晶體二極管電路的分析方法
晶體二極管是由PN結(jié)加上引出線和管殼構(gòu)成的,具有PN結(jié)的各種特性,通常有以下幾種類(lèi)型:
點(diǎn)接觸型:結(jié)面積小,結(jié)電容小,適用于高頻如幾百兆赫工作,但不能通過(guò)很大的電流,主要用于小 電流的整流和高頻時(shí)的檢波、混頻等。
面接觸型:結(jié)面積大,結(jié)電容大,能通過(guò)較大的電流但只能在
低頻下工作。一般在100KHz以下用作整流器件。
硅平面型:結(jié)面積較大的,可通過(guò)較大電流,適用大功率整流,結(jié)面積較小的,結(jié)電容較小,適用 于在數(shù)字電路中作開(kāi)關(guān)管。
一、晶體二極管的模型:
電路分析時(shí),電路中的各個(gè)實(shí)際器件必須用其相應(yīng)的模型來(lái)表示,即所謂的元件約束,常用其伏安特性來(lái)表示,但實(shí)際器件在各種不同條件下伏安特性是不同的,如二極管低頻應(yīng)用時(shí)可不考慮結(jié)電容效應(yīng),而在高頻時(shí)結(jié)電容效 應(yīng)不能忽略。工程上,常采用簡(jiǎn)化模型分析電路主要特性,而計(jì)算機(jī)輔助分析采用復(fù)雜模型以獲得精確結(jié)果。 實(shí)際器件的模型一般有:數(shù)學(xué)模型、曲線和表格模型、電路模型等。
1、晶體二極管的數(shù)學(xué)模型;P18—1式所示的指數(shù)特性為晶體二極管理想的 數(shù)學(xué)模型,實(shí)際器件的伏安特性一般用下式表示:
V-Irs
I = IS(enVT —1)
n為非理想化因子,其值與 I 有關(guān),I 為正常值時(shí),n≈1,I 過(guò)大或過(guò)小 時(shí), n≈2,rs是與阻擋層相串接的電阻(中性區(qū)題電阻,引線電阻等) 如果進(jìn)一步考慮擊穿特性和非線性電容特性,模型更復(fù)雜,工程上常采 用理想的簡(jiǎn)化模型。
2、伏安特性曲線:可根據(jù)數(shù)學(xué)模型或?qū)嶋H測(cè)量獲得二極管的 伏安特性曲線,如圖P19所示。
3、簡(jiǎn)化電路模型:二極管的主要特性是其單向?qū)щ娦?,?dǎo)通前(或外加反向電壓)近似為開(kāi)路,導(dǎo)通后近似為一線性電阻(導(dǎo)通電阻RD,其伏安特性曲線為如下兩段直線近似,轉(zhuǎn)折點(diǎn)為導(dǎo)通電壓V(on)
定義一種二極管為理想二極管,導(dǎo)通電壓為零,導(dǎo)通電阻為零。
其電路符號(hào)為實(shí)際二極管電路符號(hào)為
實(shí)際二極管簡(jiǎn)化電路模型為:
4、小信號(hào)電路模型:實(shí)際器件交流和直流模型并不一樣,交流模型中小信號(hào)和大信號(hào)、低頻和高頻模型也并不一樣,線性電路中主要涉及低頻小信號(hào)模型。如果加到二極管上的電壓V是由直流電壓VQ(決定二極管的靜態(tài)工作點(diǎn),用Q表示)和疊加其上的增量電壓△V組成,則產(chǎn)生的電流 :I = IQ +△I 一般來(lái)說(shuō)疊加在Q點(diǎn)上的△V與△I 的關(guān)系是非線性的但若△V足夠?。?∣△V ∣5.2mV) ,在△V 的變化范圍內(nèi)二極管伏安特性曲線近似為一段直線,如下圖所示:
如上圖一段紅線所示,這時(shí)二極管小信號(hào)伏安特性近似為一個(gè)交流線性電阻rj ,其值為該直線段斜率的倒數(shù):
或rj= VT / IQ通常稱(chēng)rj 為二極管的增量結(jié)電阻(肖特基電阻、交流小信號(hào)等效電阻)精確計(jì)算時(shí)還應(yīng)考慮體電阻rs,高頻時(shí)應(yīng)考慮結(jié)電容Cj。
二,晶體二極管電路分析方法:
二極管在電路中,既應(yīng)服從拓?fù)浼s束,又應(yīng)服從元件約束,在不同的應(yīng)用條件下,二極管采用不同的模型,分析方法也不同。
1、圖解分析法:當(dāng)二極管用伏安特性曲線模型時(shí),可采用圖解分析法。 先列出管外電路方程,該方程與伏安特性曲線的交點(diǎn)便是所需求的解。
2、簡(jiǎn)化分析法:二極管采用簡(jiǎn)化電路模型,電路分析較簡(jiǎn)單,是最常用的分析方法,以上圖所示電路為例:
例1:首先列出二極管管外電路方程,實(shí)際是將二極管兩端(A、B兩端)進(jìn)行代文寧等效其開(kāi)路電壓VOC=VDD R2 / R1 等效內(nèi)阻R0= R1 // R2 從而 VAB=VOC—I R0 至此若用圖解分析法
該直線與伏安特性曲線交點(diǎn)即所求解,若用簡(jiǎn)化分析法,將二極管等效為P25簡(jiǎn)化電路模型,則由于 VAB>0故VAB=I RD+VD(on) 該方程與上方程聯(lián)立求的電路解。
例3:
已知兩個(gè)二極管的VD(on)=0.7V,RD=100Ω,V1=100V,V2=25V,試求Vo隨Vi 變化傳輸特性
解:由于 RD遠(yuǎn)小于外電阻R1、R2,VD(on)遠(yuǎn)小于外電源電壓,故D1、D2近似為理想二極管。計(jì)算這一類(lèi)型題目時(shí),應(yīng)先求出二極管導(dǎo)通和截止的條件,根據(jù)這個(gè)求輸入輸出關(guān)系,該題中D1導(dǎo)通條件是VA大于25V,D2導(dǎo)通條件是VA大于100V,因此當(dāng)VA小于25V時(shí),即 Vi小于25V ,D1、D2均不導(dǎo)通,輸出Vo=25V ;當(dāng)VA大于25V而小于100V時(shí), D1導(dǎo)通, D2截止,此時(shí)VA大于25V相當(dāng)于Vi大于25V,而輸出電壓
這時(shí)Vo隨Vi線性增加,當(dāng)Vo增至100V,即Vi=137. 5V時(shí),VA=100V,D2導(dǎo)通,輸出穩(wěn)定在100V,與Vi無(wú)關(guān)。
評(píng)論