《模擬電子線路》全套PPT課件

《模擬電子線路》全套PPT課件,模擬電子線路,模擬,電子線路,全套,PPT,課件 1模擬電子線路模擬電子線路2電子電路電子電路數字電路數字電路模擬電路模擬電路低頻電路（處理低頻信號）低頻電路（處理低頻信號）高頻電路（處理高頻信號）高頻電路（處理高頻信號）電子電路分類電子電路分類電子電路電子電路數字電路數字電路模擬電路模擬電路線性電路（處理小信號）線性電路（處理小信號）非線性電路（處理大信號）非線性電路（處理大信號）3內容簡介內容簡介第一章第一章 晶體二極管及其基本電路晶體二極管及其基本電路第二章第二章 雙極型晶體管及其放大電路雙極型晶體管及其放大電路第三章第三章 場效應管及其基本電路場效應管及其基本電路第五章第五章 集成運算放大器電路集成運算放大器電路第六章第六章 反饋反饋第四章第四章 頻率響應頻率響應第七章第七章 集成運放的應用集成運放的應用第八章第八章 功率放大電路功率放大電路第九章第九章 直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源4課程地位與課程體系課程地位與課程體系v是重要的學科基礎課是重要的學科基礎課v是電子信息類專業(yè)的主干課程是電子信息類專業(yè)的主干課程v是強調硬件應用能力的工程類課程是強調硬件應用能力的工程類課程v是工程師訓練的基本入門課程是工程師訓練的基本入門課程v是很多重點大學的考研課程是很多重點大學的考研課程很重要很重要!5掌握硬件本領掌握硬件本領v當前社會對于硬件工程師（特別是具有當前社會對于硬件工程師（特別是具有設計開發(fā)能力的工程師）需求量很大。設計開發(fā)能力的工程師）需求量很大。v培養(yǎng)硬件工程師比較困難。培養(yǎng)硬件工程師比較困難。v學好并掌握硬件本領將使你基礎實，起學好并掌握硬件本領將使你基礎實，起點高，發(fā)展大，受益無窮！點高，發(fā)展大，受益無窮！很有用很有用!6這門課的特點這門課的特點v涉及相關知識較多：高等數學、電路涉及相關知識較多：高等數學、電路分析、信號與系統(tǒng)等分析、信號與系統(tǒng)等v曾有人戲稱模擬電子電路為曾有人戲稱模擬電子電路為“魔鬼電魔鬼電路路”，簡稱，簡稱“魔電魔電”。很難學很難學!7學習方法學習方法“過四關過四關”v基本器件關基本器件關-電路構成電路構成v工程近似關工程近似關-分析方法分析方法vEDA應用關應用關-設計能力設計能力v實驗動手關實驗動手關-實踐應用實踐應用8 以電阻串、并聯為例來進以電阻串、并聯為例來進行說明行說明 a a 若兩電阻若兩電阻R1、R2 串聯，串聯，如果如果R1 R2（一般（一般R1大大十倍以上即可），則可忽十倍以上即可），則可忽略略R2 。即：。即：R=R1+R2R1 。、近似計算（估算）、近似計算（估算）9b、若兩電阻若兩電阻R1、R2 并聯，如果并聯，如果R1 R2（R1大十倍以上即可）大十倍以上即可），則可忽略，則可忽略R1 。即：。即：R=R1|R2R2 。10、交、直流源同時出現在電路中時，采用疊加原理、交、直流源同時出現在電路中時，采用疊加原理vO=vo2+VO1求求vo2的過程稱為的過程稱為動態(tài)分析動態(tài)分析求求VO1的的過程過程稱為靜態(tài)分析稱為靜態(tài)分析最后利用疊加原理得最后利用疊加原理得直流等效電路直流等效電路交流等效電路交流等效電路11例一：電路如下圖，求例一：電路如下圖，求vOvo=vo1+vo2=es第一步：靜態(tài)分析第一步：靜態(tài)分析vo2=es畫直流等效電路，求畫直流等效電路，求vo1vo1=0V第二步：動態(tài)分析第二步：動態(tài)分析畫交流等效電路，求畫交流等效電路，求vo212例二：電路如下圖，求例二：電路如下圖，求VO1、VO2第一步：靜態(tài)分析第一步：靜態(tài)分析畫直流等效電路，求畫直流等效電路，求Vo1、Vo2第二步：動態(tài)分析第二步：動態(tài)分析畫交流等效電路，求畫交流等效電路，求vo2、vo213、非線性元件有條件的線性化?？?、非線性元件有條件的線性化?？蓪⒎蔷€性電路化為線性電路。將非線性電路化為線性電路。二極管的特性二極管的特性 三極管的特性三極管的特性IC VCE I V 14考試成績評定考試成績評定v平時平時30%v期末期末70%151 孫肖子孫肖子 等編等編,模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎,西安西安:西安電西安電子科技大學出版社子科技大學出版社,2001.2 康華光主編電子技術基礎（模擬部分，第四康華光主編電子技術基礎（模擬部分，第四版），北京：高等教育出版社，版），北京：高等教育出版社，19883 謝嘉奎主編電子線路（線性部分，第四版），謝嘉奎主編電子線路（線性部分，第四版），北京：高等教育出版社，北京：高等教育出版社，1999參考書參考書16第一章第一章 晶體二極管及其基本電路晶體二極管及其基本電路1-1 半導體物理基礎知識半導體物理基礎知識導體導體 104s/cm半導體半導體在在10-9104s/cm間間絕緣體絕緣體7V時為雪崩擊穿；時為雪崩擊穿；UBR 5V時為時為齊納擊穿；齊納擊穿；UBR介于介于57V時，兩種擊穿都有。時，兩種擊穿都有。68擊穿的可逆性擊穿的可逆性v電擊穿是電擊穿是可逆的可逆的（可恢復，當有限流電阻時）（可恢復，當有限流電阻時）。v電擊穿后如無限流措施，將發(fā)生熱擊穿電擊穿后如無限流措施，將發(fā)生熱擊穿現象?，F象。v熱擊穿會破壞熱擊穿會破壞PNPN結結構（燒壞）結結構（燒壞）v熱擊穿是熱擊穿是 不可逆不可逆 的。的。691-2-4 PN結的電容特性結的電容特性 PN 結的耗盡區(qū)與平板電容器相似，外加電結的耗盡區(qū)與平板電容器相似，外加電壓變化，耗盡區(qū)的寬度變化，則耗盡區(qū)中的正負壓變化，耗盡區(qū)的寬度變化，則耗盡區(qū)中的正負離子數目變化，即存儲的電荷量變化。離子數目變化，即存儲的電荷量變化。一、一、勢壘電容勢壘電容CT70多子擴散多子擴散在對方區(qū)形成非平衡少子的濃度分布在對方區(qū)形成非平衡少子的濃度分布曲線曲線偏置電壓變化偏置電壓變化分布曲線變化分布曲線變化非平衡少非平衡少子變化子變化電荷變化。電荷變化。二、擴散電容二、擴散電容CD71圖圖112 P區(qū)少子濃度分布曲線區(qū)少子濃度分布曲線 72結電容結電容Cj=CT+CD結結 論論因為因為CT和和CD并不大，所以在高頻工作時，才考并不大，所以在高頻工作時，才考慮它們的影響。慮它們的影響。正偏時以擴散電容正偏時以擴散電容CD為主，為主，Cj CD，其值通常為幾十至幾百其值通常為幾十至幾百pF；反偏時以勢壘電容反偏時以勢壘電容CT為主，為主，Cj CT,其值通常為幾至幾十其值通常為幾至幾十pF。（如：。（如：變容二極變容二極管管）731-3 晶體二極管及其基本電路晶體二極管及其基本電路PN結加上電極引線和管殼就形成晶體二極管。結加上電極引線和管殼就形成晶體二極管。圖圖1-13 晶體二極管結構示意圖及電路符號晶體二極管結構示意圖及電路符號 P區(qū)區(qū)N區(qū)區(qū)正極正極負極負極（a）結構示意圖）結構示意圖（b）電路符號）電路符號PN正極正極負極負極741-3-1 二極管特性曲線二極管特性曲線二極管特性曲二極管特性曲線與線與PN結基本結基本相同，略有差相同，略有差異。異。圖圖1-14 二極管伏安特性曲線二極管伏安特性曲線 i/mAu/V(A)0102030-5-10-0.50.5硅硅 二二 極極 管管75一、正向特性一、正向特性硅硅:UD(on)=0.7V；1.導通電壓或死區(qū)電壓導通電壓或死區(qū)電壓2.曲線分段：曲線分段：鍺鍺:UD(on)=0.3V。3.小功率二極管正常工作的電流范圍內，管壓降小功率二極管正常工作的電流范圍內，管壓降變化比較小。變化比較小。指數段（小電流時）、直線段（大電流時）。指數段（小電流時）、直線段（大電流時）。一般硅：一般硅：0.60.8V，鍺：，鍺：0.10.3V。i/mAu/V(A)0102030-5-10-0.50.5硅硅 二二 極極 管管76二、反向特性二、反向特性2.小功率二極管的小功率二極管的反向電流很小。反向電流很小。一般硅管一般硅管0.1 A，鍺，鍺管管幾十微安。幾十微安。1.反向電壓加大時，反反向電壓加大時，反向電流也略有增大。向電流也略有增大。i/mAu/V(A)0102030-5-10-0.50.5硅硅 二二 極極 管管771-3-2 二極管的主要參數二極管的主要參數一、直流電阻一、直流電阻 圖圖1-15 二極管電阻的幾何意義二極管電阻的幾何意義IDUDQ1RD=UD/IDRD 的的幾何意義幾何意義：iu0Q2(a)直流電阻直流電阻RDQ點到原點直線斜率的倒數。點到原點直線斜率的倒數。RD不是恒定的不是恒定的，正向的，正向的RD隨工隨工作電流增大而減小，反向的作電流增大而減小，反向的RD隨反向電壓的增大而增大。隨反向電壓的增大而增大。781.正向電阻：幾百歐姆；正向電阻：幾百歐姆；反向電阻：幾百千歐姆；反向電阻：幾百千歐姆；2.Q點不同，測出的電阻也不同；點不同，測出的電阻也不同；結結 論論 因此，因此，PN結具有單向導電特性。結具有單向導電特性。79二二、交流電阻、交流電阻二極管在其工作狀態(tài)二極管在其工作狀態(tài)(I DQ,UDQ)下的電壓微變量下的電壓微變量與電流微變量之比。與電流微變量之比。iu0Q i u(b)交流電阻交流電阻rDrD 的的幾何意義幾何意義:Q(IDQ,UDQ)點處切線斜率的倒數。點處切線斜率的倒數。80與與IDQ成反比，并與溫度有關。成反比，并與溫度有關。81例：例：已知已知D為為Si二極管，流過二極管，流過D的直流電流的直流電流ID=10mA，交流電壓有效值，交流電壓有效值 U=10mV，求室溫下，求室溫下流過流過D的交流電流有效值的交流電流有效值 I=?10VDR0.93K UID解：交流電阻解：交流電阻交流電流有效值為：交流電流有效值為：82三、最大整流電流三、最大整流電流 I F四四、最大反向工作電壓最大反向工作電壓 URM五五、反向電流反向電流IR允許通過的最大正向平均電流。允許通過的最大正向平均電流。通常取通常取U(BR)的一半，超過的一半，超過U(BR)容易發(fā)生反容易發(fā)生反向擊穿。向擊穿。未擊穿時的反向電流。未擊穿時的反向電流。IR越小，單向導電性越小，單向導電性能越好能越好。83六六、最高工作頻率最高工作頻率 f M 需要指出，手冊中給出的一般為典型值，需需要指出，手冊中給出的一般為典型值，需要時應通過實際測量得到準確值。要時應通過實際測量得到準確值。工作頻率超過工作頻率超過 f M時，二極管的單向導電性能時，二極管的單向導電性能變壞。變壞。84v對對電電子子線線路路進進行行分分析析(定定量量分分析析)時時,電電路路中中的的實實際際器器件件必必須須用用相相應應的的電電路路模模型型來來等效表示，這稱為：等效表示，這稱為：“建模建?！薄計算機輔助分析計算要使用管子的模型。計算機輔助分析計算要使用管子的模型。一、一、二極管的大信號等效電路二極管的大信號等效電路1-3-3 晶體二極管模型晶體二極管模型85由于二極管的非線性特由于二極管的非線性特性，當電路加入二極管時，性，當電路加入二極管時，便成為非線性電路。實際應便成為非線性電路。實際應用時可根據二極管的應用條用時可根據二極管的應用條件作合理近似，得到相應的件作合理近似，得到相應的等效電路，化為線性電路等效電路，化為線性電路非線性非線性近似近似線性線性 i/mAu/V(A)0102030-5-10-0.50.5硅硅 二二 極極 管管86圖圖1-16 二極管特性的折線近似及電路模型二極管特性的折線近似及電路模型硅管：硅管：UD(on).7 V 鍺管：鍺管：UD(on).3 ViA1uBUD(on)C0（a)折線近似特性折線近似特性UUD(on)U UD(on)12UD(on)rD(on)（b)近似電路模型近似電路模型87圖圖1-16 二極管特性的折線近似及電路模型二極管特性的折線近似及電路模型iAuBUD(on)C0（a)折線近似特性折線近似特性UUD(on)U UD(on)12UD(on)（c)簡化電路模型簡化電路模型88圖圖1-16 二極管特性的折線近似及電路模型二極管特性的折線近似及電路模型iA2uB0C0（a)折線近似特性折線近似特性U0U 012（d)理想電路模型理想電路模型89二極管大信號模型二極管大信號模型v以以上上三三種種電電路路模模型型(近近似似、簡簡化化、理理想想)均均為二極管線性化模型。為二極管線性化模型。v對不同電路模型可在不同需求時采用。對不同電路模型可在不同需求時采用。90一、二極管整流電路一、二極管整流電路v把交流電轉變?yōu)橹绷麟姺Q為把交流電轉變?yōu)橹绷麟姺Q為“整流整流”。v反之稱為反之稱為“逆變逆變”。整流整流交流電交流電直流電直流電逆變逆變1-3-4 二極管基本應用電路二極管基本應用電路91圖圖1-17 1-17 二極管半波整流電路及波形二極管半波整流電路及波形t tu ui i0 0 u uo ot t0 0(b)(b)輸入、輸出波形關系輸入、輸出波形關系V VR RL Lu ui iu uo o(a)a)電路電路 二極管二極管近似為理想模型近似為理想模型 思考：思考：二極管二極管近似為簡化模型的電路輸出？近似為簡化模型的電路輸出？92u ui it t0 010V0.7V93二、二極管限幅電路二、二極管限幅電路v又稱為：又稱為：“削波電路削波電路”。v能能夠夠把把輸輸入入電電壓壓變變化化范范圍圍加加以以限限制制，常用于波形變換和整形。常用于波形變換和整形。94圖圖1-20 1-20 二極管上限幅電路及波形二極管上限幅電路及波形(b)(b)輸入、輸出波形關系輸入、輸出波形關系t t0 0 u uo o/V/V2.72.7-5-5t t u ui i/V/V0 0-5-55 5(a)a)電路電路E E2 2V VV VR Ru ui iu uo o 二極管二極管近似為簡化模型近似為簡化模型95判別原則：判別原則：ui-E UD(ON)時時,V 導通，否則截止。導通，否則截止。當當當當u i 2.7V,V導通導通，uo=E+0.7=2.7 V 當當u i 2.7V時時,V截止，即開路截止，即開路，uo=u i。即：即：即：即：E E2 2V VV VR Ru ui iu uo o96三、二極管電平選擇電路三、二極管電平選擇電路v能能夠夠從從多多路路輸輸入入信信號號中中選選出出最最低低電電平平或或最高電平的電路稱為電平選擇電路。最高電平的電路稱為電平選擇電路。97輸入數字量時為與邏輯。輸入數字量時為與邏輯。5V981.穩(wěn)壓二極管的正向特性、反向特性與普通二極穩(wěn)壓二極管的正向特性、反向特性與普通二極管基本相同，區(qū)別僅在于反向擊穿時，特性曲線管基本相同，區(qū)別僅在于反向擊穿時，特性曲線更加陡峭更加陡峭。2.穩(wěn)壓管在反向擊穿后，能通過調節(jié)自身電流，穩(wěn)壓管在反向擊穿后，能通過調節(jié)自身電流，實現穩(wěn)定電壓的功能。實現穩(wěn)定電壓的功能。電壓幾乎不變，為電壓幾乎不變，為-UZ。即當即當一、穩(wěn)壓二極管的特性一、穩(wěn)壓二極管的特性1-3-5 穩(wěn)壓二極管及穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓二極管及穩(wěn)壓電路99圖圖1-21 穩(wěn)壓穩(wěn)壓二極管及其特性曲線二極管及其特性曲線(a)電路符號i/mAu/V IZmax0-UZ IZmin(b)伏安特性曲線100二、穩(wěn)壓二極管主要參數二、穩(wěn)壓二極管主要參數v穩(wěn)壓電壓穩(wěn)壓電壓 UZv額定功耗額定功耗 Pzv穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流 Izv動態(tài)電阻動態(tài)電阻 rzv溫度系數溫度系數 101穩(wěn)壓電壓穩(wěn)壓電壓UZv指管子長期穩(wěn)定時的工作電壓值。指管子長期穩(wěn)定時的工作電壓值。102額定功耗額定功耗Pzv與材料、結構、工藝有關。與材料、結構、工藝有關。v使用時不允許超過此值。使用時不允許超過此值。103穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流Izv穩(wěn)穩(wěn)壓壓二二極極管管正正常常工工作作時的參考電流。時的參考電流。vIZminIZIZmax,如如 果果電電流流小小于于IZmin時時，不不能能穩(wěn)穩(wěn)壓壓，大大于于IZmax時，容易燒壞管子。時，容易燒壞管子。i/mAu/V IZmax0-UZ IZmin(b)伏安特性曲線104動態(tài)電阻動態(tài)電阻rzv是是在在擊擊穿穿狀狀態(tài)態(tài)下下,管管子子兩兩端端電電壓壓變變化化量量與與電流變化量的比值。電流變化量的比值。v反反映映在在特特性性曲曲線線上上，是是工工作作點點處處切切線線斜斜率率的倒數。的倒數。v一一般般為為幾幾歐歐姆姆到到幾幾十歐姆（越小越好）。十歐姆（越小越好）。i/mAu/V IZmax0-UZ IZmin(b)伏安特性曲線105溫度系數溫度系數 v指管子穩(wěn)定電壓受溫度影響的程度。指管子穩(wěn)定電壓受溫度影響的程度。v7V是正溫系數是正溫系數(雪崩擊穿雪崩擊穿)；v5V是負溫系數是負溫系數(齊納擊穿齊納擊穿)；v57V溫度系數最小。溫度系數最小。106所謂穩(wěn)壓指當所謂穩(wěn)壓指當Ui、RL變化時，變化時，UO保持恒定。保持恒定。圖圖1-22 穩(wěn)壓穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路二極管穩(wěn)壓電路R ILIZVZ RLUiUo三、穩(wěn)壓三、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路二極管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓原理穩(wěn)壓原理：若若Ui不變，不變，RLIzILUO基本不變；基本不變；若若RL不變，不變，UiIzURUO基本不變基本不變 107限流電阻限流電阻R的選擇：的選擇：選擇選擇R的限制條件：當的限制條件：當Ui、RL變化時，變化時，Iz應滿應滿足足IzminIzIzmax 設外界條件為設外界條件為:UiminUiUimax；RLminRLRLmax 圖圖1-22 穩(wěn)壓穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路二極管穩(wěn)壓電路R ILIZVZ RLUiUo108圖圖1-22 穩(wěn)壓穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路二極管穩(wěn)壓電路R ILIZVZ RLUiUo分析過程：分析過程：根據電路：根據電路：Iz何時取最大值？何時取最大值？ui=Uimax，RL=RLmax109圖圖1-22 穩(wěn)壓穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路二極管穩(wěn)壓電路R ILIZVZ RLUiUo110圖圖1-22 穩(wěn)壓穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路二極管穩(wěn)壓電路R ILIZVZ RLUiUoIz何時取最小值？何時取最小值？ui=Uimin，RL=RLmin111Rmin R 00V Vappliedapplied00thediodeisinforwardbias0thediodeisinforwardbiasandisactinglikeaperfectconductorso:andisactinglikeaperfectconductorso:IID D=V=VA A/R/RS S=5V/50=5V/50 =100mA=100mAb)WithVb)WithVA A0thediodeisinreversebias0thediodeisinforwardbias0thediodeisinforwardbiasandisactinglikeaperfectconductorandisactinglikeaperfectconductorsowriteaKVLequationtofindIsowriteaKVLequationtofindID D:0=V0=VA AIID DR RS S-V-V I ID D=V=VA A-V-V =4.7V=4.7V=94mA=94mARRS S5050 V V +V V +134DiodeCircuitModelsTheIdealDiodeTheIdealDiodewithBarrierwithBarrierPotentialandPotentialandLinearForwardLinearForwardResistanceResistanceThismodelisthemostaccurateofthethree.ItincludesaThismodelisthemostaccurateofthethree.Itincludesalinearforwardresistancethatiscalculatedfromtheslopeoflinearforwardresistancethatiscalculatedfromtheslopeofthelinearportionofthetransconductancethelinearportionofthetransconductancecurve.However,curve.However,thisisusuallynotnecessarysincetheRthisisusuallynotnecessarysincetheRF F(forward(forwardresistance)valueisprettyconstant.Forlow-powerresistance)valueisprettyconstant.Forlow-powergermaniumandsilicondiodestheRgermaniumandsilicondiodestheRF Fvalueisusuallyinthevalueisusuallyinthe2to5ohmsrange,whilehigherpowerdiodeshaveaR2to5ohmsrange,whilehigherpowerdiodeshaveaRF F valuecloserto1ohm.valuecloserto1ohm.LinearPortionofLinearPortionoftransconductancetransconductance curvecurveV VD DI ID DV VDDI IDDR RF F=V VD DI ID DKristinAckerson,VirginiaTechEEKristinAckerson,VirginiaTechEESpring2002Spring2002+V V R RF F135DiodeCircuitModelsTheIdealDiodeTheIdealDiodewithBarrierwithBarrierPotentialandPotentialandLinearForwardLinearForwardResistanceResistanceKristinAckerson,VirginiaTechEEKristinAckerson,VirginiaTechEESpring2002Spring2002Example:Assumethediodeisalow-powerdiodeExample:Assumethediodeisalow-powerdiodewithaforwardresistancevalueof5ohms.Thewithaforwardresistancevalueof5ohms.Thebarrierpotentialvoltageisstill:Vbarrierpotentialvoltageisstill:V =0.3volts(typical=0.3volts(typicalforagermaniumdiode)DeterminethevalueofIforagermaniumdiode)DeterminethevalueofID DififV VA A=5volts.=5volts.+_ _V VA AI ID DR RSS=50=50 V V +R RF FOnceagain,writeaKVLequationOnceagain,writeaKVLequationforthecircuit:forthecircuit:0=V0=VA AIID DR RS S-V V -I-ID DR RF FI ID D=V=VA A-V V =50.3=85.5mA=50.3=85.5mAR RS S+R+RF F50+550+5136DiodeCircuitModelsKristinAckerson,VirginiaTechEEKristinAckerson,VirginiaTechEESpring2002Spring2002ValuesofIDfortheThreeDifferentDiodeCircuitModelsValuesofIDfortheThreeDifferentDiodeCircuitModelsIdealDiodeModelIdealDiodeModelwithBarrierPotentialVoltageIdealDiodeModelwithBarrierPotentialandLinearForwardResistanceID100mA94mA85.5mAThesearethevaluesfoundintheexamplesonpreviousThesearethevaluesfoundintheexamplesonpreviousslideswheretheappliedvoltagewas5volts,thebarrierslideswheretheappliedvoltagewas5volts,thebarrierpotentialwas0.3voltsandthelinearforwardresistancepotentialwas0.3voltsandthelinearforwardresistancevaluewasassumedtobe5ohms.valuewasassumedtobe5ohms.137TheQPointKristinAckerson,VirginiaTechEEKristinAckerson,VirginiaTechEESpring2002Spring2002TheoperatingpointorQpointofthediodeisthequiescentorno-TheoperatingpointorQpointofthediodeisthequiescentorno-signalcondition.TheQpointisobtainedgraphicallyandisreallyonlysignalcondition.TheQpointisobtainedgraphicallyandisreallyonlyneededwhentheappliedvoltageisveryclosetothediodesbarrierneededwhentheappliedvoltageisveryclosetothediodesbarrierpotentialvoltage.Theexamplepotentialvoltage.Theexample3 3belowthatiscontinuedonthenextbelowthatiscontinuedonthenextslide,showshowtheQpointisdeterminedusingtheslide,showshowtheQpointisdeterminedusingthetransconductancetransconductancecurveandtheloadline.curveandtheloadline.+_ _V VA A=6V=6VI ID DR RSS=1000=1000 V V +FirsttheloadlineisfoundbysubstitutinginFirsttheloadlineisfoundbysubstitutingindifferentvaluesofVdifferentvaluesofV intotheequationforIintotheequationforIDDusingusingtheidealdiodewithbarrierpotentialmodelforthetheidealdiodewithbarrierpotentialmodelforthediode.WithRdiode.WithRS Sat1000ohmsthevalueofRat1000ohmsthevalueofRF F wouldnthavemuchimpactontheresults.wouldnthavemuchimpactontheresults.I IDD=V=VAAVV RRS SUsingVUsingV valuesof0voltsand1.4voltsweobtainvaluesof0voltsand1.4voltsweobtainI IDDvaluesof6mAand4.6mArespectively.Nextvaluesof6mAand4.6mArespectively.Nextwewilldrawthelineconnectingthesetwopointswewilldrawthelineconnectingthesetwopointsonthegraphwiththetransconductanceonthegraphwiththetransconductancecurve.curve.Thislineistheloadline.Thislineistheloadline.138TheQPointI ID D(mA(mA)V VD D(Volts)(Volts)2 24 46 68 8101012120.20.20.40.40.60.60.80.81.01.01.21.21.41.4TheThetransconductancetransconductancecurvebelowisforacurvebelowisforaSilicondiode.TheSilicondiode.TheQpointinthisQpointinthisexampleislocatedexampleislocatedat0.7Vand5.3mAat0.7Vand5.3mA.4.64.6KristinAckerson,VirginiaTechEEKristinAckerson,VirginiaTechEESpring2002Spring20020.70.75.35.3QPoint:QPoint:TheintersectionoftheTheintersectionoftheloadlineandtheloadlineandthetransconductancetransconductancecurve.curve.139CapacitanceandVoltageofPNJunctionsDiodeOperationAnimationDiodeOperationAnimationWebpageLinkWebpageLink140DynamicResistanceKristinAckerson,VirginiaTechEEKristinAckerson,VirginiaTechEESpring2002Spring2002ThedynamicresistanceofthediodeismathematicallydeterminedThedynamicresistanceofthediodeismathematicallydeterminedastheinverseoftheslopeofthetransconductanceastheinverseoftheslopeofthetransconductancecurve.curve.Therefore,theequationfordynamicresistanceis:Therefore,theequationfordynamicresistanceis:r rF F=V VT TI ID DThedynamicresistanceisusedindeterminingthevoltagedropThedynamicresistanceisusedindeterminingthevoltagedropacrossthediodeinthesituationwhereavoltagesourceisacrossthediodeinthesituationwhereavoltagesourceissupplyingasinusoidalsignalwithadcoffset.supplyingasinusoidalsignalwithadcoffset.TheaccomponentofthediodevoltageisfoundusingtheTheaccomponentofthediodevoltageisfoundusingthefollowingequation:followingequation:v vF F=v=vacacr rF F r rF F+R+RS SThevoltagedropthroughthediodeisacombinationoftheacandThevoltagedropthroughthediodeisacombinationoftheacanddccomponentsandisequalto:dccomponentsandisequalto:V VD D=V=V +v+vF F141DynamicResistanceKristinAckerson,VirginiaTechEEKristinAckerson,VirginiaTechEESpring2002Spring2002Example:Example:UsethesamecircuitusedfortheQpointexamplebutchangeUsethesamecircuitusedfortheQpointexamplebutchangethevoltagesourcesoitisanacsourcewithadcoffset.Thesourcethevoltagesourcesoitisanacsourcewithadcoffset.Thesourcevoltageisnow,vvoltageisnow,vinin=6+sin(wt)Volts.Itisasilicondiodesothebarrier=6+sin(wt)Volts.Itisasilicondiodesothebarrierpotentialvoltageisstill0.7volts.potentialvoltageisstill0.7volts.+v vininI ID DR RSS=1000=1000 V V +TheDCcomponentofthecircuitistheTheDCcomponentofthecircuitisthesameasthepreviousexampleandsameasthepreviousexampleandthereforeIthereforeID D=6V0.7V6V0.7V=5.2mA=5.2mA10001000 r rF F=V VTT=1*26mV1*26mV=4.9=4.9 I IDD5.3mA5.3mA =1isagoodapproximationifthedc=1isagoodapproximationifthedccurrentisgreaterthan1mAcurrentisgreaterthan1mAasitisinthisasitisinthisexample.example.v vF F=v=vacacrrF F=sin(wt)V4.9=sin(wt)V4.9 =4.88sin(wt)mV=4.88sin(wt)mVrrF F+R+RS S4.94.9 +1000+1000 Therefore,VTherefore,VD D=700+4.9sin(wt)mV(thevoltagedropacrossthe=700+4.9sin(wt)mV(thevoltagedropacrossthediode)diode)142KristinAckerson,VirginiaTechEEKristinAckerson,VirginiaTechEESpring2002Spring2002TypesofDiodesandTheirUsesPNJunctionPNJunctionDiodes:Diodes:AreusedtoallowcurrenttoflowinonedirectionAreusedtoallowcurrenttoflowinonedirectionwhileblockingcurrentflowintheoppositewhileblockingcurrentflowintheoppositedirection.Thepndirection.Thepnjunctiondiodeisthetypicaldiodejunctiondiodeisthetypicaldiodethathasbeenusedinthepreviouscircuits.thathasbeenusedinthepreviouscircuits.A AK KSchematicSymbolforaPNSchematicSymbolforaPNJunctionDiodeJunctionDiodeP Pn nRepresentativeStructureforRepresentativeStructureforaPNJunctionDiodeaPNJunctionDiodeZenerZenerDiodes:Diodes:ArespecificallydesignedtooperateunderreverseArespecificallydesignedtooperateunderreversebreakdownconditions.Thesediodeshaveaverybreakdownconditions.Thesediodeshaveaveryaccurateandspecificreversebreakdownvoltage.accurateandspecificreversebreakdownvoltage.A AK KSchematicSymbolforaSchematicSymbolforaZenerZenerDiodeDiode143TypesofDiodesandTheirUsesKristinAckerson,VirginiaTechEEKristinAckerson,VirginiaTechEESpring2002Spring2002SchottkySchottky Diodes:Diodes:ThesediodesaredesignedtohaveaveryfastThesediodesaredesignedtohaveaveryfastswitchingtimewhichmakesthemagreatdiodeforswitchingtimewhichmakesthemagreatdiodefordigitalcircuitapplications.Theyareverycommondigitalcircuitapplications.Theyareverycommonincomputersbecauseoftheirabilitytobeswitchedincomputersbecauseoftheirabilitytobeswitchedonandoffsoquickly.onandoffsoquickly.A AK KSchematicSymbolforaSchematicSymbolforaSchottkySchottkyDiodeDiodeShockleyShockleyDiodes:Diodes:TheShockleydiodeisafour-layerdiodewhileotherTheShockleydiodeisafour-layerdiodewhileotherdiodesarenormallymadewithonlytwolayers.diodesarenormallymadewithonlytwolayers.ThesetypesofdiodesaregenerallyusedtocontrolThesetypesofdiodesaregenerallyusedtocontroltheaveragepowerdeliveredtoaload.theaveragepowerdeliveredtoaload.A AK KSchematicSymbolforaSchematicSymbolforafour-layerShockleyDiodefour-layerShockleyDiode144TypesofDiodesandTheirUsesKristinAckerson,VirginiaTechEEKristinAckerson,VirginiaTechEESpring2002Spring2002Light-EmittingLight-EmittingDiodes:Diodes:Light-emittingdiodesaredesignedwithaverylargeLight-emittingdiodesaredesignedwithaverylargebandgapsomovementofcarriersacrosstheirbandgapsomovementofcarriersacrosstheirdepletionregionemitsphotonsoflightenergy.depletionregionemitsphotonsoflightenergy.LowerbandgapLEDs(Light-EmittingDiodes)emitLowerbandgapLEDs(Light-EmittingDiodes)emitinfraredradiation,whileLEDswithhigherbandgapinfraredradiation,whileLEDswithhigherbandgapenergyemitvisiblelight.Manystoplightsarenowenergyemitvisiblelight.ManystoplightsarenowstartingtouseLEDsstartingtouseLEDsbecausetheyareextremelybecausetheyareextremelybrightandlastlongerthanregularbulbsforabrightandlastlongerthanregularbulbsforarelativelylowcost.relativelylowcost.A AK KSchematicSymbolforaSchematicSymbolforaLight-EmittingDiodeLight-EmittingDiodeThearrowsintheLEDThearrowsintheLEDrepresentationindicaterepresentationindicateemittedlight.emittedlight.145TypesofDiodesandTheirUsesKristinAckerson,VirginiaTechEEKristinAckerson,VirginiaTechEESpring2002Spring2002Photodiodes:Photodiodes:WhileLEDsemitlight,PhotodiodesaresensitivetoWhileLEDsemitlight,Photodiodesaresensitivetoreceivedlight.Theyareconstructedsotheirpnreceivedlight.Theyareconstructedsotheirpn junctioncanbeexposedtotheoutsidethroughajunctioncanbeexposedtotheoutsidethroughaclearwindoworlens.clearwindoworlens.InPhotoconductivemodethesaturationcurrentInPhotoconductivemodethesaturationcurrentincreasesinproportiontotheintensityoftheincreasesinproportiontotheintensityofthereceivedlight.ThistypeofdiodeisusedinCDreceivedlight.ThistypeofdiodeisusedinCDplayers.players.InPhotovoltaicmode,whenthepnInPhotovoltaicmode,whenthepnjunctionisjunctionisexposedtoacertainwavelengthoflight,thediodeexposedtoacertainwavelengthoflight,thediodegeneratesvoltageandcanbeusedasanenergygeneratesvoltageandcanbeusedasanenergysource.Thistypeofdiodeisusedinthesource.Thistypeofdiodeisusedintheproductionofsolarpower.productionofsolarpower.A AK KA AK KSchematicSymbolsforSchematicSymbolsforPhotodiodesPhotodiodes 146SourcesDailey,Denton.Dailey,Denton.ElectronicDevicesandCircuits,DiscreteandIntegrated.ElectronicDevicesandCircuits,DiscreteandIntegrated.PrenticeHall,NewPrenticeHall,NewJersey:2001.(pp2-37,752-753)Jersey:2001.(pp2-37,752-753)22Figure1.10.ThediodetransconductanceFigure1.10.Thediodetransconductancecurve,pg.7curve,pg.7Figure1.15.Determinationoftheaverageforwardresistanceofadiode,pg11Figure1.15.Determinationoftheaverageforwardresistanceofadiode,pg113 3Examplefrompages13-14Examplefrompages13-14LiouLiou,J.J.andYuan,J.S.SemiconductorDevicePhysicsandSimulation.PlenumPress,J.J.andYuan,J.S.SemiconductorDevicePhysicsandSimulation.PlenumPress,NewYork:1998.NewYork:1998.NeamenNeamen,Donald.,Donald.SemiconductorPhysics&Devices.BasicPrinciples.SemiconductorPhysics&Devices.BasicPrinciples.McGraw-Hill,McGraw-Hill,Boston:1997.(pp1-15,211-234)Boston:1997.(pp1-15,211-234)1 1Figure6.2.Thespacechargeregion,theelectricfield,andtheforcesactingonFigure6.2.Thespacechargeregion,theelectricfield,andtheforcesactingonthechargedcarriers,pg213.thechargedcarriers,pg213.KristinAckerson,VirginiaTechEEKristinAckerson,VirginiaTechEESpring2002Spring2002147RobertBoylestadDigital ElectronicsCopyright2002byPearsonEducation,I