图1-14a所示。 掺杂了三价原子的本征半导体称为型半导体。在型半导体材料中，参与导电的多数载流子是空穴，如图1-14b所示。 图1-14 型杂质半导体 1.4 结及单向导电 在讨论结之前，先来了解一下结形成过程中的几个专业术语。 1 漂移：漂移是指载流子的漂移运动。也就是在给半导体施加外部电压时，作为载流子的自由电子和空穴受电场力作用而产生运动的现象。 2 扩散：扩散是指载流子的扩散运动。也就是说，当本征半导体掺进不同性质的杂质时，作为载流子的数量与性质也各不相同，在半导体未受外部电场作用时，由于载流子的数量、性质不一样，而引起的半导体局部多数载流子向其他数量较少而性质相同的载流子区域迁移现象。这个过程就像滴入水中的墨水向周围蔓延扩散一样。 漂移与扩散是在结形成之前，不同掺杂半导体内部相互作用而产生的重要运动，如图1-15所示。 图1-15 载流子的运动 图1-16 载流子的产生与复合 3 复合：复合是指由于热、光、掺杂和外加电压的作用，使半导体内产生了载流子自由电子和空穴，它们产生后，也会在一定时间内相互结合而消失。这种现象称为载流子的复合。当来自外部的能量施加在半导体上时，载流子的产生与复合是同时进行的，由于产生与复合的比例相同，所以这种运动并不能增加或减少载流子的数量，如图1-16所示。 如图1-17所示描述了半导体制造商生产结的工艺流程。其工艺过程是：在一块本征半导体上，先采用离子注入工艺，在一个型半导体的衬底上注入离子，形成离子界区；然后通过两个界区中不同离子的扩散与漂移运动，最终在两个界区的接触面处形成结。也只有当型半导体和型半导体结合在一起形成结后，半导体器件的现实作用才能真正发挥出来。 图1-17 结生产工艺的简化流程示意图1.4.1 PN结的形成原理 如图1-18所示描述了结的形成原理。在未施加外部电压时，在型半导体区域与型半导体区域的接触面上，由于电子的热运动使自由电子从型半导体区域向型半导体区域扩散，并与型半导体中的空穴复合；同样，型半导体区域中的空穴也向型半导体区域扩散，并与型半导体区域中的自由电子复合。于是在两个区域接触面的两侧，型半导体区域因缺少自由电子而带正电，而型半导体区域则因缺少空穴而带负电，从而在半导体内部形成了一个厚度约的、方向由掺杂区指向掺杂区的空间电场。这个空间电场被称为结。由于空间电场结并不存在能够导电的载流子自由电子和空穴，因此这个空间电场在被称结时，也被称为耗尽层，即所有掺杂区的载流子在经过结时都会被复合消耗掉。 图1-18 PN结的形成原理 1.4.2 PN结的单向导电性 从本质上看，结是一个空间电场，因此它的作用相当于一个充电之后的电容器。如果我们用电容电压来表示结对外施电压外电场的阻挡，那么在施加外部电压时，能否克服结所产生的阻挡电压就是结能否导通的关键所在。 在电子技术中，给结施加外部固定直流电压的工作条件，被称为偏置Bias。偏置也是电子技术应用中的一个常用术语。图1-19所示描述了不同偏置情况下，结的导电特性。 图1-19 PN结的单向导电性1. 正向偏置 如图1-19b所示，当使PN结的P掺杂区连接外施直流电源的正极，而N掺杂区连接外施直流电源的负极时，其外施电压的方向就与PN结阻挡电压的方向相反，内部电场被削弱克服，电流因此得以通过PN结。电流通过PN结的状态称为PN结正向导通，而能够使PN结处于正向导通状态的直流条件就被称为正向偏置。 2. 反向偏置 如图1-19c所示，当使结的掺杂区连接外施直流电源的负极，而掺杂区连接外施直流电源的正极时，其外施电压的方向就与结阻挡电压的方向相同，内部电场得以加强，电流因此不能通过结。电流不能通过结的状态被称为结反向截止，而能够使结处于反向截止状态的直流条件就是反向偏置。 这种只有施加与结阻挡电压相反的外部电压，才能使结导通的特性被称为结的单向导电性。 主题2 半导体二极管及其应用 2.1 半导体二极管的特性 一个结就构成了一只半导体二极管，因此半导体二极管的特性实质上就是结的特性，即在不施加外部电压时，二极管中就没有电流。半导体二极管的主要用处就是它能够根据偏置情况，控制电流只朝着一个方向流动。 2.1.1 半导体二极管的结构与符号 普通二极管由一个结加上金属引线和管壳构成，其封装形式外形及外形机械尺寸、内部结构和电路符号如图1-20所示。 a 普通二极管的封装形式。有银色色环的一端是二极管的阴极；未标颜色的一端是阳极。b 普通二极管内部结构示意图。与阴极相连接的区域是掺杂区，与阳极相连接的区域是掺杂区。半导体二极管是由一个结构成的电子器件。c 普通二极管电路符号。箭头所指方向为电流的流通方向，永远指向阴极。竖线代表阻挡层，即结。当在阴极上施加极性为正的外部电压时，结将阻止电流通过；而当在阳极上施加极性为正的外部电压时，结将不能阻止电流通过。 图1-20 整流二极管的外形、内部结构及电路符号 普通二极管除了图1-20a所示的封装形式外，根据通用二极管所能通过的电流大小及允许电压的高低，还有其他一些封装形式。图1-21给出了几种二极管的典型封装形式和它们的极性标识。 图1-21 通用二极管的典型封装形式 2.1.2 半导体二极管的伏安特性曲线 由于二极管只有一个结，所以它的偏置条件相对简单，即当普通二极管的阳极接外施电压的正极，且外施电压值足够大，则二极管就会处于导通状态；反之，若将普通二极管的阴极接外施电压的正极，则二极管就会处于截止状态。图1-22是通过电流测试与电压测试来绘制二极管特性曲线的实验电路。 a 正向测试电路 b 反向测试电路 图1-22 绘制半导体二极管特性曲线的测试电路 例如，通过一个的前置电阻，将型号为的二极管测试电路接上可调电源，缓慢调节电源电压正向测试时，其正向电压不应超过；反向测试时，其反向电压可达到，并记录二极管两端电压和其所通过的电流值。待测试完成后，将所记录的外施电压与电流的数据用光滑的曲线连接起来，就可以绘制出二极管的伏安特性电流-电压特性曲线，如图1-23所示。 1. 正向特性 如图1-22a所示，外接电源的正极接整流二极管的阳极，而负极接整流二极管的阴极，此时二极管中的结处于正向偏置状态。 图1-23 硅半导体二极管的伏安特性电流-电压特性曲线 正向特性曲线如图1-23的右半平面的曲线所示。当外施的正向偏置电压小于结的阻挡电压在二极管特性曲线中也被称为正向阈值电压或死区电压时，没有正向电流；只有当外施正向偏置电压接近阈值电压时，二极管中才有电流开始流动。一旦外施正向偏置电压大于阈值电压，则正向电流将随着外施偏置电压的微增而急剧增大。这意味着结的阻挡电压被克服，二极管正向导通，整个电路连通，并形成大小为的正向电流。 正向偏置时，流过二极管的电流在其两端所产生的电压几乎等于二极管的阈值电压，但会随着正向电流的增大而略微增加。因此，对正向偏置的二极管来说，阈值电压就是二极管正向导通时的端电压，而这个端电压也被称之为管压降。 2. 反向截止 如图1-22b所示，当外接电源的正极接二极管的阴极，而负极接二极管的阳极时，二极管中的结处于反向偏置状态。反向特性曲线如图1-23左半平面的曲线所示。二极管反向偏置时，二极管不能导通，这相当于整个电路被断开。因此，在电路中也就不能形成电流。 3. 反向击穿 随着反向偏置电压的提高，二极管内部载流子的漂移运动开始，电路中会有很小的反向漏电流在流动。当反向电压超过限定的最大反向电压时，二极管内会产生较大的反向电流。如果不对这个反向电流进行限制，二极管将会被损坏。通常，二极管不会运行在反向击穿区域内，这也就是说，二极管在实际使用时，其反向偏置电压都不允许超过其规定的最大反向电压。 随着二极管制作材料与工艺的不同，其性能参数也会有所不同，但是它们的电流-电压伏安特性曲线的形态大致相同。 表1-2给出了两种由不同掺杂半导体材料制造的二极管的性能比较。表中所谓的锗二极管是指半导体生产过程中，以型材料为衬底见图1-17，即在本征半导体上先注入三价杂质制造的二极管；而所谓的硅二极管则是指以型材料为衬底制作的二极管。 表1-2 锗二极管与硅二极管的比较 特性参数 锗二极管 硅二极管 正向阈值电压管压降 电流密度 最高工作温度 效率 峰值截止电压 ～ ～ 2.1.3 半导体二极管的分析模型 1. 理想模型 根据二极管的伏安特性关系，最简单的方法是将二极管视为一个开关。在理想情况下，二极管正向偏置，相当于开关闭合；而二极管反向偏置，则相当于开关断开。此时，图1-23所示的二极管的伏安特性曲线可绘制成如图1-24c所示的理想伏安特性曲线。 a 正向偏置 b 反向偏置 c 二极管理想模型的伏安特性曲线 图1-24 等效开关的二极管理想模型 值得注意的是，在理想情况下，二极管的管压降和反向漏电流始终为零。当然，这是二极管的理想模型，这种模型忽略了结的阻挡电压、内部阻抗和其他一些因素。在大多数情况下，这种模型已经足够精确，尤其是当偏置电压是结正向阈值电压的十倍或者更高倍数时。 2. 偏移模型 二极管的偏移模型是一种比理想模型精度更高的分析模型，它主要考虑了结阻挡电压的作用。在二极管的偏移模型中，结的阻挡电压等效于一个与闭合开关串联的小电池，如图1-25所示，这个小电池的电压值等于二极管的正向阈值电压锗管约为，硅管约为，详见表1-2。这个等效电路只用于二极管施加正向电压时的分析，因为施加在二极管上的正向电压只有克服了这个结阻挡电压的作用，才能使二极管导通。偏移模型反向偏置时，其模型与理想模型一样，都等效为一个断开的开关。 图1-25 等效开关的二极管偏移模型 2.2 整 流 器 由于二极管只在一个方向上允许电流通过，而在另一个方向上却阻止电流通过，因此普通二极管通常用在整流电路整流器件中，把交流电压转换成直流电压。把交流电压源变成直流电压源，都需要有整流器，从最简单的电子系统到最复杂的电子系统，直流电源都是它们的基本组成部分。 在接下来的讨论中，我们将介绍三种基本的整流器件：半波整流器、中间抽头的全波整流器和全波桥式整流器。 2.2.1 半波整流器 整流器是一个可以把交流转换成脉动直流的电子电路。 图1-26a给出了半波整流器的电路组成。在一个半波整流器中，电路由一个交流电源、一个整流二极管和一个负载串联组成。 图1-26b是半波整流电路的电子线路图，与1-26a的电路图相比，它简化了电源，只用一端来表示电源的一极极性和大小，电源的另一极因隐含接地而未被表示。负载端则保留了接地符号。 图1-26c是电子线路图的另一种画法，与图1-26b相比，它保留了电路中的电源，但将原来与负载相连的地线拆开，使电源与负载分别接地。 a半波整流电路组成图 b 半波整流电子线路图 c 带电源的半波整流电子线路图 图1-26 半波整流电路图与电子线路图 这样绘制电子线路图的原因是电子系统往往会用到大量的电路元件及电子器件。因此，为了尽量减少电路元器件连接线之间的交叉，使电路图看起来简单和清晰，电子系统中的电路往往都会采用如图1-26b或图1-26c所示的绘制方法。值得注意的是，电子电路中的地往往不同于电路基础中所指的地。在电路基础中，我们所称的地常常指的是真实的大地。而电子电路中的地实际上指的是各元件都会连接在某一条导线上的公共点。至于这个公共点是否真的接大地则需要根据实际情况来具体设置。一方面，在电子线路中，公共点或者是地多采用电源的负极，这是因为所有与电源连接的器件，其最后总有一端一定与电源的负极相连接。另一方面，电子电路虽然可以绘制成图1-26c的样子，但在一个电子电路或一个电子系统中地只有一个，这也意味着我们随时都可以用一条导线将电路图中各个标有接地符号的地连接起来。随着学习的深入，大家可以进一步熟悉并体会到这种绘制方法的优越之处。 图1-27描述了半波整流的过程。如图1-27a所示，当正弦波输入电压为正时，二极管是正向偏置的，电流顺利通过并被送到负载电阻上，从而在负载两端形成了与输入电压正半周期具有相同形状的输出电压。此时，输出电压的峰值等于输入电压的峰值减去二极管的正向阈值电压二极管的管压降，见表1-2，即有 a 当输入电压处于正半周期时，二极管导通 图1-27 半波整流器的工作原理 b 当输入电压处于负半周期时，二极管截止，所以输出电压为0 c 三个输入周期的半波输出电压 图1-27 半波整流器的工作原理续 上面的讨论，需要注意以下两个问题。 1 上式中使用的是硅二极管，如果是锗二极管则应减去，详见表1-2。电流在负载两端产生电压，这个电压与输入电压的正半周期具有相同的形状。当正弦波输入电压进入负半周期变为负值时，二极管反向偏置。因为电路中没有电流，所以负载电阻两端的输出电压为0，如图1-27b所示。最终的结果是仅在交流输入电压的正半周期，负载电阻上有电压，使输出成为一个脉动的直流电压。需要注意的是：在负半周期时，二极管需要承受住电源的负半周峰值电压而不被损坏反向击穿，详见二极管反向特性。 2 上述分析采用了二极管的偏移模型，因此负载两端的电压为输入电压减去二极管的管压降。在二极管电路中，当所加电压的峰值远远大于二极管的正向阈值电压时，通常可以忽略二极管的管压降。 【例1-3】 如图1-28所示，对于给定的输入电压，确定整流器的峰值输出电压和二极管的反向峰值电压，并画出二极管和负载电阻端电压的波形。 图1-28 例1-3图 解：峰值半波电压为 当二极管反向偏置时，是二极管两端的最大电压，在负半周期，有最大电压值 图1-29给出了波形图。值得注意的是，由于输入的电源电压只有，所以在此我们使用了更为精确的二极管偏移模型来绘制相关波形。 图1-29 二极管和负载上的电压波形图 实践练习：假设交流电压的峰值是，确定图1-28中的峰值输出电压和整流器的，并画出二极管和负载电阻两端电压的波形。 2.2.2 全波整流器 全波整流器和半波整流器的区别是：全波整流器在整个输入周期允许单向电流流过负载，而半波整流器只在半个周期内允许电流流过负载。全波整流后的结果是一个按照输入电压半个周期的节拍重复输出的直流电压，如图1-30所示。 图1-30 全波整流器 1. 中间头全波整流器 中间抽头全波整流器使用了两个二极管连接到一个中间抽头变压器的二次侧，如图1-31所示。输入的正弦电压通过变压器耦合到二次侧，整个二次侧电压的一半出现在中间抽头和每个二次绕组线端之间。中间抽头全波整流过程如图1-30所示。 在输入电压的正半周期，二次侧电压的极性如图1-32a所示。在这种情况下，上面的二极管正向偏置；下面的二极管反向偏置。电流流过的路径是经过和负载电阻，并在负载电阻两端形成与输入电压正半周期具有相同极性和形状的输出电压。电流路径由如图1-32a中的红线标出。 图1-31 中间抽头全波整流电路 a 在正半周期，正向偏置、反向偏置 b 在负半周期，反向偏置、正向偏置 图1-32 全波整流器的工作原理见彩插 在输入正弦电压负半周期，二次侧电压的极性如图1-32b所示。在这种情况下，上面的二极管反向偏置，下面的二极管正向偏置。电流流过的路径是经过和负载电阻，在图1-32b中也用红线标出。 因为在输入周期的正半周期和负半周期部分，流过负载的电流具有相同的方向，所以在负载电阻两端产生的输出电压是全波直流电压。 2. 匝数比对全波输出电压的影响 如果变压器的匝数比是1∶1，则整流输出电压的峰值等于一次侧输入电压峰值的一半减去二极管压降。这是因为二次侧绕组端的一半处输出电压是输入电压的二分之一，即 为了使峰值输出电压等于输入峰值电压减去二极管的管压降，可采用匝数比为1∶2的升压变压器。在这种情况下，整个二次侧电压是一次侧电压的倍，则二次侧电压一半的输出电压正好等于输入电压。 3. 反向峰值电压 全波整流器中的每个二极管都交替地处于正向偏置和反向偏置状态。每个二极管需要承受的最大反向电压是整个二次电压的峰值。中间抽头全波整流器中每个二极管的反向峰值电压是 【例1-4】电路如图1-33所示，当一次侧输入峰值电压为的正弦交流电时，画出二次绕组和负载电阻上的电压波形，并计算二极管最小的额定值。 解：二次绕组和负载上的波形如图1-34所示。 二次侧的整个峰值电压为 每个二次绕组的一半具有的峰值电压。使用理想二极管模型，一个二极管导通，另一个截止的二极管将承受全部的二次电压。因此每个二极管应该具有的最小额定值是。 图1-33 例1-4图 图1-34 二次绕组和负载上的波形 实践练习：假设交流电压的峰值是，确定图1-33中二极管的，并画出负载电阻两端电压的波形。 2.2.3 桥式整流器 桥式整流器使用四个二极管，这样使用是为了不再需要中心抽头的变压器。桥式整流器是电源中普遍使用的结构方式。四个二极管放置在一起，它们之间用导线连接成桥式结构。桥式整流器是全波整流的一种，它每次把正弦波的一半传送到负载上。 桥式整流电路的工作方式如下：当输入处于正半周期时，如图1-35a所示，二极管、正向偏置并导通，、反向偏置并截止，电流的流经路径如图1-35a中的虚线所示，负载产生电压，电压的波形与输入的正半周期波形相同。 a 在正半周期，和正向偏置、和反向偏置 b 在负半周期，和反向偏置、和正向偏置 图1-35 桥式全波整流器的工作原理 当输入处于负半周期时，如图1-35b所示，二极管、正向偏置并导通，、反向偏置并截止，电流的流经路径如图1-35b中虚线所示，负载两端又产生电压。由于流过负载电阻上的电流和正半周时相同，所以其所产生的电压与正半周时也相同。 1. 桥式全波整流器的输出电压 忽略二极管的管压降，整个二次电压都落在了负载电阻上，因而有 如图1-35所示，不管是在正半周期还是在负半周期，两个二极管始终和负载电阻串联。因此，如果考虑二极管的管压降，则输出电压假设是硅二极管应该是二次侧电压减去，即 2. 峰值反向电压 当二极管、正向偏置时，反向电压加在、上。若不计管压降理想状态，则二极管、相当于短路，反向峰值电压等于二次侧峰值电压。 2.2.4 半导体整流二极管的主要参数 半导体器件的制造商会对其制造的半导体器件给出一个详尽的器件信息，这个器件信息被称为数据手册Data Sheet，从而使器件能够合理地在具体的电子电路中应用。典型的数据手册提供了器件的最大额定值、电气特性、机械参数封装尺寸和各种参数的图表，利用数据手册。可以方便地在一组给定的指标下，选择合适的二极管。 表1-3给出了～系列二极管的主要参数，更为详细的参数可参见～系列的数据手册该系列的二极管参数可以在www.alldatasheet.com上找到。表1-3给出的值是最大值也称极限参数，二极管只有在低于这些值工作时，才不会被损坏。为了安全和更长的使用寿命，二极管应该低于这些值工作。通常最大额定值是指在时的测试值，当温度升高时这些参数值应该向下调整。 表1-3 整流二极管的极限参数 额 定 值 符 号 单 位 峰值重复反向电压 50 100 200 400 V 反向工作峰值电压 直流阻断电压 不重复峰值反向电压 60 120 240 480 V 反向电压有效值 35 70 140 280 V 平均整流正向电流单相，阻性负载， 1.0 A 不重复峰值浪涌电流浪涌用于额定负载条件 30for 1 cycle A 工作和存储结温度范围 ， -65～ 75 需要注意的是，在制造商给出的数据手册中，电压是用大写字母来表示的。这与书中采用大写字母来表示电压有所不同。为了兼顾电路基础及其他专业课程中电压的表示方法，本书仍然采用大写字母和小写字母来表示直流或交流电压，而字母则会用来表示电位这个物理量。 表1-3中的一些参数解释如下。 ：二极管可重复的最大反向峰值电压。注意，在这种情况下，是，是。这与反向峰值电压相同。 ：二极管的最大反向直流电压。 ：二极管不重复一个周期最大反向峰值电压。 ：整流正向电流的最大平均值。 ：不重复一个周期的正向电流的最大峰值。图1-36中的曲线图是在时显示的多周期参数参见该系列二极管的数据手册。 表中给出的是出现一个周期的。当出现个周期时，浪涌电流的极限值是，而不是。 图1-36 不重复浪涌电流能力 表1-4列出了～系列中部分二极管电气特性的典型值和最大值，这些值不同于表1-3所示的最大额定值，它们并不是通过设计来选择的，而是二极管在指定条件下的使用结果。 表1-4 整流二极管的电气参数 特性和条件 符 号 典 型 值 最 大 值 单 位 最大瞬时正向压降， V 最大全周期平均正向压降，，lin引线 V 最大反向电流额定直流电压 最大全周期平均电流，，lin引线 表1-4中的参数解释如下。 ：当二极管用直流电压反向偏置时的最大电流。 ：在整个周期上平均的最大正向压降在一些数据手册中也表示为。 ：一个周期上的平均最大反向电流用交流电压反向偏置时。 ：引线温度。 ：当正向电流为，在时，正向偏置二极管的瞬时电压。图1-37给出了正向电压随正向电流变化的曲线。 图1-37 瞬时正向电压和正向电流 表1-5给出了一系列整流二极管的、和的额定值。 表1-5 整流二极管的、和的额定值 平均正向整流电流 0.1 1.5 3.0 6.0 封装形式 DO-4 59-04 60-01 267-03 149-04 50 1N4001 1N5391 1N4719 MR500 MR750 100 1N4002 1N5392 1N4720 MR501 MR751 200 1N4003 1N5393 1N4721 MR502 MR752 400 1N4004 1N5395 1N4722 MR504 MR754 600 1N4005 1N5397 1N4723 MR506 MR756 800 1N4006 1N5398 1N4724 MR508 MR758 1000 1N4007 1N5399 1N4725 MR510 MR760 30 50 300 100 400 实践练习：从表1-5中选出满足下列参数要求的整流二极管：，，。 2.3 二极管稳压器 2.3.1 稳压二极管 稳压二极管又称为齐纳二极管，其结构和伏安特性曲线是与整流二极管类似的硅半导体器件。与整流二极管不同之处在于其反向击穿区域的设计。稳压二极管在制造时，是通过精细地控制掺杂浓度来设置其反向击穿电压的。从2.1.1节的讨论中可知，当二极管反向击穿时，即使电流急剧变化，二极管两端的电压仍几乎保持恒定。而稳压二极管正是利用这一特性来实现电压稳定的。 稳压二极管的封装形式示例、器件符号和伏安特性曲线如图1-38所示。由于稳压二极管是工作在反向击穿区域的器件，所以图1-38中主要给出了稳压二极管的反向伏安特性曲线。 图1-38 稳压二极管的外形封装形式、电路符号及伏安特性曲线 从稳压二极管的反向特性曲线中可以看到，随着反向电压的增加，反向电流始终非常小，直到曲线到达拐点处，并在这一点上，开始出现击穿效应。如图1-38所示，随着反向电流的快速增大，内部的稳压交流电阻通常这个电阻在参数表中表示为齐纳阻抗开始减小。在其工作区域内齐纳击穿区，如图1-38中的阴影所示稳压二极管击穿电压基本保持不变。 要使稳压二极管工作在稳压状态，稳压二极管中流过的反向电流必须高于其拐点电流。从图1-38中可以看到，当反向电流减小到低于拐点电流时，电压将急剧减小，稳压功能也就失去了。同样，作为一种电路器件，稳压二极管也存在最大电流，超过这个电流值，则意味着稳压二极管会被损坏也即稳压二极管将出现雪崩击穿现象。因而，基本情况是，当通过稳压二极管中的反向电流在～范围内变化时，其击穿电压几乎保持恒定。 在数据手册中，额定击穿齐纳电压是指反向电流处于稳压电流也称为齐纳测试电流，如图1-38所示时所对应的稳压二极管两端的电压值。 【例1-5】 某稳压二极管工作在伏安特性曲线～之间的线性部分，当其电流产生的变化时，出现了的变动，则这个稳压二极管的齐纳阻抗是多少？ 解： 实践练习：如果稳压二极管稳压电流出现的变化，对应的稳压电压出现了的变化，计算齐纳阻抗。 【例1-6】 图1-39有一个输出端稳压值为的稳压二极管，假设其齐纳阻抗为零，稳压电流范围为4～。那么在该电流范围下，其稳压范围是多少？ 图1-39 例1-6图 解：对于最小电流，电阻上的电压为 因为，所以 对于最大电流，电阻上的电压为 所以 实践练习：电路如图1-39所示，若其中电阻的阻值改为，稳压二极管电流变化范围是2.5～。试确定这个稳压二极管可以稳定的电压范围。 2.3.2 整流滤波与稳压 电源滤波大大减小了整流器输出电压的波动，形成了幅度接近恒定不变的直流电压。滤波的原因是电子电路常常需要恒定的直流电压源或直流电流源来提供电能，以便电子电路能够正常工作。 通常在整流后会用大电容器来进行滤波。为了改善滤波效果，电容器后面会紧跟着稳压器。最简单的稳压器可由单个稳压二极管构成，但如果想要得到更为平滑的直流电源，则会采用集成稳压器。 1. 电容滤波器 图1-40给出了一个带有电容滤波的半波整流器，我们将用半波整流器来描述电容滤波的工作原理，然后再推广到全波整流器。 在图1-40所示的半波整流滤波过程中，电容器充电及放电时间的长短取决于充电及放电电路的时间常数。当滤波电容器选定后，充电时，电路由电源、二极管和电容器组成。在不计电源内阻的理想情况下，由于二极管正向偏置时的交流电阻非常小，从而使得电路的充电时间也很小，电容可以进行非常快速的充电。而电容器放电时，电路由电容器和负载电阻组成，负载电阻的大小决定了放电时间的长短。负载电阻越大，则放电时间就越长，放电的速度也就越慢。 a 当电源正半周期开始时，电容两端并没有电压，此时二极管处于正向偏置状态，电容开始充电 b 在正周期峰值电压过后，电容通过开始放电，此时二极管处于反向偏置。放电过程占据的时间段用红色实线标出 c 当下一个正周期到时，二极管又处于正向偏置状态，电容又开始充电，而再次达到输入电压的峰值。充电过程和持续时间段在输入电压波形中用红色实线标出。值得注意的是，在第二个充电周期内，由于电容上已经有了一定的电压，这个电压在电源电压没有超过时，二极管则会一直处于反向偏置状态而不能导通 图1-40 具有电容滤波的半波整流器的工作原理见彩插 接下来，我们讨论两个问题。 1 纹波电压 如图1-40c所示，电容在一个周期开始时快速充电，在正向峰值以后通过负载电阻开始慢慢放电此时二极管反向偏置。由于充电和放电会引起电容电压的变化，而这种变化就形成了所谓的纹波电压。纹波电压越小，滤波效果也就越好。 对于给定的输入频率，全波整流器的输出频率是半波整流器输出频率的两倍。所以当负载电阻和滤波电容器相同时，对全波整流器进行滤波的效果要优于半波整流。全波整流滤波电压的纹波也小于半波整流滤波电压的纹波。这是因为，全波整流两个峰值之间的间隔时间比半波整流两个峰值之间的间隔时间更短，因此其电容器的放电电压就少，电压纹波也越小。图1-41显示了半波整流和全波整流滤波的纹波电压的比较。 a 半波整流滤波 b 全波整流滤波 图1-41 当电路的滤波电容器、负载电阻及电源输入电压相同时， 半波整流和全波整流滤波的纹波电压比较 2 浪涌电流 开始滤波前，滤波电容器是没有充电的。当电源开始接通的瞬间，电容器两端的电压由于不能发生突然变化而相当于短路。这时电源电压将全部加载到整流器上，并在器件中流过较大的电流，这个电流就是所谓的浪涌电流。浪涌电流最坏的情况发生在电源电压达到峰值时，电路正好接通，这时会产生最大的浪涌电流。 浪涌电流很可能会因为超出二极管的最大正向电流而造成二极管的损坏。因此，在实际应用时通常会在整流器后连接一个限制浪涌电流的电阻器，如图1-42所示。为了避免在电阻器上产生过大的压降，电阻器的取值必须要小。同样，二极管也必须具有能够承受瞬间浪涌电流的正向额定电流。 图1-42 电容滤波中加入限流电阻 电路说明：热敏电阻广泛应用在需要测试温度的电路或系统中，其电路符号如图1-42中红色标识的元件所示。在整流电路中，通常用正温度系数热敏电阻来控制浪涌电流。热敏电阻是阻值随温度急剧变化并且可以预知变化值的电阻器件。 在本例中，用来限制浪涌电流的热敏电阻具有从～的初始阻值。初始阻值的多少取决于电路或系统要求。在没有浪涌电流出现时，热敏电阻处于冷态，其电阻就是其初始阻值。当设定电流流过热敏电阻时，由于阻值较小，其两端所产生的压降不会对负载产生较大影响；而当出现浪涌电流时，过大的电流加热了热敏电阻，使得热敏电阻阻值增加，从而限制了浪涌电流对电路的冲击。 2. 集成稳压器 全波整流滤波虽然将电源的纹波电压降到了很小，但如果想进一步减小纹波电压，最有效的方法是将电容滤波器与稳压器结合起来使用。利用集成稳压器在使负载两端电压保持恒定的同时，也可使纹波电压减小到可以忽略的水平。图1-43所示是采用稳压二极管进行稳压的电路。 图1-43 用稳压二极管构成的滤波稳压电路 但在实际应用中，由于集成电路是在一个小的硅芯片上构建完整功能的电路器件，其价格便宜且性能优于单独使用的稳压二极管。因此，用大电容器和一个稳压器组合而成的滤波稳压电路应用十分广泛，并且有助于产生一个较为理想的直流电源。 最流行的稳压器具有三个子端引脚，它们分别是输入端、输出端和参考端或调节端，因而也称为三端稳压器。电容器首先对稳压器的输入进行滤波，使纹波减小到以下，然后稳压器再进一步将纹波减小到可以忽略的水平。此外，大多数稳压器具有内部参考电压、短路保护和热切断电路。它们可以用在各种正、负极性输出的电压中。典型的稳压器可以提供具有很强纹波抵制能力的一至数安培电流的输出。负载电流超过的稳压器也有应用。 部分典型封装形式及集成稳压器的电路符号如图1-44所示。 封装形式： 封装形式： 封装形式： a 稳压器的封装形式 图1-44 系列集成三端固定正电压稳压器 b 集成三端稳压器电路符号、标准配置以及系列稳压范围 图1-44 系列集成三端固定正电压稳压器续 为了稳定输出电压而设计的三端稳压器只需要连接外部电容器就可以完成对电源的稳压调整，如图1-44b所示。滤波是通过在输入电压和地之间的大容量电容器来完成的。有时，为了防止振荡，当滤波电容器与稳压器并不是很靠近的时候，可以再并联一个较小的输入电容器。最后为了改善暂态响应，将一个输出电容器典型值为～并联在其输出端。 固定三端稳压器有78和79系列两种。这些稳压器能够提供各种电压并提供达到的负载电流。型号的最后两位数字表示了输出电压。例如，图1-45中使用的三端固定稳压器型号为。它提供了输出电压为的恒定直流电压。由的数据手册可知，该器件提供了对纹波电压分贝，参见的技术手册的抑制参数衰减，为了能够清楚地知道输入纹波比输出纹波小了多少，我们就必须对分贝这个概念作一个了解。 图1-45 基本 5V的直流电源电路 图1-46 贝尔18471922 3. 分贝 分贝，是以美国发明家亚历山大格雷厄姆贝尔图1-46命名的。他因发明了电话而闻名于世。因为贝尔的单位太大，而不能充分描述人们对声音的感觉，因此就在贝尔前面加了分字，代表十分之一的贝尔。 在早期电话通信系统的开发过程中，工程师们就用分贝对电子通信系统的输入与输出功率进行比较。因此，分贝功率就定义为两个相互比较的功率对数的10倍，即 由于电功率又可以表示为，所以分贝功率又可以写成 如果电阻相等，则有 因为对数有如下特性，即 因此，分贝电压比可以表示为 1-3 回到本例，从数据手册中查得，三端稳压器纹波电压的抑制参数是的衰减，那么其典型的输出纹波电压则可通过分贝电压比的概念计算出来。 因为三端稳压器纹波电压的抑制参数是的衰减，所以它是负值，那么由式1-3有 两边除以，有 消除对数，得到 这个结果说明，经过三端稳压器稳压后，输出直流电压的纹波大约只有滤波后输入纹波电压的。这个结果表明，经过三端稳压后，负载得到的电压基本可以看成是电压恒定不变的理想直流电压源。 实践练习：假设的输入纹波是。从该器件的数据手册中可知，其典型的纹波抑制是。试确定该三端稳压器输出纹波的大小。 4. 百分比调整率 百分比调整率是用百分比的数值来描述稳压器性能好坏的参数。百分比调整率可以用输入线路调整率或负载调整率来表示。线路调整率规定为给定的输入电压变化引起多少输出电压变化。它通常定义为输出电压变化和相应输入电压变化的百分比。 线路调整率 1-4 负载调整率规定为负载电流在一定范围内变化时，输出电压的变化有多大。负载电流变化的范围通常从最小电流空载，到最大电流满载，。它通常表示成百分比，一般可用下面的公式进行计算 负载调整率 1-5 式中，是空载时的输出电压；是满载最大负载时的输出电压。 【例1-7】 假设有一个型号为的稳压器在空载时的输出电压为，满载时的输出电压为，表示成百分比的负载调整率为多少？这是否在制造商的指标之内？ 解：由式1-5可得 负载调整率 的参数表详见数据手册指明了其最大输出电压变化是负载电流从变化到，这表明了最大负载调整率为典型值，因此算得的百分比调整率处于指标之内。 实践练习：假设某稳压器空载时的输出电压为，满载时的输出电压为，则用百分比表示的负载调整率为多少？ 2.4 二极管限幅器和钳位器 限幅电路又称为限幅器或削波器，它用来对信号电压高于或低于某值的部分进行限幅；钳位电路也称为钳位器，它用来将直流电压还原成电信号。这两种器件一般用于信号整形或信号频率测量电路中，它们利用结的偏置条件和非线性特性，来达到限制信号幅度或平移信号提升信号的抗干扰能力的目的。 2.4.1 二极管限幅器 图1-47给出了被称为限幅器或削波器的二极管电路，它用来限制或削掉输入信号的正半周期的部分信号。 图1-47 正半周期的限幅器：二极管正半周期导通 如图1-47所示，当输入信号变为正半周期时，二极管正向偏置。因为阴极接地电位为，所以阳极电位点电位就不会超过这里假设为硅二极管。因此，当输入的信号电压超过时，点的值就被钳制在。 当输入信号变为负半周期时，由于输入信号在点产生的电位低于二极管阴极电位，所以二极管处于反向偏置状态，即此时二极管可视为开路。这样电路就由信号源、电阻和负载电阻组成，则负载上所获得的电压将由和的分压大小决定，即 如果远小于，则，其输出波形如图1-47所示。 把二极管反转，图1-48给出了负半周期限幅的电路。与正半周期限幅类似，由于二极管的阳极接地电位为。因此，当输入为负半周期时，二极管正向偏置，点处的电压被恒定在，即二极管的管压降。当输入大于时，二极管不再正向偏置，负载上的电压与输入电压成正比。 图1-48 负半周期的限幅器：二极管负半周期导通 【例1-8】 如图1-49将二极管限幅器连接到示波器上，请描述示波器上的输出波形。 图1-49 例1-8图 解：当输入电压低于时，二极管正向偏置并导通。所以，该负限幅器在两端产生的峰值输出电压可以由下式计算得到 因此示波器上的波形如图1-50所示。 图1-50 示波器上的波形 实践练习：电路如图1-49所示，若将负载电阻的阻值变为，试描述示波器上的输出波形。 2.4.2 限幅电压的调节器 为了对限幅电压进行调节，可以将一个可调的偏置电压与二极管串联，从而获得所需的限幅电压，如图1-51所示。 此时二极管能否导通的条件是输入信号在点的电位是否大于偏置电压在点形成的电位，若有电位硅二极管，则二极管处于正向偏置并导通，负载上获得的电压将被限制在。调节的大小就可以改变限幅电压的大小。 图1-51 限幅值可调的正限幅器 【例1-9】 图1-52给出了正偏置和负偏置组合的限幅器电路，试确定其输出波形。 图1-52 例1-9图 解：当点电位超过点电位时，二极管导通，但在此时及此后情况下二极管截止。导通后将电压限制在处。这种情况将维持到输入信号开始下降，并使点电位降至比点电位低时。 当点电位比点电位低时，二极管截止，但在此时及此后情况下，二极管导通。导通后将电压限制在处。 输出波形如图1-53所示。 图1-53 例1-9电路的输出波形 实践练习：电路如图1-52所示，输入信号的峰值电压不变，偏置电压分别为和，试绘制电路的输出波形。 2.4.3 二极管钳位器 二极管钳位器在交流信号上加了一个直流电平，它有时也称被为直流分量还原器。如图1-54所示的是一个二极管钳位器，它在输出波形中插入了一个正的直流电平。为了理解这种电路的工作原理，我们首先要考虑输入电压的负半周期。 a 二极管导通并向电容器充电 b 电容器充电之后，相当于一个电源 c 电容器电压加到交流输入电压上 图1-54 正钳位，二极管允许电容器快速充电；电容器只能通过放电 当输入开始为负时，二极管正向偏置，允许电容器充电到接近输入峰值 硅二极管，如图1-54a所示。一旦越过了负峰值，二极管就变成反向偏置，这是因为电容器通过充电将二极管的阴极维持在。 当二极管截止后，电容器两端的电压本质上就与输入信号源之间构成了一个串联关系，即电容器上的电压将被叠加到交流输入电压上，如图1-54b所示。在理想情况下，电容器不能放电。因此，电容器两端的直流电压就会通过这种叠加方式被加到负载交流输出上，从而在输出端的负载上产生一个与输入信号波形相同，但进行了直流平移的输出信号，如图1-54c所示。 【例1-10】 在如图1-55所示的钳位电路中，负载两端的输出电压会发生怎样的变化？ a 负钳位电路 b负载两端的输出波形 图1-55 例1-10图及输出波形 解：如图1-55a所示，理想情况下，电容充电后的电流电压值等于输入峰值减去二极管的管压降硅二极管，有 所以负载两端的输出电压如图1-55b所示。 2.5 二极管指示电路 2.5.1 发光二极管 发光二极管简称，它是一种将电能转换为光能的半导体器件，主要用作指示器件。发光二极管也由一个结制造而成。其工作原理是：当其结加上正向偏置电压时，区和区的多数载流子扩散至对方区域，与其少数载流子复合。在复合过程中，被复合的载流子以光和热的方式释放能量，从而使二极管发出可见光。 图1-56 光输出与正向电流的关系 从伏安特性上来说，发光二极管与普通二极管类似。但除此之外，发光二极管发光的强度与其正向电流成正比。如图1-56所示，当正向电流足够大时，发光二极管发光，转换成光的输出功率直接与正向电流大小成正比。 发光二极管通常由砷化镓、磷化镓和砷化镓磷等半导体材料制成。其中并没有硅或锗，这是因为硅或锗是会发热的材料，会影响发光性能。砷化镓可以释放不可见的红外光，砷化镓磷要么释放红色光要么释放黄色光，磷化镓可释放红色光或绿色光，释放蓝色光的发光二极管也是有的。典型的发光二极管的外形及电路符号如图1-57所示。 a 用于指示的小型发光二极管 b 用于照明的发光二极管 c 发光二极管的电路符号 图1-57 发光二极管的外形及电路符号 2.5.2 发光二极管电路 图1-58 七段显示器 标准的发光二极管用于各种各样的仪器指示灯和读出数据显示。从消费类电子产品到科学仪器，使用发光二极管的一类最常见的器件是七段显示器，如图1-58所示。除此之外，在许多应用中，如交通红绿灯、汽车照明、室内和室外广告与信息招牌、家居照明灯等，都需要发光二极管产生出比标准发光二极管大得多的光。目前，一些高强度的发光二极管也广泛地应用于汽车尾灯的照明。随着技术的不断发展与完善，作为一种节能性发光器件，发光二极管将会有更为广阔的应用领域。 图1-59是一个带工作指示的二极管整流电路，它可以指示整流电路的正常工作状态。当电源接通并开始工作时，发光二极管正向导通并发光，指示工作正在进行。在此电路中，假设整流输出电压是，若采用标准的发光二极管作为指示器件，则其允许通过的最大电流是可参见标准发光二极管的数据手册。为了保护发光二极管，需要选择一个合适的限流电阻，来限制流过发光二极管的电流。本例中，在已知上述条件下，限流电阻的大小应为 图1-59 带工作指示的二极管整流电路 2.6 特殊二极管 2.6.1 变容二极管 结又称为结电容，因为其电压会随着反向偏置电压的大小而变化，因此变容二极管又称为可变电容器。可变电容器是专门为了利用可变结电容特性而设计的二极管，可以通过改变其反向电压来改变电容。这些器件主要用于通信系统中的电子调谐电路。 可变电容器本质上是一个反向偏置的结，利用了结内电场耗尽层的固有特性。由于反向偏置时耗尽层不导电，所以它充当了电容器中的电介质。又因为结的区和区是导电的，因此它们又充当了电容器的两个极板，如图1-60a所示。 a 反向偏置时变容二极管用作可变电容 b 变容二极管的电路符号和等效电路 图1-60 变容二极管的工作原理及电路符号 图1-60b给出了变容二极管的等效电路图。这个电路图是经过简化的，其中，内部反向串联电阻记为，可变电容标记为。 回想一下，电容器的容量电容是由极板面积、介电常数和电解质厚度决定的，公式如下 当反向偏置电压增加时，耗尽层变宽，相当于增加了电解质的厚度，所以减小了变容二极管的电容。当反向偏置电压减小时，耗尽层变窄，相当于增大了变容二极管的电容。图1-61反映了这种作用。 a 反向偏置越大，电容越小 b 反向偏置越小，电容越大 c 某型号1SV100二极管电容与反向电压的关系曲线 图1-61 变容二极管电容量随反向偏置电压变化 变容二极管主要应用于通信系统中的调谐电路。在电视机的电子调谐器中或其他一些商用接收机中，变容二极管都是重要的元件。 在如图1-62a所示的调谐电路中，变容二极管作为可变电容器在一个并联谐振电路中提供了总的可变电容。是可变直流电源，用来控制变容二极管的反向偏置电压。而这就相当于控制了变容二极管的电容量。 a 谐振电路中的变容二极管 b 等效电路图 图1-62 某调谐电路及其等效电路 【例1-11】某变容二极管的电容可以从变到。若变容二极管所应用的调谐电路如图1-62a所示，当时，该调谐电路能够获得多大的调谐范围？ 解：调谐电路的等效电路如图1-62b所示，由该电路可知，变容二极管的可变电容是串联的，因此，其总电容的计算公式为 因为本例是需要确定调谐器的频率范围。因此，当取最小电容时，则总电容量为 此时能够获得的最大调谐频率是回顾电路基础，关于谐振电路中的谐振频率公式。这个公式非常重要，我们在后面的学习过程中还会用到 同理，当取最大电容时，则总电容量为 所以最小频率为 实践练习：某个由变容二极管所组成的谐振电路如图1-62a所示。如果电路结构不变，则当可变电容二极管的偏置电压调至时需要查阅电压-电容关系图，见图1-61c，该电路能够接收到频率为多少的无线电信号？ 2.6.2 光敏二极管 与变容二极管类似，光敏二极管也是一个工作在反向偏置状态下的结器件，其工作条件如图1-63a所示。其中是反向电流。 a 光敏二极管工作条件 b 光敏二极管的外形封装与电路符号 图1-63 光敏二极管工作条件及外形封装与电路符号 图1-63b是光敏二极管的外形封装与电路符号。与普通二极管相比，光敏二极管上有一个小的透明窗允许光线照射到结上。但需要注意光敏二极管和发光二极管在电路符号上的区别。 回顾一下二极管的反向特性，当二极管反向偏置时，普通二极管都具有很小的反向漏电流。光敏二极管的情况也一样，反向电流是由耗尽层内受到外界热激发的电子-空间对产生的。反向偏置电压施加在结上，使得这些电子-空穴对定向移动而形成反向电流。在此，我们讨论以下两种情况。 1 若此时没有入射光照在结上，那么这个反向电流就被称之为暗电流。暗电流与温度关系密切，因为随着温度的升高，这些由本征激发而产生的电子-空穴对的数量会随着温度升高而增多。 2 若此时有入射光照在结上，那么反向电流则随着照射在结上光的强度的增加而增大，而此时的反向电流被称为明电流。 光能量用每平方米的流明数来衡量，，单位是勒克斯lux的增加会使得反向电流变大，如图1-64a所示。图1-64b则描述了暗电流与反向偏置电压之间的关系。 a 明电流与照度之间的关系 b 暗电流与反向偏置电压的关系 图1-64 光敏二极管反向电流与照度、反向电压之间的关系数据手册图 由图1-64b所示的特性曲线，当没有入射光时，若外加电压为，则可查得此时的暗电流为，所以这个器件在没有入射光照射时，其反向电阻为 在同等反向偏置电压作用下，若有大小为的入射光照射时，可由图1-64a查得此时的明电流为，所以该器件在有入射光照射时，其反向电阻为 以上计算表明，通过控制光的强度就可以将光敏二极管用作可变电阻器。

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