電子元件基礎知識培訓技巧

1、專題講座 電子設計基礎知識電子設計基礎知識 20132013年年4 4月月物理創(chuàng)新實驗室常用電子元器件特性及參數(shù)常用電子元器件特性及參數(shù)常用電子元器件特性及參數(shù)常用電子元器件特性及參數(shù)v電阻電阻v電容電容v電感電感v半導體基礎與半導體基礎與PNPN結結v二極管二極管v三極管三極管v元件封裝元件封裝 物理創(chuàng)新實驗室61 1、 電阻電阻v定義：導體對電流阻礙作用的大小。v理想模型：R 單位：、k、M等；v實際模型：高頻時要特別注意v參數(shù)：阻值 精度 功率 材料特性 寄生電感電容 3河海大學常州校區(qū)阻抗：1ZRjwLjwCC C：分布電容；：分布電容；L L：分布電感：分布電感元件封裝元件封裝v貼片

2、：貼片：06030603 0805 1206 0805 1206 12101210 ； SOSO、SOPSOP、MSOPMSOP、SOTSOT系列等；系列等； QFN/SON QFN/SON系列系列( (采用波峰焊或回流焊技術采用波峰焊或回流焊技術) )v插件：插件：AXIALAXIAL系列系列 DIPDIP系列系列 TOTO系列等系列等實際制作實際制作PCBPCB時大多自己做封裝時大多自己做封裝注意區(qū)分注意區(qū)分SCHSCH和和PCBPCB河海大學常州校區(qū)4v金屬絲電阻：穩(wěn)定性好，功率較大；v碳膜電阻：穩(wěn)定性差，功率較小,應用范圍廣（交流、直流和脈沖電路）v水泥電阻：阻值小、功率大，耐震、耐熱

3、；v氧化鋅壓敏電阻：電阻值隨電壓而變，V高時擊穿。5電阻的材料特性電阻的材料特性河海大學常州校區(qū)v非繞線電阻器：高頻分布參數(shù)較小 分布電感0.010.09uH，分布電容0.15pFv繞線電阻器：高頻分布參數(shù)較大 分布電感幾十uH，分布電容幾十pF隨著高頻電壓和電流波的波長變得越來越小，貼片電阻的尺寸也做得很小，以滿足需要。阻值范圍從1/1010M歐姆。高阻值的電阻不僅難以制造，誤差大，而且易于產生寄生場，影響電阻頻率特性的線性度；河海大學常州校區(qū)6電阻的高頻特性電阻的高頻特性v一個一個500500歐姆金屬膜電阻的阻抗的絕對值與頻率的關系歐姆金屬膜電阻的阻抗的絕對值與頻率的關系河海大學常州校區(qū)7

4、電阻的高頻特性電阻的高頻特性 “ “耗能耗能” “” “阻礙電流流通阻礙電流流通”“”“產生電壓降產生電壓降”v降壓、分壓；降壓、分壓；電壓調整電壓調整v穩(wěn)定和調節(jié)電流；穩(wěn)定和調節(jié)電流；電流調整電流調整v與電容配合起濾波、振蕩等作用；與電容配合起濾波、振蕩等作用；河海大學常州校區(qū)8電阻的用途電阻的用途2 2 、電容、電容v9河海大學常州校區(qū)阻抗：12/()1ZjwCRjwLjwCv電解電容：鋁或鉭質 有極性 容值較大 耐壓較高v陶瓷電容：壽命長 用于大功率、高壓領域v薄膜電容：耐壓高 容值大 穩(wěn)定性好v獨石電容：溫度特性及頻率特性好 容值?。娮泳軆x器、諧振、耦合、濾波）河海大學常州校區(qū)10

5、電容的材料特性電容的材料特性河海大學常州校區(qū)11材料特性決定工作頻率材料特性決定工作頻率電容的材料特性電容的材料特性v電容的寄生參數(shù)：電容的寄生參數(shù)：引線電感引線電感 直流等效電阻直流等效電阻(ESR) (ESR) 分布電容等分布電容等頻率很高頻率很高(GHz(GHz以上以上) )時，引線電感將極大的影響時，引線電感將極大的影響XcXc；ESRESR的存在使電容在充放電時浪費能量；的存在使電容在充放電時浪費能量；損耗角正切值損耗角正切值tan=ESR*wC，其中，其中w代表工作代表工作角頻率角頻率,C為電容值。為電容值。Tan=0則ESR=0參閱參閱AVXAVX、RubyconRubycon、

6、松下、松下、TDKTDK等公司的電容資料等公司的電容資料河海大學常州校區(qū)12電容的高頻特性電容的高頻特性v在很多場合，如開關電源、照明技術中，電容的壽命都是一大瓶頸。普通：普通：20004000h長壽命長壽命：60008000h 超長：超長：1000012000h民用級民用級：070 工業(yè)級工業(yè)級：-4085軍用級軍用級：-55150河海大學常州校區(qū)13電容參數(shù)電容參數(shù)壽命壽命鋁電解鋁電解 電容電容 工作溫度每工作溫度每上升上升1010，壽命縮短壽命縮短10%10%工作溫工作溫度級別度級別v定義：電容反復充放電所允許流過的最大電流。重視場合：電力電子技術電力電子技術( (功率變換功率變換) )

7、受等效阻抗影響，一般多個并聯(lián)解決發(fā)熱問題受等效阻抗影響，一般多個并聯(lián)解決發(fā)熱問題河海大學常州校區(qū)14電容參數(shù)電容參數(shù)紋波電流紋波電流 v儲能、濾波；儲能、濾波；v隔直、退耦、耦合；隔直、退耦、耦合；v振蕩、保護振蕩、保護( (安規(guī)安規(guī)) )；河海大學常州校區(qū)15電容的用途電容的用途電容的串并聯(lián)電容的串并聯(lián)v電容串聯(lián)后總電容的倒數(shù)等于各電容容量的倒數(shù)電容串聯(lián)后總電容的倒數(shù)等于各電容容量的倒數(shù)之和，即之和，即1/C=1/C1+1/C2+,這一點與電阻并聯(lián)這一點與電阻并聯(lián)電路相同。電路相同。v在電容串聯(lián)電路中，容量大在電容串聯(lián)電路中，容量大 的電容兩端電壓小，的電容兩端電壓小，容量小的電壓大（容量小

8、的電壓大（Q=C*U）。當某個電容的容量）。當某個電容的容量遠大于其他電容時，該電容相當于通路，此時電遠大于其他電容時，該電容相當于通路，此時電路中起決定作用的是容量小的電容。路中起決定作用的是容量小的電容。v兩只有極性電解電容順串聯(lián)的結果仍然為一只有兩只有極性電解電容順串聯(lián)的結果仍然為一只有極性的電解電容，極性的電解電容，總容量減小，總耐壓提高總容量減小，總耐壓提高；逆；逆串后沒有極性。串后沒有極性。河海大學常州校區(qū)162011年9月15日3 3、 電感電感v定義：表征電流與通電線圈的相互作用關系。v理想模型： v單位：H、mH、uH等；17河海大學常州校區(qū)ZjwLLdiLVdtv感量感量v

9、材料特性材料特性( (針對有磁芯電感針對有磁芯電感) )v等效電阻等效電阻ESLESLv分布電容分布電容v頻率特性頻率特性v載流能力載流能力v損耗損耗河海大學常州校區(qū)18電感的主要參數(shù)電感的主要參數(shù)河海大學常州校區(qū)19電感的材料特性電感的材料特性磁芯材料磁芯材料材料工作頻率鐵氧體+Zn/Ni/Mn(鋅/鎳/錳)100kHz左右非晶硅幾十kHz幾MHz坡莫合金3050MHz參閱：全球知名的磁性元件生產商的公司主頁 磁性元件行業(yè)網站、電源行業(yè)網站河海大學常州校區(qū)20電感的損耗分析電感的損耗分析標號含義影響因素/產生機理代表損耗RdcRdc直流等效電阻直流等效電阻導線線徑和總長度銅損銅損RacRac

10、磁芯損耗電阻磁芯損耗電阻磁芯材料、渦流和磁滯效應磁損磁損RdRd介質損耗電阻介質損耗電阻介質電導和極化的滯后效應介質損耗介質損耗電感損耗源表v電感的品質因數(shù)電感的品質因數(shù)Q Qv損耗角正切值損耗角正切值tan：1/QvQ值用處：諧振電路的匹配諧振電路的匹配( (調諧時要求高調諧時要求高Q)Q)河海大學常州校區(qū)21電感的損耗分析電感的損耗分析wLQRdcRacRd“表征無源電路的電阻損耗表征無源電路的電阻損耗”無功功率無功功率/ /有功功率有功功率河海大學常州校區(qū)22電感的損耗分析電感的損耗分析磁滯回線磁滯回線定義：定義：當磁場強度周期性變化時，當磁場強度周期性變化時，表示鐵磁性物質或亞鐵磁性物

11、質表示鐵磁性物質或亞鐵磁性物質磁滯現(xiàn)象的閉合磁化曲線。磁滯現(xiàn)象的閉合磁化曲線。參數(shù)：參數(shù)：BmBm飽和磁通飽和磁通 Br Br剩余磁通剩余磁通 Hm Hm最大磁強最大磁強 Hc Hc矯頑力矯頑力磁滯損耗磁滯損耗與與磁滯回線的面積磁滯回線的面積成正比成正比 根據磁滯回線的形狀將磁性材料分類如下根據磁滯回線的形狀將磁性材料分類如下河海大學常州校區(qū)23硬磁硬磁/ /軟磁材料軟磁材料分類磁滯回線特征材料特點軟磁材料軟磁材料瘦高型瘦高型較小的剩磁和矯頑力；磁導率較小的剩磁和矯頑力；磁導率高；磁滯現(xiàn)象不明顯；無外磁高；磁滯現(xiàn)象不明顯；無外磁場時磁性基本消失場時磁性基本消失硬磁材料硬磁材料矮胖型矮胖型較大的

12、矯頑力；磁滯回線較寬；較大的矯頑力；磁滯回線較寬；材料被磁化后，剩磁不易消失材料被磁化后，剩磁不易消失河海大學常州校區(qū)24電感的頻率特性電感的頻率特性RsRs：串聯(lián)電阻：串聯(lián)電阻CsCs：分布電容：分布電容高頻模型高頻模型一個實際電感線圈的頻率響應一個實際電感線圈的頻率響應v產生機理：交變電流通過導體時，由于感應作用引起導體截面上電流分布不均勻，愈近導體表面電流密度越大。頻率越高，趨膚效應越顯著。影響：造成導體等效電阻增大，功率損耗(銅損)增大，載流能力減小。v銅導線趨膚深度計算：河海大學常州校區(qū)25影響電感性能的效應影響電感性能的效應趨附效應趨附效應crf61. 6 ：電阻率；ur ：相對磁

13、導率；f ：工作頻率；c：銅在20 時的電阻率應對應對趨附效應趨附效應的方法的方法v多股并繞：多股并繞： 用用多股相互絕緣的細導線多股相互絕緣的細導線交織并繞交織并繞代替代替同等同等截面積的粗導線截面積的粗導線v寬薄銅帶：寬薄銅帶： 用用寬薄的銅帶寬薄的銅帶代替代替直圓柱形繞組直圓柱形繞組河海大學常州校區(qū)26v定義：當高頻電流在兩導體中彼此反向流動，電電流會集中于導體鄰近側流會集中于導體鄰近側流動的一種特殊的物理現(xiàn)象當導線由多匝細導線并繞時，當導線由多匝細導線并繞時，鄰近效應隨鄰近效應隨并繞的并繞的匝數(shù)匝數(shù)增加而呈增加而呈指數(shù)規(guī)律指數(shù)規(guī)律增加。增加。v很多場合，鄰近效應影響遠比趨膚效應影響大。

14、很多場合，鄰近效應影響遠比趨膚效應影響大。減小鄰近效應的方法：使用直徑大的導線。使用直徑大的導線。與與減小趨附效應的方法正好矛盾！正好矛盾！ “多股多股繞制高頻變壓器時用的導線或薄銅片有個繞制高頻變壓器時用的導線或薄銅片有個最佳值并繞最佳值并繞” 河海大學常州校區(qū)27影響影響電感性能的效應電感性能的效應鄰近效應鄰近效應v核心思想： 法拉第電磁感應定律法拉第電磁感應定律 楞次定律楞次定律v儲能儲能 濾波濾波v高頻諧振高頻諧振河海大學常州校區(qū)28電感的作用電感的作用河海大學常州校區(qū)29半導體基礎與半導體基礎與PNPN結結v半導體半導體：電阻率介于金屬與絕緣材料之間的材料。電阻率介于金屬與絕緣材料之

15、間的材料。v特征特征：某個溫度范圍內，電荷載流子的濃度隨：某個溫度范圍內，電荷載流子的濃度隨溫度溫度升高升高而增加，而增加，電阻率下降電阻率下降。v通用半導體通用半導體：鍺：鍺(Ge)(Ge)、硅、硅(Si)(Si)、砷化鎵、砷化鎵(GaAs)(GaAs)v空穴：空穴：電子掙脫共價鍵的束縛成為自由電子后，在電子掙脫共價鍵的束縛成為自由電子后，在共價鍵中留下的一個空位。共價鍵中留下的一個空位。v本征半導體的晶格結構：本征半導體的晶格結構：自由電子數(shù)自由電子數(shù)= =空穴數(shù)空穴數(shù)v起因：純單晶半導體已不能滿足多方面的需要。v定義：在本征半導體的晶格中植入雜質以改變電特性的過程。v摻雜物：三價元素：硼

16、、銦、鋁 五價元素：磷、砷、銻v產物：P P型半導體：型半導體： 空穴數(shù)自由電子數(shù)空穴數(shù)自由電子數(shù) N N型半導體：型半導體： 空穴數(shù)自由電子數(shù)空穴數(shù)自由電子數(shù)河海大學常州校區(qū)30“摻雜摻雜”v形成機理：P型半導體與N型半導體相互接觸時，由于自由電子和空穴的相互擴散與漂移，在交界處會形成阻礙多數(shù)載流子擴散運動的勢壘區(qū)即PNPN結結。河海大學常州校區(qū)31PNPN結結載流子的擴散載流子的擴散河海大學常州校區(qū)32PNPN結的形成結的形成PNPN結的特性：結的特性：1.1.單向導電性；單向導電性；2.2.光生伏特效應；光生伏特效應；3.3.電容效應；電容效應；v起源：在PN結空間電荷區(qū)內，電子要從N區(qū)

17、到P區(qū)必須越過一個能量高坡能量高坡，即勢壘。vPN結承受正向電壓，等效電阻很小，結承受正向電壓，等效電阻很小，PN結導通；結導通；vPN結承受反向電壓，等效電阻很大，結承受反向電壓，等效電阻很大，PN結截止；結截止；河海大學常州校區(qū)33單向導電性單向導電性iD：通過PN結的電流；VD：PN結兩端電壓。v定義：半導體在受到光照射時產生電動勢的現(xiàn)象；v典型應用：太陽能電池太陽能電池河海大學常州校區(qū)34光生伏特效應光生伏特效應太陽能電池：一個大面積平面PN結原理：太陽能電池板吸收太陽光，具有足夠能量的光子光子能夠在P型硅和N型硅中將電子從共價鍵中激發(fā)電子從共價鍵中激發(fā)，以致產生電子空穴對電子空穴對。

18、在結電場的作用下，最后建立一個與光照強度有關的電動勢電動勢。河海大學常州校區(qū)35電容效應電容效應vPN結的電容效應將導致反向時交流信號可以部分通過PN結，頻率越高則通過越多，這就限制了管子的最高工作頻率。一般在制造高頻二極管或三極管時，都是通過減小PN結面積或增加PN結厚度來減小這個電容。由于減小結面積不利于大電流通過，提高結厚度則需要時N區(qū)和P區(qū)擴散的雜志濃度比較低，導致電阻增加，因此要制造高頻大功率管是相當困難的，一般高頻大功率管由于P區(qū)和N區(qū)電阻大，導致飽和壓降高。特性特性應用應用單向導電性單向導電性整流、檢波、開關二極管整流、檢波、開關二極管反向擊穿特性反向擊穿特性穩(wěn)壓、雪崩二極管穩(wěn)壓

19、、雪崩二極管結電容效應結電容效應變容二極管變容二極管光生伏特效應光生伏特效應太陽電池太陽電池半導體光電效應半導體光電效應各種光電器件各種光電器件晶格受力變化晶格受力變化/ /溫度特性溫度特性壓力傳感器壓力傳感器/ /溫度傳感器溫度傳感器光輻射對反向電流的調制光輻射對反向電流的調制光電探測器光電探測器高摻雜高摻雜PNPN結隧道效應結隧道效應隧道二極管隧道二極管相互作用的放大、振蕩特性相互作用的放大、振蕩特性晶體管晶體管河海大學常州校區(qū)36PNPN結的應用結的應用v模型：v高頻模型：河海大學常州校區(qū)374 4、 二極管二極管VF：0.11V常用的為0.50.7VIF：視不同二極管而定硅管：0.7V

20、鍺管：0.2Vv目的：效率分析和電路改進設計。降低功耗！降低功耗！河海大學常州校區(qū)38二極管的損耗計算二極管的損耗計算損耗類型計算公式備注直流損耗VF:正向壓降；IF：正向電流；f：工作頻率ton：導通時間；交流損耗tonACF0PfV dtDCFFPV *Iv基本參數(shù)：基本參數(shù)：V VF F、I IF Fv正向浪涌電流正向浪涌電流I IF F-peak-peakv結電容結電容CjCj：影響高頻特性影響高頻特性v反向恢復時間反向恢復時間trrtrr：正向導通到截止時的時間正向導通到截止時的時間v反向耐壓反向耐壓VrVrv反向漏電流反向漏電流IrIrv寄生電感：寄生電感：影響高頻特性影響高頻特性

21、v最高工作溫度最高工作溫度TopTopv封裝封裝河海大學常州校區(qū)39二極管重要參數(shù)二極管重要參數(shù)PNPN結所存儲電荷結所存儲電荷耗盡所需的時間耗盡所需的時間二極管類型二極管類型特點特點常見型號常見型號應用場合應用場合整流整流二極管二極管正向浪涌電流大正向浪涌電流大反向耐壓高反向耐壓高結電容較大結電容較大1N40071N4007/SM7/SM71N540X1N540XRL20XRL20X整流電路整流電路鉗位電路鉗位電路保護電路等保護電路等開關二極管開關二極管開關速度快開關速度快壽命長壽命長 體積小體積小LL4148LL4148小信號開關小信號開關穩(wěn)壓穩(wěn)壓二極管二極管工作于反向擊穿態(tài)工作于反向擊穿

22、態(tài)噪聲系數(shù)較高噪聲系數(shù)較高穩(wěn)定系數(shù)較差穩(wěn)定系數(shù)較差1N4782(8.5V)1N4782(8.5V)1N5338(5.1V)1N5338(5.1V)低精度穩(wěn)壓低精度穩(wěn)壓/ /基準基準電平平移電平平移瞬態(tài)抑制二極管瞬態(tài)抑制二極管TVSTVS響應時間快響應時間快(ns)(ns)瞬態(tài)功率大瞬態(tài)功率大漏電流低漏電流低P PxxxxKEKExxxx浪涌保護浪涌保護鉗位吸收電路鉗位吸收電路( (超超) )快恢復快恢復二極管二極管(U)FRD(U)FRD開關特性好開關特性好反向恢復時間短反向恢復時間短反向擊穿電壓較高反向擊穿電壓較高35ns100ns:35ns100ns:FR107FR10735ns:STTH

23、3R0235ns:STTH3R02高頻整流電路高頻整流電路開關電源開關電源阻容吸收等阻容吸收等肖特基二極管肖特基二極管SBDSBD正向壓降小正向壓降小反向恢復時間短反向恢復時間短開關損耗小開關損耗小STPS20H100CTSTPS20H100CTSS34SS34、1N58221N5822MBR400100CT MBR400100CT 開關電源開關電源 變頻器變頻器驅動器驅動器河海大學常州校區(qū)40二極管分類二極管分類v形成：形成：在半導體鍺或硅的單晶上制備兩個能相互影響的PN結，組成一個PNP(或NPN)結構。v結構：結構：河海大學常州校區(qū)415 5、 三極管三極管“電流放大電流放大”：以以基極

24、電流基極電流微小的變化量來微小的變化量來控制控制集集電極電極電流較大的變化量。電流較大的變化量。 河海大學常州校區(qū)42三極管作用三極管作用應用場合應用場合具體作用具體作用放大放大電路電路電流或電壓放大等電流或電壓放大等振蕩振蕩電路電路調制解調、自激振蕩等調制解調、自激振蕩等開關開關電路電路/ /電源電源電路電路閘流、限流或作開關管等閘流、限流或作開關管等“截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)的切換截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)的切換”參數(shù)參數(shù)物理意義物理意義參考作用參考作用NPN9013NPN9013參數(shù)參數(shù)I ICMCM最大集電極電流最大集電極電流電流限值電流限值500mA500mAV VBE(on)BE(on)導通導通/ /開啟電壓開啟電壓開關電路設計開關電路設計0.67V0.67Vf fT T特征頻率特征頻率工作頻率限制工作頻率限制150MHz150MHzh hFEFE直流電流增益直流電流增益放大電路設計放大電路設計120120V VCE(sat)CE(sat)集集- -射極飽和壓降射極飽和壓降電壓考慮、功耗電壓考慮