第5章 CHAPTER 5 半导体二极管 视频24 前面主要针对放大电路及其特性进行了讨论，以介绍集成运放这个典型的放大电路为例，通过引入不同组态的负反馈，构成各种功能电路，并对这些电路进行分析和设计，由此理解集成运放的各种应用电路，等等，所有这些都是基于放大电路的外部特性而进行的。一个电子电路(包括放大电路)是由各种不同的电子元器件组成的，了解这些元器件的特性及其应用，将有助于电子电路的分析与设计。本章及第6、7章将对几种典型的电子元器件，如半导体二极管、双极型晶体管和场效应管进行讨论，从元器件的外部特性出发，分析其基本电路的原理和构成以及应用电路的分析和设计。 视频25 5.1半导体二极管的外部特性 利用半导体的掺杂工艺，根据掺入杂质元素的不同，可以得到两种掺杂半导体，即主要靠自由电子导电的N型半导体和主要靠空穴导电的P型半导体。当N型半导体和P型半导体结合后，在它们的交界面附近便形成了所谓的“PN结”(可参见第13章)。将PN结用外壳封装起来，并分别从P区和N区引出电极引线，就构成了半导体二极管(简称二极管)。几种常见的二极管封装如图5.1所示。PN结示意图和二极管的电路符号如图5.2所示。图中，阳极(正极)对应于P区的引线，阴极(负极)对应于N区的引线。通过下面的讨论可知，电路符号中“三角形箭头”的方向表示二极管正向导通时的电流方向。 图5.1几种常见的二极管 图5.2PN结示意图、二极管的电路符号及其与实物的对照 可以通过实验的方法得到二极管的外部特性，即伏安特性，测试电路如图5.3所示。图5.3(a)为二极管正向特性测试电路，此时加在二极管上的电压为正向电压(简称正偏)，即P区的电位高于N区的电位。图5.3(b)所示为二极管反向特性测试电路，此时加在二极管上的电压为反向电压(简称反偏)，即N区的电位高于P区的电位。由此可以得到二极管的伏安特性,也可以使用晶体管特性图示仪直接测试得到该特性曲线。图5.4给出了利用Multisim仿真软件得到的二极管伏安特性曲线。 图中， v>0的部分为其正向特性，当正向电压超过零点几伏(工程上，一般取硅管约为0.7V，锗管约为0.2V)时，才会有明显的正向电流，这个电压称为二极管的导通电压Von。从整个正向特性来看，当电流较小时，呈现出指数规律变化； 当电流较大时，近似于直线。v<0的部分为其反向特性，当反向电压未达到击穿电压V(BR)时，反向电流很小(硅管小于0.1μA，锗管小于几十微安)。当反向电压达到击穿电压V(BR)时，二极管处于反向击穿状态，反向电流将会急剧增大。 图5.3二极管伏安特性测试电路 图5.4二极管的伏安特性 一般来说，电路中的二极管工作在特性曲线的不同区域，将具有不同的电路功能： (1) 当工作在正向特性的线性部分时，若加入一幅值较小的正弦电压信号，即小信号，则流过二极管的交流电流分量也为正弦的，以实现信号的线性传输。可用于放大电路。 (2) 当工作在正向特性的非线性部分时，若加入一定幅值的正弦电压信号，则流过二极管的交流电流分量为非正弦的，即出现了高次谐波。可用于高频电路。 (3) 当工作在正向特性(导通状态)和反向特性(未击穿)时，二极管呈现单向导电性。后面介绍的应用实例中，大多数属于这种工作状态。 (4) 当工作在反向特性的击穿状态时，若使流过二极管的反向电流在一定范围内变化，则其端电压基本不变，据此可用于稳压电路。注意，这里所说的反向击穿属于齐纳击穿，而不是雪崩击穿(可参考第13章的有关内容)。 由理论分析可知，二极管的伏安特性可用式(5.1)描述，即 i=ISev/VT-1(5.1) 式中，IS为反向饱和电流，VT=kTq，被称为热电压，其中q为电子电量，k为玻耳兹曼常数，T为热力学温度。当T=300K时，VT≈26mV。 尽管各种二极管特性曲线的形状是类似的，但人们根据不同的用途，对曲线的不同区域和数值有了特定的要求，于是出现了各种用途的二极管。例如普通二极管一般是应用它的单向导电性，故它的反向电阻很大，正向导通电阻很小，且反向击穿电压较高； 齐纳二极管一般是应用它的反向击穿特性，故它的反向击穿区曲线非常陡峭，以保证它有很好的稳压特性，等等。因此，在使用不同用途的二极管时，就应根据其特性，通过设置工作点，以确保它工作在曲线的相应位置。关于这个问题，将在后面二极管的应用中，针对具体问题再作讨论。 以上仅从二极管的伏安特性曲线进行了分析，可知二极管具有单向导电性、稳压特性等。事实上，若考虑PN结的温度特性，则可作为热敏元件； 若考虑PN结的光特性，则可作为光敏元件； 若考虑PN结在外加反向电压作用下，是一个主要由势垒电容构成的电容，且其电容值随外加反向电压变化而变化，则可作为压控电容，例如变容二极管，等等。 5.2半导体二极管模型 由图5.4可知，二极管是一个非线性电子器件，对于含有二极管的非线性电路，可以采用图解分析法来求解电路中的电压和电流。例如，求解如图5.5所示电路中流过二极管的电流和二极管的端电压。 先将电路以ab为分界线分为两部分，ab的右边为非线性部分，其端电压vD和电流iD应符合二极管的特性曲线； ab的左边为线性部分，其端电压vD和电流iD应满足线性方程 iD=-1RvD+ER (5.2) 在事先得到的二极管特性曲线上作图，连接纵轴截距点0,ER和横轴截距点E,0，即可得到式(5.2)所确定的直线，该直线称为负载线，二极管特性曲线与负载线的交点Q(VDQ，IDQ)即为所求，如图5.6所示。显然，图解法在实际应用中有时就不大适宜。对此，人们根据器件的工作状态和工程计算精度要求，提出了不同的简化电路模型，以满足定性分析和简单计算的需要。 图5.5含有二极管的非线性电路 图5.6图解分析法 1. 理想二极管模型 若作用于二极管上的信号为大信号，即信号电压(或电流)可使二极管导通或截止，此时二极管的非线性主要表现为单向导电性，导通电压相对较小且可忽略，那么二极管的伏安特性曲线由图5.4变为图5.7。因此采用理想二极管模型可作定性分析和要求计算精度不高的工程计算。 2. 恒压降二极管模型 若考虑到导通电压不可忽略，并视为一常数(例如硅管为0.7V，锗管为0.3V)，那么二极管的伏安特性曲线由图5.7变为图5.8所示。因此采用恒压降二极管模型也可作定性分析和要求计算精度不高的工程计算，但比理想二极管模型的精度高一些。 图5.7理想二极管的伏安 特性曲线 图5.8恒压降二极管的伏安 特性曲线 3. 分段线性二极管模型 分段线性模型的伏安特性曲线如图5.9所示。可以看出，该曲线较前两种更接近实际的特性曲线，因此，采用分段线性模型可以得到较高精度的计算结果。 4. 二极管的微变等效电路 在二极管的实际应用中，有时需要先通过加入直流电压，给二极管设置一个静态工作点即Q点，Q点的位置为正向特性曲线上的某一点，然后再加入一交流小信号。显然，Q点的位置不同，交流小信号在其附近变化时，二极管表现出的动态电阻rd=ΔvDΔiD也不同，如图5.10所示。因此以上三种模型就不适用了，于是有必要讨论在Q点附近二极管的交流小信号特性——微变等效电路。 图5.9分段线性二极管的 伏安特性曲线 图5.10二极管的动态电阻 欲讨论二极管的微变等效电路，必须先确定Q点，并计算出静态参数，然后再计算动态参数，即所谓的“先静态后动态”。 假设已经求得静态参数ID(可利用上述模型计算)，然后再求出动态电阻。 根据二极管电流电压方程，即式(5.1)，得 1rd=ΔiDΔvD≈diDdvD=dISevD/VT-1dvD≈ISVTevD/VT≈IDVT(5.3) 图5.11二极管的微变 等效电路 即 rd≈VTID(5.4) 式中，ID为Q点的电流。二极管的微变等效电路如图5.11所示。由式(5.4)可以看出，Q点不同，即ID值不同，动态电阻rd的值也不同。 视频27 5.3应用电路分析与设计 根据前面对二极管伏安特性的分析可知，利用二极管可以构成各种功能电路。下面选择几种常见的应用电路，并采用二极管的不同模型进行分析。同时根据实际问题对电路的要求，进行电路设计。 5.3.1整流电路 1. 半波整流电路 将交流电变为直流电的过程称为整流。仅由一个二极管构成的最简单的整流电路如图5.12(a)所示，图中二极管D起整流作用，RL为负载。 在整流电路中，输入交流电压的幅值远大于二极管的导通电压，利用交流电的正半周和负半周，使二极管导通和截止，故无须给二极管加偏置电压，即零偏置。因此整流电路是利用二极管的单向导电性的一种功能电路。对此，可采用理想二极管模型对电路进行分析。若输入交流电 压vi=2VIsinωt，当vi为正半周时，D导通，输出电压vO＝vi； 当vi为负半周时，D截止，vO＝0，其输入、输出波形如图5.12(b)所示。由于电路输出的电压只有半周，故这种电路称为半波整流电路。 在Multisim中，对图5.12(a)进行仿真，通过DC扫描，得到该电路的DC传输特性，如图5.12(c)所示。可以看出，vi大于零点几伏时，vO正比于vi； vi小于该值时，vO＝0。可见，二极管的导通电压Von对整流输出电压vO有一定影响。所以只有当输入电压幅值远大于Von时，才可将二极管的管压降忽略不计。 图5.12半波整流电路、输入和输出波形及其DC传输特性 半波整流电路输出电压的平均值就是负载上电压的平均值VO(AV)，可表示为 VOAV=12π∫π02VIsinωtdωt (5.5) 式中，VI为输入电压的有效值。解式(5.5)得 VOAV=2VIπ≈0.45VI(5.6) 负载电流的平均值 ILAV=VOAVRL≈0.45VIRL(5.7) 2. 全波整流电路 全波整流电路及其输入、输出波形如图5.13(a)、图5.13(b)所示。可以看出，全波整流电路是由D1、D2两个半波整流电路组成的，它们的输入电压大小相等，相位相反，这可以利用具有中心抽头的变压器来实现。D1、D2在交流电的正半周和负半周内轮流导通，且流过负载的电流保持同一方向，从而使正、负半周在负载上均有输出电压。其输出电压的平均值和负载电流的平均值可分别表示为 VOAV=1π∫π02VIsinωtdωt=22πVI≈0.9VI（5.8a） ILAV=VOAVRL≈0.9VIRL(5.8b) 在Multisim中，对如图5.13(a)所示电路进行仿真。在进行DC扫描时，用一个可调电阻分压，来模拟具有中心抽头的变压器，以便得到大小相等，相位相反的输入电压，仿真电路和该电路的DC传输特性分别如图5.13(c)、图5.13(d)所示。可以看出，vi大于零点几伏时，vO正比于vi，所以，全波整流电路又称为绝对值电路。同样地，二极管的导通电压Von对整流输出电压vO也有一定影响。 图5.13全波整流电路、输入和输出波形及其DC传输特性 3. 桥式整流电路 实验视频5 桥式整流电路及其输入、输出波形如图5.14所示。可以看出，桥式整流电路由四个二极管D1、D2、D3和D4组成，它们接成电桥的形式。在交流电的正半周内D2、D4导通、D1、D3截止； 在交流电的负半周内D1、D3导通、D2、D4截止，且流过负载的电流保持同一方向，从而使正、负半周在负载上均有输出电压，其输出电压的平均值与式(5.8a)相同。桥式整流电路的DC传输特性与图5.13(d)相似。桥式整流电路也是一种绝对值电路。 图5.14桥式整流电路及其输入、输出波形 在设计整流电路时，需先根据负载电阻的电压要求，确定输入电压的有效值和负载电流值，再确定二极管的参数，这里是根据流过二极管电流在一个周期内的平均值和它所承受的最大反向电压来选择二极管的型号的。 在半波整流电路中，流过二极管的平均电流为0.45VIRL，二极管承受的最大反压为2VI。 在全波整流电路中,流过二极管的平均电流为0.45VIRL,二极管承受的最大反压为22VI。 在桥式整流电路中，流过二极管的平均电流为0.45VIRL，二极管承受的最大反压为2VI。 【例5.1】已知一负载的工作电压为12V，负载电阻值为100Ω，试问： (1) 若选用半波整流电路供电，则输入电压为多少？二极管的参数如何？ (2) 若选用桥式整流电路供电，则输入电压又为多少？二极管的参数如何？ 解(1) 由式(5.6)，可得整流电路的输入电压为 VI=VO(AV)0.45=120.45V≈26.7V 由已知条件，可得负载电流为 IL=VO(AV)RL=12100A=0.12A=120mA 二极管的参数为 ID>IL=120mA VRM>2VI=2×26.7V=37.8V (2) 由式(5.8a)，可得整流电路的输入电压为 VI=VO(AV)0.9=120.9V≈13.3V 由已知条件，可得负载电流为 IL=VO(AV)RL=12100A=0.12A=120mA 二极管的参数为 ID>12IL=60mA VRM>2VI=2×13.3=18.8V 4. 精密整流电路 以上介绍的是简单整流电路，它们的DC传输特性(见图5.12(c)和图5.13(d))表明，二极管的导通电压Von对整流输出电压vO是有一定影响的。以图5.12(a)所示的半波整流电路为例，若输入电压vi为正弦波，考虑到二极管D存在导通电 图5.15简单整流电路波形图 压Von，故vO只是vi大于Von的那部分电压，而当vi小于Von时，则vO几乎为0，vi和vO的波形如图5.15所示。因此在实际应用中，简单整流电路须使vi 远大于Von，这样，才可以忽略Von对vO的影响，即简单整流电路常应用于输入电压远大于二极管导通电压的场合下，而不能对微弱交流信号进行整流。下面将介绍一种精密整流电路，它由集成运放和二极管等元器件组成，利用运放的放大作用，可将微弱的交流电转换为直流电。 1) 半波精密整流电路 由二极管和集成运放构成的半波精密整流电路如图5.16(a)所示。若vi为正弦波，当vi > 0(正半周)时，则v′O< 0，导致D1截止，D2导通，此时电路等效为反相器，输出电压vO ＝-vi； 当vi < 0(负半周)时，则v′O> 0，导致D1导通，D2截止，输出电压vO ＝0，vi和vO的波形如图5.16(b)所示。 图5.16半波精密整流电路 下面对这种电路的“精密”程度作一估计。设二极管的导通电压Von ＝0.7V，集成运放的开环差模电压增益Avd＝105。为使二极管导通，集成运放的净输入电压为0.7/105 =7μV。 由此可知，集成运放只需微伏数量级的净输入电压，二极管D1或D2就可以处于导通状态，以实现精密整流。 利用Multisim仿真，半波精密整流电路的仿真图如图5.17(a)所示。通过DC扫描，得到的电压传输特性如图5.17(b)所示。从图中也可以看出该整流电路确实是很“精密”的，因为在输入电压幅度很小时，依然有vO＝-vi，而没有观察到二极管导通电压的影响。 图5.17半波精密整流电路的DC电压传输特性仿真 2) 全波精密整流电路 实验视频6 全波精密整流电路是在上述半波精密整流电路的基础上，利用一个二输入反相加法器，使交流信号的正半周和负半周在负载上均有相同的输出电压，从而降低了输出波形的脉动成分，其电路如图5.18(a)所示。其中，A1、D1和D2等组成半波精密整流电路，其输出为 v′O= -2vivi>0 0vi<0 A2组成反相加法器，其输出为 vO=-v′O+vi 综合上述二式，可得 vO= vivi>0 -vivi<0 或 vO=vi 表明输入电压不论是正半周还是负半周，电路的输出电压均为正值，因此该电路又称绝对值电路。vi 和vO的波形图如图5.18(b)所示。 图5.18全波精密整流电路 利用Multisim仿真，全波精密整流电路的仿真图如图5.19(a)所示。通过DC扫描，得到的电压传输特性如图5.19(b)所示，从图中也可看出它所具有的“绝对值”电路特性。 图5.19全波精密整流电路的DC电压传输特性仿真 综上所述，精密整流电路的DC传输特性明显优于普通整流电路，两种电路相比，前者电路较复杂，成本较高，常用于小信号的整流，但电路的输入输出电压和电流受集成运放参数的限制； 后者电路简单，成本低，适用于输入电压远大于二极管的导通电压的场合下，二极管的工作电流取决于电路中的负载电流，常用于大信号的整流，如电源电路等。 5.3.2二极管逻辑电路 图5.20(a)给出了数字电路中常见的二极管“与”逻辑电路，它是利用二极管的单向导电性，使电路接通或者断开，二极管在其中相当于一个“开关”。从两个输入信号波形来看，低电平为0.3V对应逻辑0，高电平为3.6V对应逻辑1。在分析电路时，需考虑二极管的导通电压对输出电平的影响，特别在逻辑电路级联时，二极管的导通电压有可能影响到整个电路的逻辑，对此，采用恒压降模型分析输出高低电平比较适宜。首先分析输入输出高低电平的各种可能，以便画出输出波形图。 图5.20二极管“与”逻辑电路及其波形 当vI1、vI2均为0.3V时，D1、D2均导通，故此时输出为1V(认为二极管的导通电压为0.7V)； 当vI1为0.3V、vI2为3.6V时，D1导通、D2截止，故此时输出也为1V； 当vI1为3.6V、vI2为0.3V时，D1截止、D2导通，故此时输出仍为1V； 当vI1、vI2均为3.6V时，D1、D2均导通，故此时输出为4.3V。据此画出的输出波形如图5.20(b)所示。 5.3.3钳位电路 钳位电路又称直流分量恢复电路，其作用是使整个信号电压进行直流平移。钳位电路的一个重要特征是无须知道确切的信号波形，而能调整其直流分量。 图5.21所示为一种简单的二极管钳位电路。若输入电压vi=Vmsinωt，将二极管视为理想二极管，则在时间为T4时，信号电压达到其幅值Vm，同时电容上的电压也被充到幅值Vm，而后，信号电压下降，二极管截止，电容上的电压将保持Vm。当电路稳定后，输出电压应为 vO=-Vm+Vmsinωt 可见输出波形相对输入波形有了-Vm的直流平移。 图5.21二极管钳位电路及其波形 5.3.4稳压电路 1. 基本稳压电路 齐纳二极管又称稳压二极管，简称稳压管。从特性曲线上来看，反向击穿区曲线非常陡峭，当稳压管工作在反向击穿状态时，它表现出很好的稳压作用，即在反向击穿电压VZ附近，电流增量ΔIZ很大，而电压变化量ΔVZ却很小。因此在使用稳压管时，首先应将其设置在反向击穿区，但是流过稳压管的反向电流必须加以限制，若小于最小工作电流IZmin，则稳压管还没有被可靠“击穿”，起不到稳压作用； 若大于允许的最大工作电流IZmax，则稳压管将过热而损坏。在给出的图5.22所示的简易稳压电路中， 图5.22稳压管稳压电路 输入电压的极性和稳压管的接入应使稳压管反偏，输入电压的值应大于稳压管的稳压值即反向击穿电压VZ，通过设置电阻R的值，来保证稳压管有一个合适的工作电流，即给稳压管设置一个合适的工作点。 设稳压管的最小工作电流为IZmin，允许的最大工作电流为IZmax； 输入电压的最大值为VImax，最小值为VImin； 负载电流的最小值为ILmin，最大值为ILmax。欲使稳压管能正常工作，则有 VImax-VZR-ILminIZmin 即 R>VImax-VZIZmax+ILmin(5.9) 和 R13.6-9IZmax=4.6IZmax,R<12-90.05IZmax+56=30.05IZmax+56 令二式相等，可求得IZmax的最小值 IZmax=93mA 稳压管消耗的功率为9×93=837mW，这个计算结果是稳压管应满足的最低限度值。对应的限流电阻R＝4.6/93＝49.5Ω。 选择参数时，要根据实际情况，对上述值进行适当的调整。例如取电阻R为47Ω(标称值)，则稳压管的IZmax应大于13.6-9V/47Ω=0.098A=98mA，此时稳压管消耗的功率为9×98mW=882mW，并可求得电阻R上消耗的最大功率为13.6-9×0.098W=0.451W。为了确保电路工作的安全、可靠，参数选择需留有一定的余量。因此R选用47Ω、1W的电阻； 稳压管选用1N4739A，其参数为： 稳定电压为9.1V，耗散功率为1W。 2. 基准电压源 图5.22是稳压管的基本电路，它可以提供一个固定电压或基准电压。但该电路有两点不足： 一是它所提供的基准电压不能超过稳压管的稳压值； 二是电路的带负载能力较差。根据第4章介绍的集成运放，结合稳压管的基本电路，就可以设计灵活方便的基准电压源电路。 图5.23简单的集成运放基准 电压源电路 由稳压管和集成运放构成的基准电压源电路如图5.23所示。图中电阻R和稳压管DZ组成基本稳压电路，其中，电压源V通过R将DZ偏置于反向击穿区，使稳压管提供稳定电压VZ； 为了减小负载的影响，在基本稳压电路与负载之间，接入由集成运放构成的同相放大电路，对电压VZ进行放大。根据图中参数，电路的输出电压为 VO=1+R2R1VZ 由此可见，图5.23所示电路具有以下特点，一是通过适当调整电阻比R2/R1，可以满足所需的基准电压； 二是负载电流由集成运放提供，这样，负载电流的变化不会影响流过稳压管的电流，使稳压管提供的电压VZ更为稳定，即集成运放在这里起到了“放大”和“隔离”的作用； 三是根据负反馈理论可知，图中的同相放大电路属于电压串联负反馈电路，具有高输入电阻和低输出电阻的特点，而高输入电阻对稳压管基本电路的影响会更小，低输出电阻使得该电路具有很强的带负载能力。 5.3.5限幅电路 限幅电路的作用是消除信号中大于或小于某一特定值的部分，它可分为上限幅电路、下限幅电路和双向限幅电路，它们的传输特性如图5.24所示。其中，图5.24(a)表明当输入电压vI小于上门限电压VIH时，输出电压vO与vI呈线性关系，而当vI＞VIH时，vO等于最大输出电压VOmax，即可实现上限幅； 图5.24(b)表明当vI大于下门限电压VIL时，vO与vI呈线性关系，而当vI＜VIL时，vO等于最小输出电压VOmin，即可实现下限幅； 图5.24(c)表明当VILVIH或vI0的条件下有 iD≈ISevI/VT 和 vO=-iRR=-iDR 即 vO=-ISRevI/VT(5.14) 表明该电路的输出电压是输入电压的指数函数。利用Multisim仿真，通过DC扫描，得到该电路的DC传输特性如图5.42(b)所示。 图5.42指数放大电路仿真 另外，式(5.13)和式(5.14)表明输出电压vO与反向饱和电流IS有关，而IS与温度有很大关系，且不同二极管的IS也不同，所以，电路的运算精度受温度和器件的影响。用晶体管取代二极管构成的对数和指数电路，可以消除IS的影响，这将在第6章中介绍。 5.4.4基准电压源设计 5.3.4节介绍了简单的基准电压源电路，并分析了它的特点。进一步分析，不难发现它存在的不足。稳压管的动态电阻是不等于零的，故稳压管的稳定电压VZ与其流过的电流有关，这样电压V的变化势必影响VZ的值，从而导致输出电压VO的变化。如图5.43所示，给出了基准电压源的另一种电路结构，它试图减小甚至消除供电电压对VO的影响。图中电阻R1和R2构成负反馈网络； 电阻R3和稳压管D2构成基准电压电路，兼正反馈网络； 电阻R4、二极管D1、单刀双掷开关S1和电源V1组成启动电路。 图5.43带启动电路的基准电压源仿真 当启动开关S1掷上方时，如图5.43(a)所示，由于运放的同相端被S1短接到地，即同相端的电位为零，故此时输出电压VO也为零。 当启动开关S1掷下方时，如图5.43(b)所示，电压V1通过S1、R4和D1作用于运放的同相端，使运放有一定的输出电压，而该电压值还不足以使稳压管D2反向击穿。由于R3的正反馈且此时为输出电压的全部正反馈，大于R1和R2的负反馈作用，导致输出电压VO迅速增大，直到使稳压管D2反向击穿，这样运放的同相端将被固定在稳压值VZ上，同时运放的输出电压VO也被固定，即 VO=1+R2R1VZ(5.15) 流过稳压管的电流为 ID2=VO-VZR3=R2R1R3VZ(5.16) 与此同时，由于D1的负端电位高于其正端电位，故D1截止，启动电路不再起作用，电源V1也就对电路不再产生影响，也就是说，电源V1仅仅用于电路的启动。这里利用了D1的单向导电性，当D1正向导通时，保证了V1对电压源电路的启动； 当D1反向截止时，阻断V1对电压源电路的影响。注意，这里要求VZ＞V1。 根据反馈理论，可以分析输出电压VO的稳定过程。假设由于某种原因导致输出电压VO升高，电路将通过正、负反馈过程，使输出电压VO稳定在一定值上。这一过程可概括为： 对于正反馈过程来说，VO升高→ID2增大→VZ略有升高，即运放的同相端电位略有升高； 对于负反馈过程来说，VO升高→负反馈电压即R1上的压降增大→运放的反相端电位升高； 由于运放反相端电位比同相端电位升高的相对较高，故运放的输出电压VO将下降，即VO保持稳定。同理也可以进行相反过程的分析。 根据上述分析，设计一个带启动电路的基准电压源，使其输出电压为10.2V。所用稳压管的稳压值为5.1V，其工作电流在5mA左右。 首先确定电阻R1和R2。由式(5.15)，可知 VOVZ=1+R2R1=10.25.1=2 故有 R2R1=1 若取R1=1kΩ, 则R2=1kΩ。又由于 ID2=IR3=VO-VZR3=5mA 代入数据，可得R3=1kΩ。 据此设计数据，在Multisim中的仿真图如图5.43所示。仿真时按动开关S1，即A键，可以看到，随着A键的按动，探针的测试结果也随之变化。从图5.43所示结果可知，该电路符合设计要求。 5.4.5限幅放大器 在第1章中曾经以功能模块的形式，介绍了放大和限幅电路。本节利用集成运放和稳压管，设计一个具有放大与限幅双重功能的电路，即限幅放大器。 要求： 限幅放大器的放大倍数为20，输出电压限制在-3.5~＋3.5V。 根据第4章中介绍的集成运放放大电路，先设计一个20倍电压放大器，例如采用反相比例放大器，然后利用背靠背的稳压管，对输出电压加以限制，以实现双向限幅，仿真图如图5.44(a)所示。图中若R1取1kΩ，则R2取20kΩ，R3取1//20≈1kΩ。考虑到稳压管的正向压降，稳压管的稳压值取3.3V。 电路的输出电压为电阻R2右端对地的电压，而反相放大电路的反相输入端为“虚地”，故输出电压vo即R2的端电压(右→左)。将背靠背的稳压管D1和D2并联于R2两端，即可实现对输出电压的双向限幅。根据设计要求，当vo<3.5V,即输入电压vi<3.5/20=0.175V时， D1和D2均处于截止状态，此时电路等效为-20倍的电压放大器，即vo=-20vi； 当vi>0.175V时，D1和D2一个正向导通，一个反向击穿，此时电路的反馈电流主要流过稳压管，使vo稳定在3.5V。 通过DC扫描，得到电路的DC传输特性，如图5.44(b)所示。测试结果： 输出电压摆幅为±3.5382V，输入电压范围为-0.175~＋0.175V，基本符合要求。 通过瞬态分析，可以观测输出电压波形的情况。当输入正弦电压幅值较小(例如0.1V)时，输出电压小于3.5V，波形未被限幅，仍为正弦波，如图5.44(c)所示。当输入正弦电压幅值较大(例如0.3V)时，输出电压大于3.5V而被限幅于3.5V，如图5.44(d)所示。 图5.44限幅放大器仿真 本章知识结构图和小结 知识结构图 小结 1. 将PN结用外壳封装起来，并分别从P区和N区引出电极引线，就构成了半导体二极管（简称二极管）。 2. 由伏安特性可知，二极管工作在特性曲线的不同区域，可具有不同的电路功能。 在使用不同用途的二极管时，应根据其特性，通过设置工作点，以确保它工作在曲线的相应位置。 3. 二极管除具有单向导电性和稳压特性外，根据其温度特性，则可作为热敏元件； 根据其光特性，则可作为光敏元件； 根据其在外加反向电压作用下，是一个主要由势垒电容构成的电容，且其电容值随外加反向电压变化而变化，则可作为压控电容，例如变容二极管，等等。 4. 二极管是一个非线性电子器件，可以采用图解分析法，来求解电路中的电压和电流。 5. 根据器件的工作状态和工程计算精度要求，满足定性分析和简单计算的需要，二极管有不同的简化电路模型： 理想二极管模型 恒压降二极管模型 分段线性二极管模型 二极管的微变等效电路 6. 通过对二极管伏安特性的分析可知，利用二极管可以构成各种功能电路。几种常见的应用电路，例如整流电路、二极管逻辑电路、钳位电路、稳压电路、限幅电路、显示电路和光控电路等，可采用二极管的不同模型进行分析。 7. 利用计算机仿真软件，对二极管的特性及其应用电路进行仿真分析与设计，将有助于更好地理解二极管电路，为进一步应用二极管电路打下基础。 习题 分析题 5.1电路如图5.45所示，设二极管导通电压VD＝0.7V，试确定各电路的输出电压值。 图5.45题5.1的图 5.2电路如图5.46所示，已知vi＝5sinωt (V)，二极管导通电压VD＝0.7V。试画出vi与vO的波形，并标出幅值。 5.3仿真分析半波整流电路。 5.4仿真分析全波整流电路。 5.5对图5.21(a)钳位电路进行仿真分析。 5.6电路如图5.47所示，二极管导通电压VD＝0.7V，常温下VT≈26mV，电容C对交流信号可视为短路； vi为正弦波，有效值为10mV。试问二极管中流过的交流电流有效值为多少？ 图5.46题5.2的图 图5.47题5.6的图 5.7已知电源电压为5V，发光二极管导通电压VD＝1.8V，正向电流在5~15mA时才能正常工作。试确定限流电阻R的取值范围。 5.8现有两只稳压管，它们的稳定电压分别为6V和8V，正向导通电压均为0.7V。试回答： (1) 若将它们串联相接，可得到哪几种稳压值？ (2) 若将它们并联相接，又可得到哪几种稳压值？ 5.9已知一负载的工作电压为15V，负载电阻值为100Ω，若选用桥式整流电路供电，试确定输入电压以及二极管的参数。 5.10电路如图5.48所示。确定电路输出电压与输入电压的关系，并通过仿真分析电路的电压传输特性加以验证，电路的功能如何？ 图5.48题5.10的图 设计题 5.1已知运放的供电电压为±15V，稳压管的稳压值为5.1V，工作电流为5mA。设计一个9V的基准电压源，并进行仿真验证。 5.2若收音机的最大消耗功率为0.3W，重新设计例5.2，并仿真验证设计结果。 图5.49设计题5.4的图 5.3设计一个简易3V稳压电源。已知输入电压为8~10V的直流电压，要求输出电压为3V，输出电流最大为20mA，最小为0mA。现有稳压管一个，稳压值为5.1V，最大工作电流为50mA，最小工作电流为5mA； 正向导通电压为0.7V的二极管若干。试画出电原理图，确定电路其他元件参数，并仿真验证之。 5.4使用1kΩ电阻、理想二极管和其他元件，设计一个电路，使之满足图5.49所示的电压传输特性，并进行仿真验证。