直流穩(wěn)壓課件

模擬電子技術基礎

第1章二極管及其基本電路

模擬電子技術基礎1第1章二極管及其基本電路學習重點：PN結的基本知識半導體二極管的結構、伏安特性、應用電路。學習內容:PN結的基本知識、半導體二極管、半導體二極管。第1章二極管及其基本電路學習重點：2第1章二極管及其基本電路1.1半導體基礎理論知識半導體材料（semiconductormaterial）

導電能力介于導體與絕緣體之間的物質稱為半導體。半導體材料的電學性質對光、熱、電、磁等外界因素的變化十分敏感，在半導體材料中摻入少量雜質可以控制這類材料的電導率。元素半導體有鍺、硅、硒、硼、碲、銻等。硅（Si）和鍺（Ge）是主要的半導體材料，其中硅（Si）是占據(jù)了90％以上的半導體材料份額。硅和鍺材料在電子、冶金、化工、軍事、航天等領域有廣泛的用途。

第1章二極管及其基本電路1.1半導體基礎理論知識3第1章二極管及其基本電路本征半導體本征半導體——完全純凈的、結構完整的半導體材料稱為本征半導體。制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱“九個9”。它在物理結構上呈單晶體形態(tài)。本征激發(fā)（熱激）：當溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子。本征半導體的原子結構及共價鍵共價鍵內的兩個電子由相鄰的原子各用一個價電子組成，稱為束縛電子。圖1.1所示為硅和鍺的原子結構和共價鍵結構。

第1章二極管及其基本電路本征半導體4第1章二極管及其基本電路本征半導體的兩種載流子溫度越高，半導體材料中產生的自由電子便越多。束縛電子脫離共價鍵成為自由電子后，在原來的位置留有一個空位，稱此空位為空穴。本征半導體中，自由電子和空穴成對出現(xiàn)，數(shù)目相同。圖1.1所示為本征激發(fā)所產生的電子空穴對。

圖1.1本征激發(fā)產生電子空穴對第1章二極管及其基本電路本征半導體的兩種載流子

圖1.15第1章二極管及其基本電路N型和P型雜質半導體在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質主要是三價或五價元素。摻入雜質后的本征半導體稱為雜質半導體。1、N型半導體在本征半導體中摻入五價雜質元素，例如磷，可形成N型半導體,也稱電子型半導體。因五價雜質原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。N型半導體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。如圖1.2所示。

第1章二極管及其基本電路N型和P型雜質半導體6第1章二極管及其基本電路N型半導體圖1.2N型半導體的共價鍵結構第1章二極管及其基本電路N型半導體圖1.2N型半導體7第1章二極管及其基本電路P型半導體本征半導體中摻入三價雜質元素，如硼、鎵、銦等形成P型半導體，也稱為空穴型半導體。因三價雜質原子與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。P型半導體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。空穴很容易俘獲電子，使雜質原子成為負離子。三價雜質因而也稱為受主雜質。P型半導體的結構示意圖如圖1.3所示。圖1.3P型半導體共價鍵結構第1章二極管及其基本電路P型半導體圖1.3P型半導體8第1章二極管及其基本電路PN結的行成及其單向導電性將一塊半導體的一側摻雜成P型半導體，另一側摻雜成N型半導體，在兩種半導體的交界面處將形成一個特殊的薄層→PN結。半導體中載流子有擴散運動和漂移運動兩種運動方式。載流子在電場作用下的定向運動稱為漂移運動。在半導體中，如果載流子濃度分布不均勻，因為濃度差，載流子將會從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域運動，這種運動稱為擴散運動。形成如下物理過程:因濃度差多子的擴散運動由雜質離子形成空間電荷區(qū)內電場內電場促使少子漂移,內電場阻止多子擴散。最后多子擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。如圖1.4所示。

第1章二極管及其基本電路PN結的行成及其單向導電性9第1章二極管及其基本電路圖1.4P型和N型半導體交界處載流子的擴散

第1章二極管及其基本電路圖1.4P型和N型半導體交界10第1章二極管及其基本電路

由于空穴和自由電子均是帶電的粒子，所以擴散的結果使P區(qū)和N區(qū)原來的電中性被破壞，在交界面的兩側形成一個不能移動的帶異性電荷的離子層，稱此離子層為空間電荷區(qū)，這就是所謂的PN結，如圖1.5所示。在空間電荷區(qū)，多數(shù)載流子已經擴散到對方并復合掉了，或者說消耗了，因此又稱空間電荷區(qū)為耗盡層。圖1.5PN結的形成第1章二極管及其基本電路由于空穴和自由電子均是帶電11第1章二極管及其基本電路PN結單向導電性PN結具有單向導電性，若外加電壓使電流從P區(qū)流到N區(qū)，PN結呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。如果外加電壓使PN結中：P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏。

PN結加正向電壓時的導電情況PN結加正向電壓時的導電情況如圖1.6所示。外加的正向電壓有一部分降落在PN結區(qū)，方向與PN結內電場方向相反，削弱了內電場。內電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響,PN結呈現(xiàn)低阻性。

第1章二極管及其基本電路PN結單向導電性12第1章二極管及其基本電路圖1.6PN結加正向電壓時的導電情況第1章二極管及其基本電路圖1.6PN結加正向電壓時的導13第1章二極管及其基本電路PN結加反向電壓時的導電情況PN結加反向電壓時的導電情況如圖1.7所示。外加的反向電壓有一部分降落在PN結區(qū)，方向與PN結內電場方向相同，加強了內電場。內電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小。此時PN結區(qū)的少子在內電場的作用下形成的漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流，由于漂移電流本身就很小，PN結呈現(xiàn)高阻性。這樣的反接電壓使N區(qū)和P區(qū)中的少數(shù)載流子更容易產生漂移運動，因此在這種情況下，PN結內的電流由起支配地位的漂移電流所決定。漂移電流的方向與擴散電流相反，表現(xiàn)在外電路上有一個流入N區(qū)的反向電流，它是由少數(shù)載流子的漂移運動形成的。由于少數(shù)載流子的濃度很小，所以是很微弱的，一般硅管為微安數(shù)量級。由于很小，所以PN結在反向偏置時，呈現(xiàn)出一個阻值很大的電阻，此時可認為它基本上是不導電的，稱PN結截止。PN結加正向電壓時，電阻值很小，PN結導通；加反相電壓時，電阻值很大，PN結截止，這就是它的單向導電性，PN結的單相導電性關鍵在于它的耗盡區(qū)的存在，且其寬度隨外加電壓而變化。

第1章二極管及其基本電路PN結加反向電壓時的導電情況14第1章二極管及其基本電路圖1.7PN結外加反向電壓

第1章二極管及其基本電路圖1.7PN結外加反向電壓15第1章二極管及其基本電路PN結的電容效應PN結具有一定的電容效應，它由兩方面的因素決定。一是勢壘電容CB；二是擴散電容CD。勢壘電容CB。勢壘電容是由空間電荷區(qū)離子薄層形成的。當外加電壓使PN結上壓降發(fā)生變化時，離子薄層的厚度也相應地隨之改變，這相當PN結中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。勢壘電容的示意圖見圖1.8。

圖1.8勢壘電容示意圖第1章二極管及其基本電路PN結的電容效應16第1章二極管及其基本電路（2）擴散電容CD。擴散電容是由多子擴散后，在PN結的另一側面積累而形成的。因PN結正偏時，由N區(qū)擴散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復合，形成正向電流。剛擴散過來的電子就堆積在P區(qū)內緊靠PN結的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。反之，由P區(qū)擴散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內也形成類似的濃度梯度分布曲線。擴散電容的示意圖如圖1.9所示。當外加正向電壓不同時，擴散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結兩側堆積的多子的濃度梯度分布也不相同，這就相當電容的充放電過程。勢壘電容和擴散電容均是非線性電容。第1章二極管及其基本電路（2）擴散電容CD。17第1章二極管及其基本電路圖1.9擴散電容示意圖第1章二極管及其基本電路圖1.9擴散電容示意圖18第1章二極管及其基本電路二極管及其特性二極管的結構和類型接在二極管P區(qū)的引出線稱二極管的陽極，接在N區(qū)的引出線稱二極管的陰極。二極管有許多類型。從工藝上分，有點接觸型和面接觸型；按用途分，有整流管、檢波二極管、穩(wěn)壓二極管、光電二極管和開關二極管等。圖1.10為不同結構的二極管。

圖1.10不同結構的二極管

第1章二極管及其基本電路二極管及其特性19第1章二極管及其基本電路圖1.11所示為二極管的符號。由P端引出的電極是正極，由N端引出的電極是負極，箭頭的方向表示正向電流的方向，VD是二極管的文字符號。AK圖1.11二極管的符號常見的二極管有金屬、塑料和玻璃三種封裝形式。按照應用的不同，二極管分為整流、檢波、開關、穩(wěn)壓、發(fā)光、光電、快恢復和變容二極管等。根據(jù)使用的不同，二極管的外形各異，圖1.12所示為幾種常見的二極管外形及實物。圖1.12幾種常見的二極管外形及實物第1章二極管及其基本電路圖1.11所示為二極管的符號。由20第1章二極管及其基本電路二極管的特性(1).二極管伏安特性二極管兩端的電壓U及其流過二極管的電流I之間的關系曲線，稱為二極管的伏安特性。理論分析指出，半導體二極管電流I與端電壓U之間的關系可表示為1.1式。

1.1此式稱為理想二極管電流方程。式中，IR稱為反向飽和電流，UT稱為溫度的電壓當量，常溫下UT≈26mV。實際的二極管伏安特性曲線如圖所示。圖1.13中，實線對應硅材料二極管，虛線對應鍺材料二極管。第1章二極管及其基本電路二極管的特性21第1章二極管及其基本電路(2).正向特性二極管外加正向電壓時，電流和電壓的關系稱為二極管的正向特性。如圖2.15所示，當二極管所加正向電壓比較小時（0<U<Uth），二極管上流經的電流為0mA，管子仍截止，此區(qū)域稱為死區(qū)，Uth稱為死區(qū)電壓（門坎電壓）。當二極管承受正向電壓小于某一數(shù)值時，還不足以克服PN結內電場對多數(shù)載流子運動的阻擋作用，這一區(qū)段二極管正向電流IF很小，稱為死區(qū)。死區(qū)電壓的大小與二極管的材料有關，并受環(huán)境溫度影響。通常，硅材料二極管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺材料二極管的死區(qū)電壓約為0.2V。當正向電壓超過死區(qū)電壓值時，外電場抵消了內電場，正向電流隨外加電壓的增加而明顯增大，二極管正向電阻變得很小。當二極管完全導通后，正向壓降基本維持不變，稱為二極管正向導通壓降UF。一般硅管的UF為0.7V，鍺管的UF為0.3V。

(3).反向特性二極管外加反向電壓時，電流和電壓的關系稱為二極管的反向特性。二極管外加反向電壓時，反向電流很小（I≈-IR），而且在相當寬的反向電壓范圍內，反向電流幾乎不變，因此，稱此電流值為二極管的反向飽和電流。當二極管承受反向電壓時，外電場與內電場方向一致，只有少數(shù)載流子的漂移運動，形成的漏電流IR極小，一般硅管的IR為幾微安以下，鍺管IR較大，為幾十到幾百微安。這時二極管反向截止。

第1章二極管及其基本電路(2).正向特性22第1章二極管及其基本電路(4).反向擊穿特性當反向電壓增大到某一數(shù)值UBR時，反向電流將隨反向電壓的增加而急劇增大，這種現(xiàn)象二極管反向擊穿。擊穿時對應的電壓稱為反向擊穿電壓。普通二極管發(fā)生反向擊穿后，造成二極管的永久性損壞，失去單向導電性。UBR為反向擊穿電壓。利用二極管的反向擊穿特性，可以做成穩(wěn)壓二極管，但一般的二極管不允許工作在反向擊穿區(qū)。

(5).二極管的溫度特性二極管是對溫度非常敏感的器件。實驗表明，隨溫度升高，二極管的正向壓降會減小，正向伏安特性左移，即二極管的正向壓降具有負的溫度系數(shù)（約為-2mV/℃）；溫度升高，反向飽和電流會增大，反向伏安特性下移，溫度每升高10℃，反向電流大約增加一倍。圖1.14所示為溫度對二極管伏安特性的影響。

第1章二極管及其基本電路(4).反向擊穿特性23第9章直流穩(wěn)壓電源當今社會人們極大的享受著電子設備帶來的便利，但是任何電子設備都有一個共同的電路--電源電路。大到超級計算機、小到袖珍計算器，所有的電子設備都必須在電源電路的支持下才能正常工作。當然這些電源電路的樣式、復雜程度千差萬別。超級計算機的電源電路本身就是一套復雜的電源系統(tǒng)。通過這套電源系統(tǒng)，超級計算機各部分都能夠得到持續(xù)穩(wěn)定、符合各種復雜規(guī)范的電源供應。袖珍計算器則是簡單多的電池電源電路。不過你可不要小看了這個電池電源電路，比較新型的電路完全具備電池能量提醒、掉電保護等高級功能?？梢哉f電源電路是一切電子設備的基礎，沒有電源電路就不會有如此種類繁多的電子設備。由于電子技術的特性，電子設備對電源電路的要求就是能夠提供持續(xù)穩(wěn)定、滿足負載要求的電能，而且通常情況下都要求提供穩(wěn)定的直流電能。提供這種穩(wěn)定的直流電能的電源就是直流穩(wěn)壓電源(DCRegulatedPowerSupply)。直流穩(wěn)壓電源在電源技術中占有十分重要的地位。一般電子設備所需的直流穩(wěn)壓電源都由電網中50Hz/220V交流電轉化而來。直流穩(wěn)壓電源的結構框圖如圖9.1所示。直流穩(wěn)壓電源是將交流電變換成功率較小的直流電，一般由變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓等幾部分組成。第9章直流穩(wěn)壓電源當今社會人們極大的享受著電子設備帶24第9章直流穩(wěn)壓電源圖9.1直流穩(wěn)壓電源的結構框圖第9章直流穩(wěn)壓電源圖9.1直流穩(wěn)壓電源的結構框圖25第9章直流穩(wěn)壓電源變壓器：交流降壓；整流器：將交流電變?yōu)閱蜗蛎}動的電量；濾波器：減少波形脈動，使波形平滑；穩(wěn)壓器：負載變化或電網波動時使輸出電壓穩(wěn)定。直流穩(wěn)壓電源的基本功能和要求:(1)、輸出電壓值能夠在額定輸出電壓值以下任意設定和正常工作。(2)、輸出電流的穩(wěn)流值能在額定輸出電流值以下任意設定和正常工作。(3)、直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓與穩(wěn)流狀態(tài)能夠自動轉換并有相應的狀態(tài)指示。(4)、對于輸出的電壓值和電流值要求精確的顯示和識別。(5)、對于輸出電壓之和電流值有精準要求的直流穩(wěn)壓電源，一般要用多圈電位器和電壓電流微調電位器，或者直接數(shù)字輸入。(6)、要有完善的保護電路。直流穩(wěn)壓電源在輸出端發(fā)生短路及異常工作狀態(tài)時不應損壞，在異常情況消除后能立即正常工作。本章就圍繞直流穩(wěn)壓電源的各個環(huán)節(jié)，分析和討論如何才能設計出滿足要求的穩(wěn)壓電源。第9章直流穩(wěn)壓電源變壓器：交流降壓；26第9章直流穩(wěn)壓電源9.1整流電路所謂整流電路就是將交流電壓（電流）變成直流電壓（電流）的過程。利用有單向導電性能的整流元件如二極管等，將交流電轉換成單向脈動直流電的電路稱為整流電路。整流電路按輸入電源相數(shù)可分為：(1)、單相整流；(2)、三相整流；(3)、倍壓整流。整流電路按輸出波形又可分為：（1）半波整流電路；(2)全波流電路。目前廣泛使用的是橋式整流電路。第9章直流穩(wěn)壓電源9.1整流電路27第9章直流穩(wěn)壓電源單相整流電路1、半波整流電路單相半波整流電路圖9.2所示，圖中T為電源變壓器，用來將市電220V交流電壓變換為整流電路所要求的交流低電壓，同時保證直流電源與市電電源有良好的隔離。設D為整流二極管，令它為理想二極管，RL為要求直流供電的負載等效電阻。圖9.2單相半波整流電路圖第9章直流穩(wěn)壓電源單相整流電路圖9.2單相半波整流電路圖28第9章直流穩(wěn)壓電源為分析簡單起見，把二極管當作理想元件處理，即二極管的正向導通電阻為零，反向電阻為無窮大。(1)、u2>0時:二極管導通，忽略二極管正向壓降，uo=u2;(2)、u2<0時:

二極管截止,uo=0V。單相半波整流電壓波形如圖9.3所示。第9章直流穩(wěn)壓電源為分析簡單起見，把二極管當作理想元件處理29第9章直流穩(wěn)壓電源輸出電壓平均值（Uo）和輸出電流平均值（Io)，見式9.1和9.2所示。

(9.1)Io=Uo/RL=0.45U2/RLUDRM為半波整流電路中，二極管上的平均電流及承受的最高反向電壓，如圖9.4所示。第9章直流穩(wěn)壓電源輸出電壓平均值（Uo）和輸出電流平均值（30第9章直流穩(wěn)壓電源9.6單相全波整理電路的波形圖第9章直流穩(wěn)壓電源9.6單相全波整理電路的波形圖31第9章直流穩(wěn)壓電源二極管上的平均電流：ID=IO，承受的最S高反向電壓:脈動系數(shù)UO1M：輸出基波幅值；UO(av)：輸出平均電壓。半波整流電路的特點:負載上得到單方向的脈動電壓，由于電路只在u2的正半周有輸出，所以稱為半波整流電路。半波整流電路結構簡單，使用元件少，但整流效率低，輸出電壓脈動大，因此，它只使用于要求不高的場合。2、單相全波整流電路原理：變壓器副邊中心抽頭，感應出兩個相等的電壓u2,當u2正半周時，D1導通，D2截止。當u2負半周時，D2導通，D1截止。電路原理圖如圖9.5所示。圖9.6為單相全波整理電路的波形圖。第9章直流穩(wěn)壓電源二極管上的平均電流：ID=IO，承受的最32第9章直流穩(wěn)壓電源輸出電壓平均值（Uo）和輸出電流平均值（Io)如式（9.3）和（9.4）：二極管上的平均電流：ID=1/2IO,二極管承受的最高反向電壓：

第9章直流穩(wěn)壓電源輸出電壓平均值（Uo）和輸出電流平均值（33第9章直流穩(wěn)壓電源2、單相橋式整流電路電路組成：T為變壓器，VD1~VD2為四個整流二極管，也常稱為整流橋。圖9.7(a)為單相橋式電路的原理圖,9.7(b)為其簡化畫法。9.7單相橋式電路第9章直流穩(wěn)壓電源2、單相橋式整流電路9.7單相橋式電路34第9章直流穩(wěn)壓電源工作原理:設(1)u2正半周:VD1、VD2導通,VD2、VD4截止；即：(2)u2負半周:VD2、VD4導通,VD1、VD3截止；即：單相橋式整流電路的波形示意圖如圖9.8所示。

第9章直流穩(wěn)壓電源工作原理:設35第9章直流穩(wěn)壓電源圖9.8單相橋式整流電路的波形示意圖第9章直流穩(wěn)壓電源圖9.8單相橋式整流電路的波形示意圖36第9章直流穩(wěn)壓電源參數(shù)計算：(1)輸出平均電壓Uo（av）：輸出電壓Uo在一個周期中的平均值，如式(9.5)所示，即：(2)輸出平均電流Io（av）：(3)二極管承受的最高反向峰值電壓

第9章直流穩(wěn)壓電源參數(shù)計算：37第9章直流穩(wěn)壓電源(4)脈動系數(shù)S定義：整流輸出電壓的基波峰值Uo1M與Uo平均值之比。S越小越好。用傅氏級數(shù)對全波整流的輸出uo分解后可得(9.7),(9.8)為脈動系數(shù)。橋式整流電路的特點:同方向的電流流過負載電阻RL，故RL上得到單方向全波脈動的直流電壓?？梢姡瑯蚴秸麟娐份敵鲭妷簽榘氩ㄕ麟娐份敵鲭妷旱膬杀?。橋式整流電路與半波整流電路相比較，其輸出電壓uo提高，脈動成分減小了。第9章直流穩(wěn)壓電源(4)脈動系數(shù)S定義：整流輸出電壓的基波38第9章直流穩(wěn)壓電源此外，將單相橋式整流電路的四只二極管制作在一起，封成一個器件稱為整流橋。常用的整流組合元件有半橋堆和全橋堆。半橋堆的內部是由兩個二極管組成，而全橋堆的內部是由四個二極管組成。集成硅整流橋符號和外形如圖9.9所示。圖9.9集成硅整流橋符號及外形

第9章直流穩(wěn)壓電源此外，將單相橋式整流電路的四只二極管制作39第9章直流穩(wěn)壓電源9.2濾波電路：濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或在整流電路輸出端與負載間串聯(lián)電感器L，以及由電容、電感組合而成的各種復式濾波電路。

濾波電路的結構特點:電容與負載RL并聯(lián)，或電感與負載RL串聯(lián)。如圖9.10所示：圖9.10電容濾波和電感電路第9章直流穩(wěn)壓電源9.2濾波電路：濾波電路用于濾去整流輸出40第9章直流穩(wěn)壓電源1、電容濾波電路電容濾波原理：以單相橋式整流電容濾波為例進行分析，其電路如圖9.11所示。圖9.11橋式整流電容濾波電路

(1)、電路組成如圖9.11所示:C并在RL兩端，為濾波電容器。(2)、工作波形：設Ｃ初始電壓uc=0(a)u2正半周：VD1、VD3導通,C充電,uo=uc=u2(b)當u2達到峰值a點后，開始下降第9章直流穩(wěn)壓電源1、電容濾波電路41第9章直流穩(wěn)壓電源∵u2↓→uc>u2∴VD1，VD3截止,C向RL放電,uo（uc）按指數(shù)規(guī)律下降，四個二極管仍然截止。(c)當uo（uc）↓→b點時，|u2|=|uo|,u2↓→過了b點→VD2、VD4導通→C再次充電→uo=|u2|

(d)當u2達到峰值后→VD2、VD4截止→C向RL充放電,電容如此反復充放電，輸出波形如圖9.12所示。第9章直流穩(wěn)壓電源∵u2↓→uc>u242第9章直流穩(wěn)壓電源(3)、由于二極管截止期間C向RL放電緩慢，使Uo（av）的脈動減少，波形平滑了許多，Uo（av）提高，當RL=∞，，為了取得良好的濾波效果，一般取，T為交流電源的周期,此時：Uo（av）≈1.2U2

(4)、二極管的導通角小于π，所以C充電的瞬間電流放大，為了保護二極管，常在濾波電容前串接一個小的電阻。工程上選擇二極管的條件：IFM=（2~3）Io（av）。電容濾波電路簡單，輸出電壓平均值Uo較高，脈動較小，但是二極管中有較大的沖擊電流。因此，電容濾波電路一般適用于輸出電壓較高、負載電流較小并且變化也較小的場合。其他濾波電路1、RCΠ型濾波電路圖9.13所示是RCΠ型濾波器。圖中C1電容兩端電壓中的直流分量，有很小一部分降落在R上，其余部分加到了負載電阻RL上；而電壓中的交流脈動，大部分被濾波電容C2衰減掉，只有很小的一部分加到負載電阻RL上。此種電路的濾波效果雖好一些，但電阻上要消耗功率，所以只適用于負載電流較小的場合。

第9章直流穩(wěn)壓電源(3)、由于二極管截止期間C向RL放電緩43第9章直流穩(wěn)壓電源2、LCΠ型濾波器圖9.14所示是LCΠ型濾波電路?？梢娭皇菍CΠ型濾波器中的R用電感L做了替換。由于電感具有阻交流通直流的作用，因此在增加了電感濾波的基礎上，此種電路的濾波效果更好，而且L上無直流功率損耗，所以一般用在負載電流較大和電源頻率較高的場合。缺點是電感的體積大，使電路看起來笨重。3、電感濾波電路圖9.15所示電路是電感濾波電路，它主要適用于負載功率較大即負載電流很大的情況。電感濾波電路輸出電壓平均值Uo的大小一般按經驗公式計算：Uo=0.9U2第9章直流穩(wěn)壓電源2、LCΠ型濾波器44第9章直流穩(wěn)壓電源第9章直流穩(wěn)壓電源45第9章直流穩(wěn)壓電源4、LCΓ型濾波電路圖9.16所示電路為LCΓ型濾波電路,多用于較大功率電源中(而且當電流很大時僅用一電感器與負載相連)。

第9章直流穩(wěn)壓電源4、LCΓ型濾波電路46第9章直流穩(wěn)壓電源9.3穩(wěn)壓電路當電路中起穩(wěn)壓調整作用的晶體管或集成塊中的電壓（或電流）為連續(xù)變化時，此電路稱為線性穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電源類型:(1)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路,這種電路最簡單，但是帶負載能力差，一般只提供基準電壓，不作為電源使用。(2)線性穩(wěn)壓電路,這是本節(jié)討論的重點。(3)開關型穩(wěn)壓電路，這種效率較高，目前用的也比較多。穩(wěn)壓電路的作用：整流濾波電路的輸出電壓和理想的直流電源還有相當?shù)木嚯x，主要存在兩方面的問題：(1)當負載電流變化時，由于整流濾波電路存在內阻，因此輸出直流電壓將隨之發(fā)生變化；(2)當電網電壓波動時,因整流電路的輸出電壓直接與變壓器副邊電壓有關，因此也要相應地變化。在整流濾波電路的后面再加上穩(wěn)壓電路，以提供更加穩(wěn)定的直流電源。下面對這幾種穩(wěn)壓電路作以簡單介紹。第9章直流穩(wěn)壓電源9.3穩(wěn)壓電路47第9章直流穩(wěn)壓電源9.3.1穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

這種穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓原理主要是利用穩(wěn)壓管的反向擊穿特性。在反向擊穿區(qū)，較大的電流變化ΔI,只會引起較小的電壓變化ΔU；根據(jù)伏安特性，若工作電流太小，例如在零電流附近，則電壓隨電流的變化很大，即穩(wěn)壓性能不好；工作電流太大，則由可能超過管子的額定功耗，造成損壞。故穩(wěn)壓管應工作在規(guī)定的電流范圍內。

1、硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路及穩(wěn)壓過程:UI為整流濾波后所得的直流電壓。為保證工作在反向擊穿區(qū)，二極管VDZ反接。電阻R用來在電網電壓波動或負載電流變化時，調節(jié)R本身壓降來保持輸出電壓基本不變。穩(wěn)壓過程如下:(電網電壓波動時）穩(wěn)壓電路電路原理如圖9.17所示。第9章直流穩(wěn)壓電源9.3.1穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路48第9章直流穩(wěn)壓電源圖9.17穩(wěn)壓電路電路原理第9章直流穩(wěn)壓電源圖9.17穩(wěn)壓電路電路原理49第9章直流穩(wěn)壓電源2、內阻和穩(wěn)壓系數(shù)的估算：(1)內阻RO：直流輸入電壓UI不變時，輸出端的ΔU與ΔI之比。其交流等效電路如圖9.18所示.

,由于一般情況下能夠滿足故上式可化簡為由此可知，則穩(wěn)壓電路的內阻也越小，當負載變化時，穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓性能越好。(2)穩(wěn)壓系數(shù)

不變時，穩(wěn)壓電路的輸出電壓與輸入電壓的相對變化量之比。

第9章直流穩(wěn)壓電源2、內阻和穩(wěn)壓系數(shù)的估算：50第9章直流穩(wěn)壓電源其交流等效電路如圖9.19所示。越小,越大,則越小,穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓性能越好。圖9.19交流等效電路(3)限流電阻的選擇：限流電阻R的阻值必須選擇適當，才能保證穩(wěn)壓電路在電網電壓或負載變化時，很好地實現(xiàn)穩(wěn)壓作用，見圖9.20所示。(a)R太大,則IR很小,當IR增大時,穩(wěn)壓管的電流可能減小到臨界值以下，失去穩(wěn)壓作用。所以，當電網電壓最高和負載電流最小時,的值最大,此時不應超過允許的最大值,即第9章直流穩(wěn)壓電源其交流等效電路如圖9.19所示。越51第9章直流穩(wěn)壓電源(b)R太小,則IR很大,當RL很大或開路時,IR都流向穩(wěn)壓管,可能超過其允許定額而造成損壞。所以，當電網電壓最低和負載電流最大時,的值最小。即：圖9.20第9章直流穩(wěn)壓電源(b)R太小,則IR很大,當RL很大52第9章直流穩(wěn)壓電源例9.1：在如圖所示的硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中,設穩(wěn)壓管的

給定當由變到時,的變化量為0.35V。①試選擇限流電阻R；②估算在上述條件下的輸出電阻和穩(wěn)壓系數(shù)。解:①由給定條件知

第9章直流穩(wěn)壓電源例9.1：在如圖所示的硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中53第9章直流穩(wěn)壓電源可取電阻上消耗的功率可選200Ω,1W的碳膜電阻(RT-1W-200Ω)。②再由給定條件可求得則輸出電阻為：估算穩(wěn)壓系數(shù)時,取當輸出電壓不需要調節(jié),負載電流比較小的情況下,硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的效果較好,所以在小型的電子設備中經常采用這種電路。缺點：(1)輸出電壓由穩(wěn)壓管的型號決定,不可隨意調節(jié);(2)電網電壓和負載電流的變化范圍較大時,電路將不能適應。為了改進以上缺點,可以采用線性穩(wěn)壓電路，在線性穩(wěn)壓電路中我們以串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路為例為大家做詳細的說明。

第9章直流穩(wěn)壓電源可取電阻上54第9章直流穩(wěn)壓電源

串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路性能指標

一般用技術指標衡量串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的性能。技術指標分為兩種：一種是特性指標，包括允許的輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出電壓調節(jié)范圍等；另一種是質量指標，用來衡量輸出直流穩(wěn)壓程度，包括穩(wěn)壓系數(shù)、電壓調整率、電流調整率、輸出電阻、溫度系數(shù)及波紋電壓等。這些質量指標的含義如下：穩(wěn)壓電路的質量指標

由于輸出直流電壓隨輸入直流電壓（即整流濾波電路的輸出電壓，其數(shù)值可近似認為與交流電源電壓成正比）、輸出電流和環(huán)境溫度的變動而變動，即輸出電壓，因而輸出電壓變化量的一般式可表示為：系數(shù)KU是輸入調整因數(shù)，反映了輸入電壓波動對輸出電壓的影響，實用上常用輸入電壓變化時引起輸出電壓的相對變化來表示，稱為電壓調整率，即:有時也以輸出電壓和輸入電壓的相對變化之比來表征穩(wěn)壓性能，稱為穩(wěn)壓系數(shù)，其定義可寫為

第9章直流穩(wěn)壓電源串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路性能指標55第9章直流穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓電源的內阻ro反映負載電流變化對的影響:有時也用電流調整率表示:它反映了直流穩(wěn)壓電源克服負載變化影響的能力。當輸入電壓和負載電流均不變時，輸出電壓的變化量與環(huán)境溫度變化量之比,反映了直流穩(wěn)壓電源克服溫度影響的能力:紋波抑制比為輸入紋波電壓峰值UIP與輸出紋波電壓峰值UOP之比。反映輸入電壓UI中含100Hz交流分量峰值或紋波電壓有效值經穩(wěn)壓后的減小程度。穩(wěn)壓系數(shù)較小穩(wěn)壓電路，它的輸出紋波電壓一般也較小

第9章直流穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓電源的內阻ro反映負載電流變化對56第9章直流穩(wěn)壓電源串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路(1)組成和工作原理串聯(lián)型穩(wěn)壓電路組成框圖如圖9.21(a)所示，包括四個組成部分：基準電壓；比較放大；輸出電壓取樣電路；調整元件。9.21(b)所示為串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路的原理電路圖。9.21串聯(lián)型穩(wěn)壓電路第9章直流穩(wěn)壓電源串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路9.21串聯(lián)型穩(wěn)壓電路57第9章直流穩(wěn)壓電源基準電壓：基準電壓由穩(wěn)壓管VDZ提供,接到放大電路的同相輸入端。采樣電壓與基準電壓進行比較后,再將二者的差值進行放大。電阻R的作用是保證VDZ有一個合適的工作電流。比較放大電路A：它的作用時將穩(wěn)壓電路輸出電壓的變化量進行放大,然后再送到調整管的基極。如果放大電路的放大倍數(shù)比較大,則只要輸出電壓產生一點微小的變化,即能引起調整管的基極電壓發(fā)生較大的變化。輸出取樣電路：由電阻R1、R2、R3組成。當輸出電壓發(fā)生變化時,采樣電阻取其變化量的一部分送到放大電路的反相輸入端。調整元件：當輸出電壓Uo由于電網電壓或負載電流等的變化而發(fā)生波動時,其變化量經采樣、比較、放大后送到調整管的基極,使調整管的集－射電壓發(fā)生相應的變化。最終調整輸出電壓使之基本保持穩(wěn)定。VT為調整管:它工作在線性放大區(qū)，故又稱為線性穩(wěn)壓電路。R3和穩(wěn)壓管VD組成基準電壓源，為集成運放A的同相輸入端提供基準電壓；R1、R2和Rp組成取樣電路，它將穩(wěn)壓電路的輸出電壓分壓后送到集成運放A的反相輸入端；集成運放A構成比較放大電路，用來對取樣電壓與基準電壓的差值進行放大。從反饋放大器角度看，該電路屬電壓串聯(lián)負反饋電路。第9章直流穩(wěn)壓電源基準電壓：基準電壓由穩(wěn)壓管VDZ提供,接58第9章直流穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓過程：

輸出電壓可以通過改變采樣電阻中電位器的滑動端位置在一定范圍內調節(jié)。即：反之,若R2滑動端向下移動,則Uo增大。假設放大電路A是理想運放,且工作在線性區(qū),則U+=U-=UZ=UF,而且兩個輸入端不取電流,則或

當R2的滑動端調至最上端時,Uo達到最小值,此時

當R2的滑動端調至最下端時,Uo達到最大值,此時

第9章直流穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓過程：59第9章直流穩(wěn)壓電源例9.2:設如圖9.22所示串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路中,穩(wěn)壓管為2CW14,其穩(wěn)定電壓為UZ＝7V，采樣電阻R1=3KΩ，R2=2KΩ,R3=3KΩ,試估算輸出電壓的調節(jié)范圍。解：因此,穩(wěn)壓電路輸出電壓的調節(jié)范圍是(11.2～18.7V)

圖9.22串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路第9章直流穩(wěn)壓電源例9.2:設如圖9.22所示串聯(lián)型直流穩(wěn)60第9章直流穩(wěn)壓電源調整管的選擇調整管不僅需要根據(jù)外界條件的變化，隨時調整本身的管壓降，以保持輸出電壓穩(wěn)壓，還要提供負載所要求的全部電流，因此調整管的功耗比較大，通常采樣大功率的三極管。為了保證調整管的安全，在選擇三極管的型號時，應對三極管的主要參數(shù)進行初步的估算。a.集電極最大允許電流ICM假設流過采樣電阻的電流為IR，則b.集電極和發(fā)射極之間的最大允許反向擊穿電壓U(BR)CEO正常工作時調整管上的壓降約為幾伏。負載短路時UI全部加在調整管兩端。在電容濾波電路中，UI可能接近于變壓器副邊電壓峰值再考慮電網可能有的波動,因此，根據(jù)調整管可能承受的最大反向電壓，應選擇三極管的參數(shù)為是空載時整流濾波電路的最大輸出電壓。c.集電極最大允許耗散功率PCM調整管的功耗為故，為保證調整管工作在放大狀態(tài)，UCE通常為(3～8)V。故,若為橋式整流、電容濾波電路,并考慮到電網電壓可能有

第9章直流穩(wěn)壓電源調整管的選擇61第9章直流穩(wěn)壓電源的波動，要求變壓器副邊電壓為：(4)穩(wěn)壓電路的過載保護使用穩(wěn)壓電路時,如果輸出端過載甚至短路，將使通過調整管的電流急劇增大,故在實用的穩(wěn)壓電路中通常加有必要的保護電路,以免調整管造成損壞。b.溫度保護型：利用集成電路制造工藝，在調整管旁制作PN結溫度傳感器。當溫度超標時，啟動保護電路工作，工作原理與反饋保護型相同。限流型保護電路如圖9.23所示。

圖9.23第9章直流穩(wěn)壓電源的波動，要求變壓器副邊電壓為：圖9.2362第9章直流穩(wěn)壓電源當發(fā)生短路時，通過保護電路使調整管截止，從而限制了短路電流，使之接近為零。截流特性如圖9.24所示。截流型保護電路如圖9.25所示。它是當發(fā)生短路時，通過電路中取樣電阻的反饋作用，輸出電流得以限制。限流特性如圖9.26所示。圖9.26第9章直流穩(wěn)壓電源當發(fā)生短路時，通過保護電路使調整管截止，63第9章直流穩(wěn)壓電源9.4集成三端穩(wěn)壓器三端式穩(wěn)壓器只有三個引出端子，具有應用時外接元件少、使用方便、性能穩(wěn)定、價格低廉等優(yōu)點，因而得到廣泛應用。三端式穩(wěn)壓器有兩種，一種輸出電壓是固定的，稱為固定輸出三端穩(wěn)壓器；另一種輸出電壓是可調的，稱為可調輸出三端穩(wěn)壓器。它們的基本組成及工作原理都相同，均采用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。三端固定輸出集成穩(wěn)壓器通用產品有CW7800系列(正電源)和CW7900系列(負電源)。圖9.27所示為CW7800和CW7900系列塑料封裝和金屬封裝三端集成穩(wěn)壓器的外形及管腳排列。圖9.27第9章直流穩(wěn)壓電源9.4集成三端穩(wěn)壓器圖9.2764第9章直流穩(wěn)壓電源1、基本應用電路

圖9.28所示為7800系列集成穩(wěn)壓器的基本應用電路。由于輸出電壓決定于集成穩(wěn)壓器，所以圖9.28輸出電壓為12V，最大輸出電流為1.5A。2、提高輸出電壓的電路提高輸出電壓的電路如圖9.29所示。實際需要的直流穩(wěn)壓電源，如果超過集成穩(wěn)壓器的輸出電壓數(shù)值時，可外接一些元件提高輸出電壓，圖9.29所示電路能使輸出電壓高于固定電壓，圖中的UXX為CW78系列穩(wěn)壓器的固定輸出電壓數(shù)值，顯然有：UO=UXX+UZ

；圖9.28第9章直流穩(wěn)壓電源1、基本應用電路圖9.2865第9章直流穩(wěn)壓電源也可采用圖9.30所示的電路提高輸出電壓。圖中R1、R2為外接電阻，R1兩端的電壓為三端集成穩(wěn)壓器的額定輸出電壓UXX，R1上流過的電流為IR1=UXX／R1，三端集成穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流為IQ，則有：IR2=IR1+IQ

；圖9.29圖9.30第9章直流穩(wěn)壓電源也可采用圖9.30所示的電路提高輸出電壓66第9章直流穩(wěn)壓電源3、輸出正、負電壓的電路圖9.31所示為采用CW7815和CW7915三端穩(wěn)壓器各一塊組成的具有同時輸出+15V～-15V電壓的穩(wěn)壓電路。恒流源電路集成穩(wěn)壓器輸出端串入阻值合適的電阻，就可構成輸出恒定電流的電源，如圖9.32所示。

圖9.31圖9.32第9章直流穩(wěn)壓電源3、輸出正、負電壓的電路圖9.31圖967第9章直流穩(wěn)壓電源IQ為穩(wěn)壓器靜態(tài)工作電流，由于它受UI及溫度變化的影響，所以只有U23/R>>IQ時，輸出電流IQ才比較穩(wěn)定。

第9章直流穩(wěn)壓電源IQ為穩(wěn)壓器靜態(tài)工作電流，由于它受UI及68模擬電子技術基礎

第1章二極管及其基本電路

模擬電子技術基礎69第1章二極管及其基本電路學習重點：PN結的基本知識半導體二極管的結構、伏安特性、應用電路。學習內容:PN結的基本知識、半導體二極管、半導體二極管。第1章二極管及其基本電路學習重點：70第1章二極管及其基本電路1.1半導體基礎理論知識半導體材料（semiconductormaterial）

導電能力介于導體與絕緣體之間的物質稱為半導體。半導體材料的電學性質對光、熱、電、磁等外界因素的變化十分敏感，在半導體材料中摻入少量雜質可以控制這類材料的電導率。元素半導體有鍺、硅、硒、硼、碲、銻等。硅（Si）和鍺（Ge）是主要的半導體材料，其中硅（Si）是占據(jù)了90％以上的半導體材料份額。硅和鍺材料在電子、冶金、化工、軍事、航天等領域有廣泛的用途。

第1章二極管及其基本電路1.1半導體基礎理論知識71第1章二極管及其基本電路本征半導體本征半導體——完全純凈的、結構完整的半導體材料稱為本征半導體。制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱“九個9”。它在物理結構上呈單晶體形態(tài)。本征激發(fā)（熱激）：當溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子。本征半導體的原子結構及共價鍵共價鍵內的兩個電子由相鄰的原子各用一個價電子組成，稱為束縛電子。圖1.1所示為硅和鍺的原子結構和共價鍵結構。

第1章二極管及其基本電路本征半導體72第1章二極管及其基本電路本征半導體的兩種載流子溫度越高，半導體材料中產生的自由電子便越多。束縛電子脫離共價鍵成為自由電子后，在原來的位置留有一個空位，稱此空位為空穴。本征半導體中，自由電子和空穴成對出現(xiàn)，數(shù)目相同。圖1.1所示為本征激發(fā)所產生的電子空穴對。

圖1.1本征激發(fā)產生電子空穴對第1章二極管及其基本電路本征半導體的兩種載流子

圖1.173第1章二極管及其基本電路N型和P型雜質半導體在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質主要是三價或五價元素。摻入雜質后的本征半導體稱為雜質半導體。1、N型半導體在本征半導體中摻入五價雜質元素，例如磷，可形成N型半導體,也稱電子型半導體。因五價雜質原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。N型半導體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。如圖1.2所示。

第1章二極管及其基本電路N型和P型雜質半導體74第1章二極管及其基本電路N型半導體圖1.2N型半導體的共價鍵結構第1章二極管及其基本電路N型半導體圖1.2N型半導體75第1章二極管及其基本電路P型半導體本征半導體中摻入三價雜質元素，如硼、鎵、銦等形成P型半導體，也稱為空穴型半導體。因三價雜質原子與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。P型半導體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成?？昭ê苋菀追@電子，使雜質原子成為負離子。三價雜質因而也稱為受主雜質。P型半導體的結構示意圖如圖1.3所示。圖1.3P型半導體共價鍵結構第1章二極管及其基本電路P型半導體圖1.3P型半導體76第1章二極管及其基本電路PN結的行成及其單向導電性將一塊半導體的一側摻雜成P型半導體，另一側摻雜成N型半導體，在兩種半導體的交界面處將形成一個特殊的薄層→PN結。半導體中載流子有擴散運動和漂移運動兩種運動方式。載流子在電場作用下的定向運動稱為漂移運動。在半導體中，如果載流子濃度分布不均勻，因為濃度差，載流子將會從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域運動，這種運動稱為擴散運動。形成如下物理過程:因濃度差多子的擴散運動由雜質離子形成空間電荷區(qū)內電場內電場促使少子漂移,內電場阻止多子擴散。最后多子擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。如圖1.4所示。

第1章二極管及其基本電路PN結的行成及其單向導電性77第1章二極管及其基本電路圖1.4P型和N型半導體交界處載流子的擴散

第1章二極管及其基本電路圖1.4P型和N型半導體交界78第1章二極管及其基本電路

由于空穴和自由電子均是帶電的粒子，所以擴散的結果使P區(qū)和N區(qū)原來的電中性被破壞，在交界面的兩側形成一個不能移動的帶異性電荷的離子層，稱此離子層為空間電荷區(qū)，這就是所謂的PN結，如圖1.5所示。在空間電荷區(qū)，多數(shù)載流子已經擴散到對方并復合掉了，或者說消耗了，因此又稱空間電荷區(qū)為耗盡層。圖1.5PN結的形成第1章二極管及其基本電路由于空穴和自由電子均是帶電79第1章二極管及其基本電路PN結單向導電性PN結具有單向導電性，若外加電壓使電流從P區(qū)流到N區(qū)，PN結呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。如果外加電壓使PN結中：P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏。

PN結加正向電壓時的導電情況PN結加正向電壓時的導電情況如圖1.6所示。外加的正向電壓有一部分降落在PN結區(qū)，方向與PN結內電場方向相反，削弱了內電場。內電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響,PN結呈現(xiàn)低阻性。

第1章二極管及其基本電路PN結單向導電性80第1章二極管及其基本電路圖1.6PN結加正向電壓時的導電情況第1章二極管及其基本電路圖1.6PN結加正向電壓時的導81第1章二極管及其基本電路PN結加反向電壓時的導電情況PN結加反向電壓時的導電情況如圖1.7所示。外加的反向電壓有一部分降落在PN結區(qū)，方向與PN結內電場方向相同，加強了內電場。內電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小。此時PN結區(qū)的少子在內電場的作用下形成的漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流，由于漂移電流本身就很小，PN結呈現(xiàn)高阻性。這樣的反接電壓使N區(qū)和P區(qū)中的少數(shù)載流子更容易產生漂移運動，因此在這種情況下，PN結內的電流由起支配地位的漂移電流所決定。漂移電流的方向與擴散電流相反，表現(xiàn)在外電路上有一個流入N區(qū)的反向電流，它是由少數(shù)載流子的漂移運動形成的。由于少數(shù)載流子的濃度很小，所以是很微弱的，一般硅管為微安數(shù)量級。由于很小，所以PN結在反向偏置時，呈現(xiàn)出一個阻值很大的電阻，此時可認為它基本上是不導電的，稱PN結截止。PN結加正向電壓時，電阻值很小，PN結導通；加反相電壓時，電阻值很大，PN結截止，這就是它的單向導電性，PN結的單相導電性關鍵在于它的耗盡區(qū)的存在，且其寬度隨外加電壓而變化。

第1章二極管及其基本電路PN結加反向電壓時的導電情況82第1章二極管及其基本電路圖1.7PN結外加反向電壓

第1章二極管及其基本電路圖1.7PN結外加反向電壓83第1章二極管及其基本電路PN結的電容效應PN結具有一定的電容效應，它由兩方面的因素決定。一是勢壘電容CB；二是擴散電容CD。勢壘電容CB。勢壘電容是由空間電荷區(qū)離子薄層形成的。當外加電壓使PN結上壓降發(fā)生變化時，離子薄層的厚度也相應地隨之改變，這相當PN結中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。勢壘電容的示意圖見圖1.8。

圖1.8勢壘電容示意圖第1章二極管及其基本電路PN結的電容效應84第1章二極管及其基本電路（2）擴散電容CD。擴散電容是由多子擴散后，在PN結的另一側面積累而形成的。因PN結正偏時，由N區(qū)擴散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復合，形成正向電流。剛擴散過來的電子就堆積在P區(qū)內緊靠PN結的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。反之，由P區(qū)擴散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內也形成類似的濃度梯度分布曲線。擴散電容的示意圖如圖1.9所示。當外加正向電壓不同時，擴散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結兩側堆積的多子的濃度梯度分布也不相同，這就相當電容的充放電過程。勢壘電容和擴散電容均是非線性電容。第1章二極管及其基本電路（2）擴散電容CD。85第1章二極管及其基本電路圖1.9擴散電容示意圖第1章二極管及其基本電路圖1.9擴散電容示意圖86第1章二極管及其基本電路二極管及其特性二極管的結構和類型接在二極管P區(qū)的引出線稱二極管的陽極，接在N區(qū)的引出線稱二極管的陰極。二極管有許多類型。從工藝上分，有點接觸型和面接觸型；按用途分，有整流管、檢波二極管、穩(wěn)壓二極管、光電二極管和開關二極管等。圖1.10為不同結構的二極管。

圖1.10不同結構的二極管

第1章二極管及其基本電路二極管及其特性87第1章二極管及其基本電路圖1.11所示為二極管的符號。由P端引出的電極是正極，由N端引出的電極是負極，箭頭的方向表示正向電流的方向，VD是二極管的文字符號。AK圖1.11二極管的符號常見的二極管有金屬、塑料和玻璃三種封裝形式。按照應用的不同，二極管分為整流、檢波、開關、穩(wěn)壓、發(fā)光、光電、快恢復和變容二極管等。根據(jù)使用的不同，二極管的外形各異，圖1.12所示為幾種常見的二極管外形及實物。圖1.12幾種常見的二極管外形及實物第1章二極管及其基本電路圖1.11所示為二極管的符號。由88第1章二極管及其基本電路二極管的特性(1).二極管伏安特性二極管兩端的電壓U及其流過二極管的電流I之間的關系曲線，稱為二極管的伏安特性。理論分析指出，半導體二極管電流I與端電壓U之間的關系可表示為1.1式。

1.1此式稱為理想二極管電流方程。式中，IR稱為反向飽和電流，UT稱為溫度的電壓當量，常溫下UT≈26mV。實際的二極管伏安特性曲線如圖所示。圖1.13中，實線對應硅材料二極管，虛線對應鍺材料二極管。第1章二極管及其基本電路二極管的特性89第1章二極管及其基本電路(2).正向特性二極管外加正向電壓時，電流和電壓的關系稱為二極管的正向特性。如圖2.15所示，當二極管所加正向電壓比較小時（0<U<Uth），二極管上流經的電流為0mA，管子仍截止，此區(qū)域稱為死區(qū)，Uth稱為死區(qū)電壓（門坎電壓）。當二極管承受正向電壓小于某一數(shù)值時，還不足以克服PN結內電場對多數(shù)載流子運動的阻擋作用，這一區(qū)段二極管正向電流IF很小，稱為死區(qū)。死區(qū)電壓的大小與二極管的材料有關，并受環(huán)境溫度影響。通常，硅材料二極管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺材料二極管的死區(qū)電壓約為0.2V。當正向電壓超過死區(qū)電壓值時，外電場抵消了內電場，正向電流隨外加電壓的增加而明顯增大，二極管正向電阻變得很小。當二極管完全導通后，正向壓降基本維持不變，稱為二極管正向導通壓降UF。一般硅管的UF為0.7V，鍺管的UF為0.3V。

(3).反向特性二極管外加反向電壓時，電流和電壓的關系稱為二極管的反向特性。二極管外加反向電壓時，反向電流很小（I≈-IR），而且在相當寬的反向電壓范圍內，反向電流幾乎不變，因此，稱此電流值為二極管的反向飽和電流。當二極管承受反向電壓時，外電場與內電場方向一致，只有少數(shù)載流子的漂移運動，形成的漏電流IR極小，一般硅管的IR為幾微安以下，鍺管IR較大，為幾十到幾百微安。這時二極管反向截止。

第1章二極管及其基本電路(2).正向特性90第1章二極管及其基本電路(4).反向擊穿特性當反向電壓增大到某一數(shù)值UBR時，反向電流將隨反向電壓的增加而急劇增大，這種現(xiàn)象二極管反向擊穿。擊穿時對應的電壓稱為反向擊穿電壓。普通二極管發(fā)生反向擊穿后，造成二極管的永久性損壞，失去單向導電性。UBR為反向擊穿電壓。利用二極管的反向擊穿特性，可以做成穩(wěn)壓二極管，但一般的二極管不允許工作在反向擊穿區(qū)。

(5).二極管的溫度特性二極管是對溫度非常敏感的器件。實驗表明，隨溫度升高，二極管的正向壓降會減小，正向伏安特性左移，即二極管的正向壓降具有負的溫度系數(shù)（約為-2mV/℃）；溫度升高，反向飽和電流會增大，反向伏安特性下移，溫度每升高10℃，反向電流大約增加一倍。圖1.14所示為溫度對二極管伏安特性的影響。

第1章二極管及其基本電路(4).反向擊穿特性91第9章直流穩(wěn)壓電源當今社會人們極大的享受著電子設備帶來的便利，但是任何電子設備都有一個共同的電路--電源電路。大到超級計算機、小到袖珍計算器，所有的電子設備都必須在電源電路的支持下才能正常工作。當然這些電源電路的樣式、復雜程度千差萬別。超級計算機的電源電路本身就是一套復雜的電源系統(tǒng)。通過這套電源系統(tǒng)，超級計算機各部分都能夠得到持續(xù)穩(wěn)定、符合各種復雜規(guī)范的電源供應。袖珍計算器則是簡單多的電池電源電路。不過你可不要小看了這個電池電源電路，比較新型的電路完全具備電池能量提醒、掉電保護等高級功能?？梢哉f電源電路是一切電子設備的基礎，沒有電源電路就不會有如此種類繁多的電子設備。由于電子技術的特性，電子設備對電源電路的要求就是能夠提供持續(xù)穩(wěn)定、滿足負載要求的電能，而且通常情況下都要求提供穩(wěn)定的直流電能。提供這種穩(wěn)定的直流電能的電源就是直流穩(wěn)壓電源(DCRegulatedPowerSupply)。直流穩(wěn)壓電源在電源技術中占有十分重要的地位。一般電子設備所需的直流穩(wěn)壓電源都由電網中50Hz/220V交流電轉化而來。直流穩(wěn)壓電源的結構框圖如圖9.1所示。直流穩(wěn)壓電源是將交流電變換成功率較小的直流電，一般由變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓等幾部分組成。第9章直流穩(wěn)壓電源當今社會人們極大的享受著電子設備帶92第9章直流穩(wěn)壓電源圖9.1直流穩(wěn)壓電源的結構框圖第9章直流穩(wěn)壓電源圖9.1直流穩(wěn)壓電源的結構框圖93第9章直流穩(wěn)壓電源變壓器：交流降壓；整流器：將交流電變?yōu)閱蜗蛎}動的電量；濾波器：減少波形脈動，使波形平滑；穩(wěn)壓器：負載變化或電網波動時使輸出電壓穩(wěn)定。直流穩(wěn)壓電源的基本功能和要求:(1)、輸出電壓值能夠在額定輸出電壓值以下任意設定和正常工作。(2)、輸出電流的穩(wěn)流值能在額定輸出電流值以下任意設定和正常工作。(3)、直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓與穩(wěn)流狀態(tài)能夠自動轉換并有相應的狀態(tài)指示。(4)、對于輸出的電壓值和電流值要求精確的顯示和識別。(5)、對于輸出電壓之和電流值有精準要求的直流穩(wěn)壓電源，一般要用多圈電位器和電壓電流微調電位器，或者直接數(shù)字輸入。(6)、要有完善的保護電路。直流穩(wěn)壓電源在輸出端發(fā)生短路及異常工作狀態(tài)時不應損壞，在異常情況消除后能立即正常工作。本章就圍繞直流穩(wěn)壓電源的各個環(huán)節(jié)，分析和討論如何才能設計出滿足要求的穩(wěn)壓電源。第9章直流穩(wěn)壓電源變壓器：交流降壓；94第9章直流穩(wěn)壓電源9.1整流電路所謂整流電路就是將交流電壓（電流）變成直流電壓（電流）的過程。利用有單向導電性能的整流元件如二極管等，將交流電轉換成單向脈動直流電的電路稱為整流電路。整流電路按輸入電源相數(shù)可分為：(1)、單相整流；(2)、三相整流；(3)、倍壓整流。整流電路按輸出波形又可分為：（1）半波整流電路；(2)全波流電路。目前廣泛使用的是橋式整流電路。第9章直流穩(wěn)壓電源9.1整流電路95第9章直流穩(wěn)壓電源單相整流電路1、半波整流電路單相半波整流電路圖9.2所示，圖中T為電源變壓器，用來將市電220V交流電壓變換為整流電路所要求的交流低電壓，同時保證直流電源與市電電源有良好的隔離。設D為整流二極管，令它為理想二極管，RL為要求直流供電的負載等效電阻。圖9.2單相半波整流電路圖第9章直流穩(wěn)壓電源單相整流電路圖9.2單相半波整流電路圖96第9章直流穩(wěn)壓電源為分析簡單起見，把二極管當作理想元件處理，即二極管的正向導通電阻為零，反向電阻為無窮大。(1)、u2>0時:二極管導通，忽略二極管正向壓降，uo=u2;(2)、u2<0時:

二極管截止,uo=0V。單相半波整流電壓波形如圖9.3所示。第9章直流穩(wěn)壓電源為分析簡單起見，把二極管當作理想元件處理97第9章直流穩(wěn)壓電源輸出電壓平均值（Uo）和輸出電流平均值（Io)，見式9.1和9.2所示。

(9.1)Io=Uo/RL=0.45U2/RLUDRM為半波整流電路中，二極管上的平均電流及承受的最高反向電壓，如圖9.4所示。第9章直流穩(wěn)壓電源輸出電壓平均值（Uo）和輸出電流平均值（98第9章直流穩(wěn)壓電源9.6單相全波整理電路的波形圖第9章直流穩(wěn)壓電源9.6單相全波整理電路的波形圖99第9章直流穩(wěn)壓電源二極管上的平均電流：ID=IO，承受的最S高反向電壓:脈動系數(shù)UO1M：輸出基波幅值；UO(av)：輸出平均電壓。半波整流電路的特點:負載上得到單方向的脈動電壓，由于電路只在u2的正半周有輸出，所以稱為半波整流電路。半波整流電路結構簡單，使用元件少，但整流效率低，輸出電壓脈動大，因此，它只使用于要求不高的場合。2、單相全波整流電路原理：變壓器副邊中心抽頭，感應出兩個相等的電壓u2,當u2正半周時，D1導通，D2截止。當u2負半周時，D2導通，D1截止。電路原理圖如圖9.5所示。圖9.6為單相全波整理電路的波形圖。第9章直流穩(wěn)壓電源二極管上的平均電流：ID=IO，承受的最100第9章直流穩(wěn)壓電源輸出電壓平均值（Uo）和輸出電流平均值（Io)如式（9.3）和（9.4）：二極管上的平均電流：ID=1/2IO,二極管承受的最高反向電壓：

第9章直流穩(wěn)壓電源輸出電壓平均值（Uo）和輸出電流平均值（101第9章直流穩(wěn)壓電源2、單相橋式整流電路電路組成：T為變壓器，VD1~VD2為四個整流二極管，也常稱為整流橋。圖9.7(a)為單相橋式電路的原理圖,9.7(b)為其簡化畫法。9.7單相橋式電路第9章直流穩(wěn)壓電源2、單相橋式整流電路9.7單相橋式電路102第9章直流穩(wěn)壓電源工作原理:設(1)u2正半周:VD1、VD2導通,VD2、VD4截止；即：(2)u2負半周:VD2、VD4導通,VD1、VD3截止；即：單相橋式整流電路的波形示意圖如圖9.8所示。

第9章直流穩(wěn)壓電源工作原理:設103第9章直流穩(wěn)壓電源圖9.8單相橋式整流電路的波形示意圖第9章直流穩(wěn)壓電源圖9.8單相橋式整流電路的波形示意圖104第9章直流穩(wěn)壓電源參數(shù)計算：(1)輸出平均電壓Uo（av）：輸出電壓Uo在一個周期中的平均值，如式(9.5)所示，即：(2)輸出平均電流Io（av）：(3)二極管承受的最高反向峰值電壓

第9章直流穩(wěn)壓電源參數(shù)計算：105第9章直流穩(wěn)壓電源(4)脈動系數(shù)S定義：整流輸出電壓的基波峰值Uo1M與Uo平均值之比。S越小越好。用傅氏級數(shù)對全波整流的輸出uo分解后可得(9.7),(9.8)為脈動系數(shù)。橋式整流電路的特點:同方向的電流流過負載電阻RL，故RL上得到單方向全波脈動的直流電壓?？梢?，橋式整流電路輸出電壓為半波整流電路輸出電壓的兩倍。橋式整流電路與半波整流電路相比較，其輸出電壓uo提高，脈動成分減小了。第9章直流穩(wěn)壓電源(4)脈動系數(shù)S定義：整流輸出電壓的基波106第9章直流穩(wěn)壓電源此外，將單相橋式整流電路的四只二極管制作在一起，封成一個器件稱為整流橋。常用的整流組合元件有半橋堆和全橋堆。半橋堆的內部是由兩個二極管組成，而全橋堆的內部是由四個二極管組成。集成硅整流橋符號和外形如圖9.9