简要复习模拟电子技术_基本元器件介绍

1. 二极管

• 二极管就是半导体材料被封装后，在PN结两端加上两个正负极引线制作而成。它具有单向导通性与伏安特性。

1.1 发光二极管

1.1.1 发光二极管实验

如下图所示，发光二极管LED1不亮，即电路设计存在问题。要想解决这个问题，首先要知道：

二极管导通后，它所分的电压值是0.7V；
发光二极管导通后，它所分的电压值为1~2V，在下面的电路中，发光二极管LED1分的电压值为1.752V。若想让发光二极管正常点亮，电流值应在5~20mA之间。

这时就可以发现，图中电路的电流值为4.787mA，不足5mA，因此发光二极管无法点亮。

为了让LED1点亮，要把电路的电流设计到5~20mA之内，因此我们选择10mA进行设计。
由图可知，电阻R1分得的电压为9.574V，为保证电路电流为10mA，电阻R1的阻值应为9.574/0.01 = 957.4Ω。其中电阻R1可称为限流电阻。
经过重新设计后的电路如下图所示。

图中发光二极管成功点亮。

1.1.2 总结

• 二极管导通后，它所分的电压值是0.7V。
• 发光二极管导通后，它所分的电压值为1~2V。发光二极管正常点亮时，电流值的范围为5~20mA。
• 当正向电压很小时，二极管不导通，当电压至少达到0.5V以上时，二极管导通。
• 二极管反向不导通，但是当所给的电压值超过它的反向击穿电压时，二极管也将导通。
• 应用中要注意二极管的反向最大电压值，防止二极管烧坏。

1.2 稳压二极管

• 稳压二极管就是能够稳定一定电压的二极管。
• 实施稳压的条件是：1. 工作在反向击穿状态；2. 反向电压应大于稳压电压
• 下图为稳压二极管的符号和实物。
  

1.2.1 稳压二极管电路分析

下图为稳压二极管的简单电路图。

• 在电路中加一个与稳压二极管串联的电阻R的原因：
  假设Ui为12V，稳压二极管的稳压值为5V，那么电阻RL的阻值也为5V，由KVL：12 - 5 = 7V，那么这产生的7V就要电阻R来承担。因此，稳压二极管的电路必须有一个电阻和稳压二极管串联。
• 电阻R阻值的确定方法：
  由稳压二极管的伏安特性曲线可知，若想使稳压二极管工作在稳压状态，其电流必须小于IZmax，大于IZmin，并且若想使稳压二极管工作在一个比较理想的状态下，电流的范围应该是4~8mA。据此，便可计算出R的阻值。
  

1.2.2 稳压二极管实验

设计稳压二极管电路如下图所示，开始仿真之后，发现发光二极管不亮，说明电路设计有问题。

添加万用表后继续仿真，仿真结果如下图所示。可以发现：稳压二极管的电流为1.777mA，未达到最优状态；发光二极管的电流为1.687mA，未达到5mA，因此发光二极管不亮。

为了解决此问题。首先对限流电阻R1的阻值进行设计，假设发光二极管的电流为10mA，因此R1阻值为3.374 / 0.01 = 337.4Ω。
再对串联电阻R2的阻值进行设计，假设稳压二极管的电流为6mA，由KCL可知，通过R2的电流为6 + 10 = 16mA，因此，R2的阻值为6.928 / 16 = 433Ω。
设计后的电路的仿真结果如下图所示。

图中发光二极管点亮。

1.2.3 总结

• 稳压二极管的使用形式为：稳压二极管和电阻进行串联。
• 稳压二极管要达到比较好的稳压效果，一定要注意稳压电流的选取。
• 在电路应用中，一定要注意串联电阻的阻值选择。

1.2.4 部分常用稳压二极管的主要参数

1.3 整流二极管

• 用于把交流电变为脉动直流电。

1.3.1 整流二极管电路分析

下图为整流二极管电路图。

下图即为整流二极管的输入波形与输出波形的对比。

1.4 开关二极管

• 是电路上为进行“开”，“关”作用而特殊设计的二极管。它由导通变为截止或由截止变为导通所需的时间比一般二极管要短。
• 在电路中主要防止反向电流烧坏一些精密器件，起到保护作用。

1.4.1 开关二极管应用电路的分析

2. 电容

• 电容是有两个电极板，和中间所夹的介质封装而成的，具有特定功能的电子器件。
• 具有旁路、去耦、滤波、储能的作用。

2.1 旁路电容的作用

• 使输入电压均匀化，减小噪声对后级的影响。
• 进行储能，当外界信号变化过快时，及时进行电压的补偿。

2.2 去耦（退耦）电容的作用

• 去耦电容和旁路电容的作用是类似的，都有滤除干扰信号的作用，只是旁路电容针对的是输入信号，而去耦电容针对的是输出信号。如下图所示。
  
• 去耦电容一般比较大，10μF或更大。旁路电容一般根据谐振频率，是0.1μF或0.01μF。

2.3 电容的滤波作用和储能作用

• 滤波作用：即滤除杂波，大电容滤低频，小电容滤高频。不同的电容值滤除的频率是不同的。
• 储能作用：即收集电荷。应用：例如给时钟芯片DS1302供电。

2.4 电容在电路中的连接问题

常用的电容有三种：铝电解电容、瓷片电容、独石电容。实物图如下图所示：

2.4.1 常用电容极性判断

• 铝电解电容：长脚为正极，短脚为负极。或者电容上标有银色负号的一边为负极。
• 瓷片电容和独石电容无极性，但设备生产中也有工艺要求。

2.4.2 应用中应该注意的问题

• 注意电容的耐压值。超出耐压值，可能会爆炸。
• 防止短接。短接的话可能会爆炸。

2.5 总结

• 电源上的电容作用一般是滤除电源电压的波动，小电容滤高频，大电容滤低频。并且还提供一定的电压储备，以备后续电路的需要。
• 对于一些干扰性强的环境，电容的加入可以减小很多电路控制上不必要的麻烦。
• 在使用电容时，要注意耐压值和反接的问题。
• 电容使用的取值大小可以参考别人的一些电路，很多都是工程上的一些经验。

3. 晶体三极管

• 晶体三极管是由半导体组成的具有三个电极的晶体管。
• 晶体三极管的结构图如下图所示：
  
• 晶体三极管是一种利用输入电流控制输出电流的电流控制型器件。
• 它具有三种状态：放大状态、饱和状态、截止状态。

3.1 晶体三极管的三种工作状态

3.1.1 放大状态

• 放大状态即，通入电流ib时，i_c = βi_b，i_e = (1 + β)i_b。
• 工作在放大状态的条件：发射结正偏，集电结反偏。
  所谓发射结正偏，即U_b > U_e。集电结反偏，即U_c > U_b。

3.1.2 截止状态

• 截止状态即，通入电流ib时，将不会产生ic，即三极管是断开的。
• 工作在截止状态的条件：发射结反偏或两端电压为零。
  即U_b < U_e或U_b = U_e时。

3.1.3 饱和状态

• 饱和状态即，当i_b很大时，i_e已经不受到i_b的控制了。
• 工作在饱和状态的条件：发射结和集电结均为正偏。
  即U_b > U_e且U_b > U_c时。

3.1.4 共射极的输入特性曲线和输出特性曲线

3.2 总结

• 放大状态：i_b = (V_cc - U_be) / R_b, i_c = βi_b, i_e = (1 + β)i_b。
  工作状态：1. i_b一定时，i_c的大小受U_ce影响很小。2. i_c的大小主要受i_b的控制。
• 截止状态：i_b = 0, i_c = 0, i_e = i_b + i_c = 0。
  工作状态：集电极和发射极之间相当于开路
• 饱和状态：i_b和i_c都很大，i_c不受i_b的控制，U_ce很小，相当于导线。工程上，我们认为，硅饱和导通的U_ce为0.3V，锗为0.1V。

3.3 三极管的主要参数

• 共射极电流放大系数β：一般为10~100倍，应用中一般取30~80为宜。因为放大系数过大，工作不稳定。
• 集电极最大允许电流I_CM，如果超过I_CM，将会导致三极管被烧毁。
• 集电极最大允许耗散功率P_CM
• 集电极-发射极间反向击穿电压V_(BR)CEO
  

4. 场效应管

• 场效应管是一种电压控制电流的器件。它有三个电极，栅极G，源极S，漏极D。

4.1 共源极的输入特性曲线和输出特性曲线

4.2 总结

• 可变电阻区：当U_DS比较小时I_D随U_GS的变化而变化。
• 恒流区：I_D随U_DS的变化很小，随U_GS的增大而增大。
• 截止区：当U_GS小于开启电压时，I_D等于零，场效应管不导通。
• 击穿区：当U_DS增大到一定值时，场效应管被击穿，I_D突然增大，如没有限流措施，管子将被烧坏。在场效应管使用中一定要注意，防止管子被击穿。
• 过损耗区：如果长时间工作在此区域，没有很好的散热措施的话，很可能由于功率较大，造成管子烧坏。所以在使用中一定要注意，管子的散热和最大功率。

4.3 三极管和场效应管的比较

4.4 场效应管的结构分类