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電子線路設計
元件篇
元件——半導體二極管
1．概述
半導體二極管和三極管的出現(xiàn)代表著晶體管時代的到來，晶體管的大量應用使得電子設備的體積大大縮小，速度也越來越快。
半導體二極管有許多種類。按材料分為鍺管、硅管和砷化鎵管等。
按結構分為點接觸型和面接觸型。面接觸型能通過較大的電流，但結電容較大。點接觸型則相反。
按用途分為整流、檢波、變?nèi)?、穩(wěn)壓、開關、發(fā)光二極管等。圖1. 1是常用二極管的符號。







圖1.1 常用的二極管及其符號
元件——半導體二極管
2．常用二極管介紹
（1）整流二極管
整流二極管用于整流電路，把交流電換成脈動的直流電。采用面接觸型，結電容較大，故一般工作在3kHz以下。有把4個二極管做成橋式整流封裝起來使用的。也有專門用于高壓、高頻整流電路的高壓整流堆。
（2）穩(wěn)壓二極管（齊納二極管）
穩(wěn)壓二極管是利用二極管反向擊穿時其兩端電壓基本保持不變的特性制成的，一般工作于反偏狀態(tài)。穩(wěn)壓二極管正常工作時要求輸入電壓應在一定范圍內(nèi)變化，當輸入電壓超過一定值，使流過穩(wěn)壓管的電流超過其上限值時，將會使穩(wěn)壓管損壞，而當輸入電壓小于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓范圍時，電路將得不到預期的穩(wěn)定電壓。
元件——半導體二極管
2．常用二極管介紹
（3）變?nèi)荻O管
變?nèi)荻O管一般工作于反偏狀態(tài)，其勢壘電容會隨著外加電壓的變化而變化。電壓變大電容就變小，在高頻自動調(diào)諧電路中，用電壓去控制變?nèi)荻O管從而控制電路的諧振頻率。自動選臺的電視機就要用到這種電容。
（4）發(fā)光二極管（LED）
發(fā)光二極管能把電能轉化為光能，發(fā)光二極管正向導通時能發(fā)出紅、綠、藍、黃及紅外光，可用做指示燈和微光照明?？梢杂弥绷?、交流（要考慮反向峰值電壓是否會超過反向擊穿電壓）、脈動電流驅動。一般發(fā)光二極管的正向電阻較小，接入電路中要加入限流電阻，如圖1.2所示。




圖1.2 發(fā)光二極管
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2．常用二極管介紹
（5）光電二極管
光電二極管和發(fā)光二極管一樣是由一個PN結構成，但它的結面積較大，可接收入射光。其PN結接反向電壓時，在一定頻率光的照射下，反向電阻會隨光強度的增大而變小，反向電流增大。光電二極管在光通信中可作為光電轉換器件。它總是工作在反向偏置狀態(tài)。光電二極管常被用于測量光，比如在照相機的測光器、路燈亮度自動調(diào)節(jié)、紅外電視遙控器等等。
元件——半導體二極管
3．二極管的特性——單向導電性
二極管具有單向導電的特性。利用multisim8，可以仿真二極管的這個特性。










圖1.3 二極管的單向導電性仿真
元件——半導體二極管
3．二極管的特性——單向導電性
通?？捎每捎萌f用表來檢測萬用表的好壞。當使用指針式萬用表測量二極管時，萬用表的紅表筆接二極管的陰極，黑表筆接二極管的陽極，測量的是二極管的正向電阻。將紅、黑表筆對調(diào)測得的是反向電阻。
對于鍺小功率二極管，其正向電阻一般為100-1000歐姆之間，而硅二極管的正向電阻一般為幾百到幾千歐姆之間。它們的反向電阻都在幾百千歐姆以上。
當使用數(shù)字式萬用表時，萬用表的紅表筆接二極管的陽極，黑表筆接二極管的陰極，測得的是二極管的正向電阻。將紅、黑表筆對調(diào)測得的是反向電阻。
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3．二極管的特性——單向導電性
在交流電路中，二極管的單向導電性仿真。











圖1.4 交流電路中的二極管單向導電性仿真

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3．二極管的特性——單向導電性
在交流電路中，二極管的單向導電性仿真。













圖1.5 交流電路中的二極管單向導電性仿真結果

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3．二極管的特性——單向導電性
在剛才的仿真圖中，思考兩個曲線的過0點位置為何不重合？













圖1.6 二極管的正向壓降VF

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3．二極管的特性——單向導電性
二極管正向偏置是有一定條件的——正極的電壓要高于負極，或者說需要一個正向電壓（VF,Forward Voltage），這樣電流才能“闖過”二極管，二極管才能導通。
VF跟二極管的種類有關。表1-1列出了硅管和鍺管的正向電壓VF。
表1-1 二極管導通所需要的正向導通電壓VF
元件——半導體二極管
4．二極管的伏安特性
測量二極管上的電壓VF（正向偏置）/VR（反向偏置）和流經(jīng)二極管的電流IF/IR繪制到一張圖上，就是二極管的伏安特性曲線。
測量仿真電路如圖1.7所示。
圖1.7 二極管的伏安特性曲線測量仿真電路
元件——半導體二極管
4．二極管的伏安特性
將仿真測試的結果繪制成曲線——二極管的伏安特性曲線。
圖1.7 二極管的伏安特性曲線
元件——半導體二極管
4．二極管的伏安特性
從二極管的伏安特性曲線上，我們可以認識到：
1) 二極管正向偏置時（陰影區(qū)），正向電流IF非常?。◣缀醯扔?）直到正向電壓VF高于0.6V（硅管）或者0.2V（鍺管）之后，正向電壓VF的很小變化都會造成正向電流IF的急劇改變。
2) 二極管反向偏置時，反向電流IR極小而可忽略不計（注意圖中橫、縱坐標軸在正向偏置和反向偏置區(qū)的單位是不同的）。即使反向電壓VR繼續(xù)增大，反向電流IR也變化不會很大，直到反向電壓VF增大到把二極管擊穿之后，二極管遭到毀滅性的打擊，反向電流IR才會增大。這個反向的擊穿電壓一般為1000V（硅管）或100V（鍺管）。
元件——半導體二極管
5．二極管的應用——AM信號解調(diào)
我們聽到的長波AM廣播，是將聲音信號(20~20Khz)調(diào)制到AM載波(30K~300Khz)上面，再功率放大通過天線發(fā)射出來。
圖1.8 AM調(diào)制以及AM發(fā)射過程示意圖
元件——半導體二極管
5．二極管的應用——AM信號解調(diào)
圖1.9 AM收音機工作原始模型
L1和C1組成了LC并聯(lián)電路。其
諧振頻率 。當天
線上面接收到的輸入信號遠離f0時，LC并聯(lián)電路的阻抗相對較小，信號經(jīng)過LC并聯(lián)電路入地；當天線上面收到的輸入信號接近f0時，LC并聯(lián)電路的阻抗最大，此時LC并聯(lián)電路相當于開路，輸入信號輸出到AM解調(diào)電路。
元件——半導體二極管
5．二極管的應用——AM信號解調(diào)
解調(diào)（又稱檢波）的作用是把低頻有用信號從載波上還原出來，是調(diào)制的反過程。
圖1.10 AM信號的解調(diào)
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5．二極管的應用——AM信號解調(diào)
圖1.11 AM信號解調(diào)原理圖
A點信號電平上升過程中，剛超過二極管D1導通電壓VF，二極管導通，A點給電容C2充電，很快B/C點電位和A點接近，電容也充滿。當A點電位下降，D1截止，C2上面有電荷（電容上面的電壓不會突變），B點/C點電平會逐漸下降。直到A點電位再次升高，循環(huán)重復。
元件——半導體二極管
5．二極管的應用——AM信號解調(diào)
在multisim8中仿真剛才的AM信號解調(diào)的過程，如圖1.12所示。

圖1.12 AM信號解調(diào)過程的仿真
元件——半導體二極管
6．二極管的應用——整流
我們常用的直流電源，需要先將交流220V經(jīng)過變壓器降壓為交流低壓，再經(jīng)過二極管整流變?yōu)閱蜗蛎}動電壓，最后通過電容濾波和直流穩(wěn)壓之后變?yōu)?5V。過程如圖1.13所示。
圖1.13 AC-DC電源示意圖
可以看出，整流電路，就是將交流信號轉變?yōu)閱蜗蛎}動電壓信號的電路。
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6．二極管的應用——整流
整流電路分為半波整流、橋式全波整流和整流全橋三種。
1）半波整流
圖1.14 半波整流示意圖
半波整流浪費了交流信號的負半周。
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6．二極管的應用——整流
2）橋式全波整流
圖1.15 橋式全波整流示意圖
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6．二極管的應用——整流
2）橋式全波整流
圖1.16-a 橋式全波整流正半周
正半周時，電流方向：
A->D2->R1->D4->B
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6．二極管的應用——整流
2）橋式全波整流
圖1.16-b 橋式全波整流負半周
負半周時，電流方向：
B->D3->R1->D1->A
不論正半周還是負半周，流經(jīng)負載R1的電流方向是不變的。
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6．二極管的應用——整流
3）整流全橋
將橋式全波整流的4個二極管集成起來，做成一個器件，就是整流全橋。如圖1.17的樣子。
圖1.17 整流全橋和電路符號
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6．二極管的應用——整流
經(jīng)過整流之后的單向脈動電壓信號，波動較大，一般是不能直接使用的，還需要濾波電路濾除脈動信號。可以利用大容量的電解電容來進行電源濾波。
圖1.18 儲能電容濾波
元件——半導體二極管
6．二極管的應用——整流
整流全橋電路的仿真
圖1.19 整流全橋電路的仿真
元件——半導體二極管
7．二極管的應用——鉗位電路
鉗位電路
(1)功能：將輸入信號的電壓波形予以上移或下移，并不改變輸入信號的波形。
(2)基本元件：二極管D、電容器C及電阻器R（直流電源VR）。
(3)類別：負鉗位電路與正鉗位電路。
(4)注意事項 :
假設D為理想二極管，RC的時間常數(shù)也足夠大，不致使輸出波形失真。?
元件——半導體二極管
7．二極管的應用——鉗位電路
鉗位電路原理，以負鉗位電路為例





Vi正半周時,D導通,給電容C充電至V值,Vo=0V。
Vi負半周時，D截止，電容C上面的電壓不會突變，并且RC常數(shù)夠大，保證電容放電緩慢，Vo=-V-V=-2V。
元件——半導體二極管
7．二極管的應用——鉗位電路
鉗位電路的仿真。
元件——半導體二極管
7．二極管的應用——鉗位電路
鉗位電路的仿真。
元件——半導體二極管
7．二極管的應用——鉗位電路
判斷輸出波形的簡易方法 1). 由參考電壓V1決定輸出波形于坐標軸上的參考點。
2).由二極管D的方向決定原來的波形往何方向移動，若二極管的方向為朝上，則波形必須向上移動；若二極管的方向為朝下，則波形必須往下移動。 3). 決定參考點與方向后，再以參考點為基準，將原來的波形畫于輸出坐標軸上，即為我們所求。

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