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电子线路设计
元件篇
元件——半导体二极管
1．概述
半导体二极管和三极管的出现代表着晶体管时代的到来，晶体管的大量应用使得电子设备的体积大大缩小，速度也越来越快。
半导体二极管有许多种类。按材料分为锗管、硅管和砷化镓管等。
按结构分为点接触型和面接触型。面接触型能通过较大的电流，但结电容较大。点接触型则相反。
按用途分为整流、检波、变容、稳压、开关、发光二极管等。图1. 1是常用二极管的符号。







图1.1 常用的二极管及其符号
元件——半导体二极管
2．常用二极管介绍
（1）整流二极管
整流二极管用于整流电路，把交流电换成脉动的直流电。采用面接触型，结电容较大，故一般工作在3kHz以下。有把4个二极管做成桥式整流封装起来使用的。也有专门用于高压、高频整流电路的高压整流堆。
（2）稳压二极管（齐纳二极管）
稳压二极管是利用二极管反向击穿时其两端电压基本保持不变的特性制成的，一般工作于反偏状态。稳压二极管正常工作时要求输入电压应在一定范围内变化，当输入电压超过一定值，使流过稳压管的电流超过其上限值时，将会使稳压管损坏，而当输入电压小于稳压管的稳压范围时，电路将得不到预期的稳定电压。
元件——半导体二极管
2．常用二极管介绍
（3）变容二极管
变容二极管一般工作于反偏状态，其势垒电容会随着外加电压的变化而变化。电压变大电容就变小，在高频自动调谐电路中，用电压去控制变容二极管从而控制电路的谐振频率。自动选台的电视机就要用到这种电容。
（4）发光二极管（LED）
发光二极管能把电能转化为光能，发光二极管正向导通时能发出红、绿、蓝、黄及红外光，可用做指示灯和微光照明。可以用直流、交流（要考虑反向峰值电压是否会超过反向击穿电压）、脉动电流驱动。一般发光二极管的正向电阻较小，接入电路中要加入限流电阻，如图1.2所示。




图1.2 发光二极管
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2．常用二极管介绍
（5）光电二极管
光电二极管和发光二极管一样是由一个PN结构成，但它的结面积较大，可接收入射光。其PN结接反向电压时，在一定频率光的照射下，反向电阻会随光强度的增大而变小，反向电流增大。光电二极管在光通信中可作为光电转换器件。它总是工作在反向偏置状态。光电二极管常被用于测量光，比如在照相机的测光器、路灯亮度自动调节、红外电视遥控器等等。
元件——半导体二极管
3．二极管的特性——单向导电性
二极管具有单向导电的特性。利用multisim8，可以仿真二极管的这个特性。










图1.3 二极管的单向导电性仿真
元件——半导体二极管
3．二极管的特性——单向导电性
通常可用可用万用表来检测万用表的好坏。当使用指针式万用表测量二极管时，万用表的红表笔接二极管的阴极，黑表笔接二极管的阳极，测量的是二极管的正向电阻。将红、黑表笔对调测得的是反向电阻。
对于锗小功率二极管，其正向电阻一般为100-1000欧姆之间，而硅二极管的正向电阻一般为几百到几千欧姆之间。它们的反向电阻都在几百千欧姆以上。
当使用数字式万用表时，万用表的红表笔接二极管的阳极，黑表笔接二极管的阴极，测得的是二极管的正向电阻。将红、黑表笔对调测得的是反向电阻。
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3．二极管的特性——单向导电性
在交流电路中，二极管的单向导电性仿真。











图1.4 交流电路中的二极管单向导电性仿真

元件——半导体二极管
3．二极管的特性——单向导电性
在交流电路中，二极管的单向导电性仿真。













图1.5 交流电路中的二极管单向导电性仿真结果

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3．二极管的特性——单向导电性
在刚才的仿真图中，思考两个曲线的过0点位置为何不重合？













图1.6 二极管的正向压降VF

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3．二极管的特性——单向导电性
二极管正向偏置是有一定条件的——正极的电压要高于负极，或者说需要一个正向电压（VF,Forward Voltage），这样电流才能“闯过”二极管，二极管才能导通。
VF跟二极管的种类有关。表1-1列出了硅管和锗管的正向电压VF。
表1-1 二极管导通所需要的正向导通电压VF
元件——半导体二极管
4．二极管的伏安特性
测量二极管上的电压VF（正向偏置）/VR（反向偏置）和流经二极管的电流IF/IR绘制到一张图上，就是二极管的伏安特性曲线。
测量仿真电路如图1.7所示。
图1.7 二极管的伏安特性曲线测量仿真电路
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4．二极管的伏安特性
将仿真测试的结果绘制成曲线——二极管的伏安特性曲线。
图1.7 二极管的伏安特性曲线
元件——半导体二极管
4．二极管的伏安特性
从二极管的伏安特性曲线上，我们可以认识到：
1) 二极管正向偏置时（阴影区），正向电流IF非常小（几乎等于0）直到正向电压VF高于0.6V（硅管）或者0.2V（锗管）之后，正向电压VF的很小变化都会造成正向电流IF的急剧改变。
2) 二极管反向偏置时，反向电流IR极小而可忽略不计（注意图中横、纵坐标轴在正向偏置和反向偏置区的单位是不同的）。即使反向电压VR继续增大，反向电流IR也变化不会很大，直到反向电压VF增大到把二极管击穿之后，二极管遭到毁灭性的打击，反向电流IR才会增大。这个反向的击穿电压一般为1000V（硅管）或100V（锗管）。
元件——半导体二极管
5．二极管的应用——AM信号解调
我们听到的长波AM广播，是将声音信号(20~20Khz)调制到AM载波(30K~300Khz)上面，再功率放大通过天线发射出来。
图1.8 AM调制以及AM发射过程示意图
元件——半导体二极管
5．二极管的应用——AM信号解调
图1.9 AM收音机工作原始模型
L1和C1组成了LC并联电路。其
谐振频率 。当天
线上面接收到的输入信号远离f0时，LC并联电路的阻抗相对较小，信号经过LC并联电路入地；当天线上面收到的输入信号接近f0时，LC并联电路的阻抗最大，此时LC并联电路相当于开路，输入信号输出到AM解调电路。
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5．二极管的应用——AM信号解调
解调（又称检波）的作用是把低频有用信号从载波上还原出来，是调制的反过程。
图1.10 AM信号的解调
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5．二极管的应用——AM信号解调
图1.11 AM信号解调原理图
A点信号电平上升过程中，刚超过二极管D1导通电压VF，二极管导通，A点给电容C2充电，很快B/C点电位和A点接近，电容也充满。当A点电位下降，D1截止，C2上面有电荷（电容上面的电压不会突变），B点/C点电平会逐渐下降。直到A点电位再次升高，循环重复。
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5．二极管的应用——AM信号解调
在multisim8中仿真刚才的AM信号解调的过程，如图1.12所示。

图1.12 AM信号解调过程的仿真
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6．二极管的应用——整流
我们常用的直流电源，需要先将交流220V经过变压器降压为交流低压，再经过二极管整流变为单向脉动电压，最后通过电容滤波和直流稳压之后变为+5V。过程如图1.13所示。
图1.13 AC-DC电源示意图
可以看出，整流电路，就是将交流信号转变为单向脉动电压信号的电路。
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6．二极管的应用——整流
整流电路分为半波整流、桥式全波整流和整流全桥三种。
1）半波整流
图1.14 半波整流示意图
半波整流浪费了交流信号的负半周。
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6．二极管的应用——整流
2）桥式全波整流
图1.15 桥式全波整流示意图
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6．二极管的应用——整流
2）桥式全波整流
图1.16-a 桥式全波整流正半周
正半周时，电流方向：
A->D2->R1->D4->B
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6．二极管的应用——整流
2）桥式全波整流
图1.16-b 桥式全波整流负半周
负半周时，电流方向：
B->D3->R1->D1->A
不论正半周还是负半周，流经负载R1的电流方向是不变的。
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6．二极管的应用——整流
3）整流全桥
将桥式全波整流的4个二极管集成起来，做成一个器件，就是整流全桥。如图1.17的样子。
图1.17 整流全桥和电路符号
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6．二极管的应用——整流
经过整流之后的单向脉动电压信号，波动较大，一般是不能直接使用的，还需要滤波电路滤除脉动信号。可以利用大容量的电解电容来进行电源滤波。
图1.18 储能电容滤波
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6．二极管的应用——整流
整流全桥电路的仿真
图1.19 整流全桥电路的仿真
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7．二极管的应用——钳位电路
钳位电路
(1)功能：将输入信号的电压波形予以上移或下移，并不改变输入信号的波形。
(2)基本元件：二极管D、电容器C及电阻器R（直流电源VR）。
(3)类别：负钳位电路与正钳位电路。
(4)注意事项 :
假设D为理想二极管，RC的时间常数也足够大，不致使输出波形失真。?
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7．二极管的应用——钳位电路
钳位电路原理，以负钳位电路为例





Vi正半周时,D导通,给电容C充电至V值,Vo=0V。
Vi负半周时，D截止，电容C上面的电压不会突变，并且RC常数够大，保证电容放电缓慢，Vo=-V-V=-2V。
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7．二极管的应用——钳位电路
钳位电路的仿真。
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7．二极管的应用——钳位电路
钳位电路的仿真。
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7．二极管的应用——钳位电路
判断输出波形的简易方法 1). 由参考电压V1决定输出波形于坐标轴上的参考点。
2).由二极管D的方向决定原来的波形往何方向移动，若二极管的方向为朝上，则波形必须向上移动；若二极管的方向为朝下，则波形必须往下移动。 3). 决定参考点与方向后，再以参考点为基准，将原来的波形画于输出坐标轴上，即为我们所求。

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