半导体二极管及其应用详解

作者：时间：2012-04-29 来源：网络收藏

4.1.5　二极管的等效电路及其应用

本文引用地址： //m.amcfsurvey.com/article/193960.htm

　　由于二极管的伏安特性是非线性的，为了分析计算方便，在特定的条件下，我们可以将其线性化处理，视为理想元件。

　　1.理想二极管等效电路

　　在电路中，若二极管导通时的正向压降远小于和它串联元件的电压，二极管截止时反向电流远小于与之并联元件的电流，那么可以忽略管子的正向压降和反向电流把二极管理想化为一个开关，当外加正向电压时，二极管导通，正向压降为0，相当于开关闭合，当外加反向电压时，二极管截止，反向电流为0，相当于开关断开，理想二极管的等效电路如图4-4。利用理想二极管表示实际二极管进行电路的分析和计算可以得出比较满意的结果，但稍有一些误差。

　　2.二极管应用电路举例

　　二极管的应用范围很广，主要都是利用它的单向导电性。下面介绍几种应用电路。

　　(1) 限幅电路：限幅器的功能就是限制输出电压的幅度。

　　例4-1　图4-5(a)就是利用二极管作为正向限幅器的电路图。已知vi = Vmsinωt，且Vm>VS　，试分析工作原理，并作出输出电压vo的波形。

　　解：a) 二极管导通的条件是vi>VS，由于D为理想二极管，D一旦导通，管压降为零，此时vo = VS

　　b) 当vi≤VS时，二极管截止，该支路断开，R中无电流，其压降为0。所以vo =vi

　　c) 根据以上分析，可作出vo的波形，如图4-5(b)所示，由图可见，输出电压的正向幅度被限制在VS值。

　　注意：作图时，vo和vi的波形在时间轴上要对应，这样才能正确反映vo的变化过程。

　　(2) 二极管门电路

　　门电路是一种逻辑电路，在输入信号(条件)和输出信号(结果)之间存在着一定的因果关系即逻辑关系。在逻辑电路中，通常用符号0和1来表示两种对立的逻辑状态。用1表示高电平，用0表示低电平，称为正逻辑，反之为负逻辑。

　　基本的逻辑关系有三种：与逻辑、或逻辑、非逻辑。与此相对应的门电路就有与门、或门、非门。由这三种基本门电路可以组成其他多种复合门电路。

　　例4-2 图 4-6所示为最简单的与门电路及逻辑图符号。它是由二极管D1、D2和电阻R及电源VCC组成。图中A、B为两个输入端，F为输出端。设VCC=5V，A、B输入端的高电平(逻辑1)为3V，低电平(逻辑0)为0V，并忽略二极管D1、D2的正向导通压降。试分析电路的输入与输出之间的关系。

　　解：(1)当输入端A、B均为低电平0时，即VA = VB = 0V时，二极管D1、D2均为正向偏置而导通，使输出端F的电压VF = 0V，即输出端F为低电平0。

　　(2)当输入端A为低电平0，B为高电平1，即VA = 0V，VB = 3V时，D1阴极电位低于D2阴极电位，D1导通，使VF = 0V，因而D2为反向偏置而截止，输出端F为低电平0。

　　(3)当输入端A为高电平1，B为低电平0，即VA = 3V，VB = 0V时，D1、D2的工作情况与(2)相反，输出端F仍为低电平0。

　　(4)当输入端A、B均为高电平1时，即VA = VB = 3V时，D1、D2均为正向偏置而导通，使输出端F的电压VF = 3V，即输出端F为高电平1。

　　从上述分析可知，只有当所有输入端都是高电平1时，输出端才是高电平1，否则输出端均为低电平0。这种“只有当决定一事件结果的所有条件都满足时，结果才发生”的逻辑关系称为与(And)逻辑，与门电路满足与逻辑关系。与逻辑也称为逻辑乘、与运算。通常用符号“· ”表示，设A、B、F分别为逻辑变量，则与运算的表达式可写成以下形式：

　　F=A·B 或 F=AB

　　上式读作F等于A与B。逻辑与的含义是：只有输入变量A、B都为1 时，输出变量F才为1;只要A、B中有一个为0，F便为0。换言之，也就是“有0出0，全1出1”。这一结论也适合于有多个变量参加的与运算。

　　表4-1列出了图4-6所示电路输入与输出逻辑电平的关系。但在逻辑电路分析中，通常用逻辑0、1来描述输入与输出之间的关系，所列出的表称为真值表(即逻辑状态表)。上述与门的真值表如表4-2所示。

　　另外，图4-7给出了或门电路及逻辑图符号。它也是由二极管和电阻组成的。图中A、B是两个输入端，F是输出端。设A、B输入端的高电平(逻辑1)为3V，低电平(逻辑0)为0V，并忽略二极管D1、D2的正向导通压降。通过分析(详细过程读者可以自己分析)可知，只要A 、B当中有一个是高电平(逻辑1)输出就是高电平(逻辑1)。只有当A、 B同时为低电平(逻辑0)时，输出才是低电平(逻辑0)。这种“在决定一事件结果的所有条件中，只要有一个或一个以上满足时结果就发生”的逻辑关系称或(Or)逻辑。或门电路满足或逻辑关系。

　　或逻辑也称为逻辑加、或运算。通常用符号“+”来表示，设A、B、F分别为逻辑变量，则或运算的表达式可写成以下形式：

　　F=A+B

　　上式读作F等于A或B。逻辑或的含义是：只有输入变量A、B中有一个或一个以上为1，输出变量F就为1;反之，只有A、B全为0时，F才为0。换言之，也就是“有1出1，全0出0”。这一结论也适合于有多个变量参加的或运算

　　表4-3列出了图4-7所示电路输入与输出逻辑电平的关系。表4-4为上述或门的真值表。

　　4.2　特殊二极管

　　除了上述普通二极管外，还有一些特殊二极管，如稳压二极管、光电二极管、发光二极管等，分别介绍如下。

　　4.2.1 稳压管

　　稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管，具有稳定电压的作用。图4-8(a)为稳压管在电路中的正确联接方法;图(b)和图(c)为稳压管的伏安特性及图形符号。稳压管与普通二极管的主要区别在于，稳压管是工作在PN结的反向击穿状态。通过在制造过程中的工艺措施和使用时限制反向电流的大小，能保证稳压管在反向击穿状态下不会因过热而损坏。从稳压管的反向特性曲线可以看出，当反向电压较小时，反向电流几乎为零，当反向电压增高到击穿电压Vz(也是稳压管的工作电压)时，反向电流Iz(稳压管的工作电流)会急剧增加，稳压管反向击穿。在特性曲线ab段，当Iz在较大范围内变化时，稳压管两端电压Vz基本不变，具有恒压特性，利用这一特性可以起到稳定电压的作用。

　　稳压管与一般二极管不一样，它的反向击穿是可逆的，只要不超过稳压管的允许值，PN结就不会过热损坏，当外加反向电压去除后，稳压管恢复原性能，所以稳压管具有良好的重复击穿特性。

　　稳压管的主要参数有：

　　1.稳定电压VZ。稳定电压VZ指稳压管正常工作时，管子两端的电压，由于制造工艺的原因，稳压值也有一定的分散性，如2CW14型稳压值为6.0～7.5V。

　　2.动态电阻rz。动态电阻是指稳压管在正常工作范围内，端电压的变化量与相应电流的变化量的比值。

　　稳压管的反向特性愈陡，rZ愈小，稳压性能就愈好

　　3. 稳定电流IZ。稳压管正常工作时的参考电流值，只有I≥IZ，才能保证稳压管有较好的稳压性能。

　　4.最大稳定电流IZmax 。允许通过的最大反向电流，I > IZmax管子会因过热而损坏。

　　5. 最大允许功耗PZM。管子不致发生热击穿的最大功率损耗PZM =VZ IZmax

　　6.电压温度系数αV。温度变化10C时，稳定电压变化的百分数定义为电压温度系数。电压温度系数越小，温度稳定性越好，通常硅稳压管在VZ低于4V时具有负温度系数,高于6V时具有正温度系数, VZ在4～6V之间，温度系数很小。

　　稳压管正常工作的条件有两条，一是工作在反向击穿状态,二是稳压管中的电流要在稳定电流和最大允许电流之间。当稳压管正偏时，它相当于一个普通二极管。图4-8(a)为最常用的稳压电路，当Vi或RL变化时，稳压管中的电流发生变化，但在一定范围内其端电压变化很小，因此起到稳定输出电压的作用。(该电路分析见4.4节)

　　4.2.2 光电二极管

　　光电二极管又称光敏二极管。它的管壳上备有一个玻璃窗口，以便于接受光照。其特点是，当光线照射于它的PN结时，可以成对地产生自由电子和空穴，使半导体中少数载流子的浓度提高。这些载流子在一定的反向偏置电压作用下可以产生漂移电流，使反向电流增加。因此它的反向电流随光照强度的增加而线性增加，这时光电二极管等效于一个恒流源。当无光照时，光电二极管的伏安特性与普通二极管一样。光电二极管的等效电路如图4-9(a)所示，图4-9(b)为光电二极管的符号。