10zch010二极管及其电路4.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,Microelectronics Circuit Analysis and Design,Chapter 1 Semiconductor Materials and Diodes,Chapter 2 Diode Circuits,Chapter 3 The Field-Effect Transistor,Chapter 4 Basic FET Amplifiers,Chapter 5 The Bipolar Junction Transistor,Chapter 6 Basic BJT Amplifiers,Chapter 7 Frequency Response,Chapter 8 Output Stages and Power Amplifiers,2Chapter 9 Ideal Operational Amplifiers and Op-Amp Circuits,2Chapter 10 Integrated Circuit Biasing and Active Loads,2Chapter 11 Differential and Multistage Amplifiers,2Chapter 12 Feedback and Stability,2Chapter 13 Operational Amplifier Circuits,2Chapter 14 Nonideal Effects in Operational Amplifier Circuits,2Chapter 15 Applications and Design of Integrated Circuits,(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.Semiconductor Materials and Diodes,1.1 Semiconductor Materials and Properties,1.2 The PN Junction,1.4 Diode Circuits-AC Equivalent Circuit,1.3 Diode Circuits-DC Analysis and Models,1.5 Other Diode Types,Ch2.Diode Circuits,2.1 Rectifier Circuits,2.2 Zener Diode Circuits,2.4 Multiple-Diode Circuits,2.3 Clipper and Clamper Circuits,2.5 Photodiode and LED Circuits,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？,4,1.1 Semiconductor Materials and Properties,1.1.1 Intrinsic Semiconductors,1.1.2 Extrinsic Semiconductors,1.1.3 Drift and Diffusion Currents,1.1.4 Excess Carriers,原子结构简化模型,Silicon(Si),germanium(Ge),gallium arsenide,Valence electrons,Semiconductor Materials,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,5,1.1.1 Intrinsic Semiconductors,本征半导体,纯半导体,无杂质半导体,single-crystal Silicon,At T=0K：all valence electrons are bound;no charge flows insulator,1.1 Semiconductor Materials and Properties,Fig1.2 Covalent bonding structure,Covalentbonding,Valenceelectron,Si:Eg=1.1eV;Ge:Eg=0.66eV;Insulator:Eg=36eV;1eV=1.610-19J,6,1.1.1 Intrinsic Semiconductors,1.1 Semiconductor Materials and Properties,本征激发 Generation,Free electron,温度,光照,Generation,Free electron,Valence electronGain energy,浓度导电能力,Empty state,positive charge,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-hole recombination 本征激发的逆过程 见1.1.4 Excess Carriers,7,1.1.2 Extrinsic Semiconductors,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。,1.1 Semiconductor Materials and Properties,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=11016/cm3,p0 ni2/n0=2.25104/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,10,1.1.3 Drift and Diffusion Currents,1.1 Semiconductor Materials and Properties,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,11,1.2 The PN Junction,1.2.1 The Equilibrium pn Junction,Objective,1.2.2 Reverse-Biased pn Junction,1.2.3 Forward-Biased pn Junction,1.2.4 Ideal Current-Voltage Relationship,1.2.5 pn Junction Diode,Temperature Effect,Breakdown Voltage,Switching Transient,问题1：二极管(PN结)主要特性是什么？其工程描述方法？,12,1.2.1 The Equilibrium pn Junction,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,1.2.2 Reverse-Biased pn Junction,1.2.3 Forward-Biased pn Junction,14,1.2.3 Forward-Biased pn Junction,Space-charge region(Depletion region)Built-in potential barrier(Vbi),vD,EA,EI,Thermal equilibrium:(Vbi)Density gradient,Depletion region is reduced,low resistance.,Majority carriers flow across PN junction more easily.IDF IDR,iD=IDFIDR IDF,外加正向偏置电压 Vbi,excess carriers,15,1.2.2 Reverse-Biased pn Junction,vR,1.Depletion region is increased,high resistance.,2.Majority carriers cannot cross the junction.3.Minority carriers sweep across PN easily.But:IDF IDR,iR=IDR 0,EA,EI,4.Junction Capacitance Depletion Layer Capacitance VR charges(若 f 较高？),Varactor Diode,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,Switching Characteristics,Vbi-build-in voltage,16,1.2.4 Ideal Current-Voltage Relationship,图2.1.8 PN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）,17,1.2.5 pn Junction Diode,Temperature Effect,Breakdown Voltage,Switching Transient,问题1：二极管(PN结)主要特性是什么？其工程描述方法？,circuit symbol,Photo of real diode,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：0.1A；锗：10A,3.PN结方程（近似）,19,Temperature Effect,1.2.5 pn Junction Diode,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22.5mV,反向特性曲线向下移动,温度 10，反向电流 一倍,IS and VT are functions of T.,20,Breakdown Voltage,1.2.5 pn Junction Diode,反向击穿,倍增效应,雪崩击穿,齐纳击穿,PN结的反向击穿,Storage time ts Turn-off time tf,When forward-bias,excess carrier is stored in both regions.When switching from forward to reverse,it need time to remove.,Switching Transient,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,Switching Transient,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,1.2.5 pn Junction Diode,23,1.5 Other Diode Types,1.5.1 Solar Cell,1.5.2 Photodiode,1.5.3 Light-Emitting Diode,1.5.4 Schottky Barrier Diode,1.5.5 Zener Diode,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1.2.2 Reverse-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”。,Varactor Diode,问题1：二极管(PN结)主要特性是什么？其工程描述方法？,24,1.3 Diode Circuits-DC Analysis and Models,1.3.0 Ideal Diode,1.3.1 Iteration and Graphical Analysis techniques,1.3.2 Piecewise Linear Model,1.3.3 Computer Simulation and Analysis,1.4 Diode Circuits-AC Equivalent Circuit,1.3.4 Summary of Diode Models,1.4.1 Sinusoidal Analysis,1.4.2 Small-Signal Equivalent Circuit,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？,25,1.3.4 Summary of Diode Models,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。,26,1.3.1 Iteration and Graphical Analysis techniques,例1:已知伏安特性,求VD、ID。,线性:vD=VI-iD R,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？,27,1.4.1 Sinusoidal Analysis,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=1Vsint,先静态分析直流负载线:,再动态分析交流负载线:,vD=VI+vi-iD R,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=10Vsint,28,iD=ID+DiDvD=VD+DvD,VI=10V，vi=1Vsint,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?,1.4.1 Sinusoidal Analysis,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）,1.4.1 Sinusoidal Analysis,30,VI=10V，vi=1Vsint,例2:已知伏安特性,求vD、iD。,iD=ID+DiD=0.95mA+0.1mAsint,vD=VD+DvD 0.7V,叠加原理,小信号模型(小信号等效电路),1.4.1 Sinusoidal Analysis,31,例3:(小信号分析)例2中求vD、iD。,VI=10V，vi=1Vsint,解题步骤:,(1)静态分析(令vi=0）,由恒压降模型得,VD0.7V;ID 0.93mA,(2)动态分析(令VI=0）,由小信号模型得,1.4.1 Sinusoidal Analysis,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=0.1sinwt V。（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。,1.4.1 Sinusoidal Analysis,33,1.3.2 Piecewise Linear Model,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,35,1.3.4 Summary of Diode Models,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,1.3.2 Piecewise Linear Model,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.Diode Circuits,2.1 Rectifier Circuits,2.2 Zener Diode Circuits,2.4 Multiple-Diode Circuits,2.3 Clipper and Clamper Circuits,2.5 Photodiode and LED Circuits,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？,2.1.1 Half-Wave Rectification,2.1.2 Full-Wave Rectification,2.1.3 Filters,Ripple Voltage and Diode Current,2.1.4 Detectors,2.1.5 Voltage Doubler Circuit,(1)Clipper and Rectifier Circuits,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。,2.3.1 Clippers,(2)Rectifier and Precision Rectifier,2.1.1 Half-Wave Rectification,2.1.2 Full-Wave Rectification,9.5.6 Nonlinear Circuit Application,(3)带有电容的二极管电路,(4)Zener Diode Circuits,39,(1)Clipper and Rectifier Circuits,假设D截止开路，则vD=vi,理想模型：vi 0 D导通 VD=0 vi 0 D截止 vD=vi,vO1,(a),(b),恒压降模型：vi 0.7V D导通 VD=0.7V vi 0.7V D截止 vD=vi,分析结论：,Clippers(Limiter),Rectifier,40,2.3.1 Clippers,(1)Clipper and Rectifier Circuits,(a)Parallel-based clipper,(b)Series-based clipper,?,(c)Double limiter,41,半波整流,全波整流,全波桥式整流,2.1 Rectifier Circuits,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,46,9.5.6 Nonlinear Circuit Application,9.5 Op-Amp Applications,(1)Precision Half-Wave Rectifier,因为D在反馈回路，必须先判断状态,(2)Log Amplifier,(3)Antilog or Exponential Amplifier,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，,47,9.5.6 Nonlinear Circuit Application,(2)Log Amplifier,(3)Antilog or Exponential Amplifier,If D is forward biased,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,2.1.3 Filters,Ripple Voltage and Diode Current,2.1.4 Detectors,2.1.5 Voltage Doubler Circuit,2.3.2 Clampers,49,2.1.3 Filters,Ripple Voltage and Diode Current,(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,2.1.3 Filters,Ripple Voltage and Diode Current,51,(3)带有电容的二极管电路,2.1.3 Filters,Ripple Voltage and Diode Current,2.1.4 Detectors,2.1.5 Voltage Doubler Circuit,2.3.2 Clampers,52,图2.3.5 二极管钳位电路,2.3.2 Clampers,2.3 限幅电路和钳位电路,53,(4)Zener Diode Circuits,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.Semiconductor Materials and Diodes,Ch2.Diode Circuits,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,1.2 PN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.Semiconductor Materials and Diodes,1.1 Semiconductor Materials and Properties,1.2 The PN Junction,1.4 Diode Circuits-AC Equivalent Circuit,1.3 Diode Circuits-DC Analysis and Models,1.5 Other Diode Types,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.Diode Circuits,2.1 Rectifier Circuits,2.2 Zener Diode Circuits,2.4 Multiple-Diode Circuits,2.3 Clipper and Clamper Circuits,2.5 Photodiode and LED Circuits,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,