二极管三极管光耦.docx
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二极管三极管光耦
二极管、三极管、光耦
本文主要介绍、二极管三极管和光耦的一些基本特性，及一些使用情况介绍。
1二极管
1.1二极管的工作原理
晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。
当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。
当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。
当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。
当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。
二极管的符号如图：
1.2二极管的主要参数
●正向电流IF：
在额定功率下，允许通过二极管的电流值。
●正向电压降VF：
二极管通过额定正向电流时，在两极间所产生的电压降。
●最大整流电流（平均值）IOM：
在半波整流连续工作的情况下，允许的最大半波电流的平均值。
●反向击穿电压VB：
二极管反向电流急剧增大到出现击穿现象时的反向电压值。
●正向反向峰值电压VRM：
二极管正常工作时所允许的反向电压峰值，通常VRM为VB的三分之二或略小一些。
●反向电流IR：
在规定的反向电压条件下流过二极管的反向电流值。
●结电容C：
电容包括电容和扩散电容，在高频场合下使用时，要求结电容小于某一规定数值。
●最高工作频率FM：
二极管具有单向导电性的最高交流信号的频率。
1.3二极管的特性
二极管最主要的特性是单向导电性。
其他如下：
●正向特性
当正向电压低于某一数值时，正向电流很小，只有当正向电压高于某一值时，二极管才有明显的正向电流，这个电压被称为导通电压，我们又称它为门限电压或死区电压，一般用Uon表示，在室温下，硅管的Uon约为0.6----0.8V，锗管的Uon约为0.1--0.3V，我们一般认为当正向电压大于Uon时，二极管才导通。
否则截止。
●反向特性
二极管的反向电压一定时，反向电流很小，而且变化不大（反向饱和电流），但反向电压大于某一数值时，反向电流急剧变大，产生击穿。
不同型号的二极管的击穿电压差别很大，从几十伏到几千伏。
●温度特性
环境温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移，反向特性曲线下移，如下图所示。
二极管对温度很敏感，在室温附近，温度每升高1度，正向压将减小2--2.5mV，温度每升高10度，反向电流约增加一倍。
●击穿特性
当反向电压增加到某一数值时，反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿。
这时的反向电压称为反向击穿电压，不同结构、工艺和材料制成的管子，其反向击穿电压值差异很大，可由1伏到几百伏，甚至高达数千伏。
●频率特性
由于结电容的存在，当频率高到某一程度时，容抗小到使PN结短路。
导致二极管失去单向导电性，不能工作，PN结面积越大，结电容也越大，越不能在高频情况下工作。
1.4常用二极管
1.4.1整流管
利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉动直流电。
整流管因为其正向工作电流较大，工艺上多采用面结型结构，结电容大，因此整流二极管工作频率一般小于3KHZ。
（a）塑料封装（b）全密封金属结构
1.4.2检波二极管：
它式一种利用二极管的单向导电性将高频或中频无线电信号中的低频信号或音频信号取出来的元件，检波是指从调幅波的包络提取调制信号的过程。
一般检波二极管采用锗材料点接触型结构，要求正向压降小，检波效率高，结电容小，频率特性好，其外形一般采用玻璃封装EA结构。
1.4.3开关二极管：
二极管从截止到导通称为开通时间，从开通到截止称为反向恢复时间，两者之和称为开关时间。
在脉冲数字电路中，用于接通和关断电路的二极管叫开关二极管，它的特点是反向恢复时间短，能满足高频和超高频应用的需要。
开关二极管有接触型，平面型和扩散台面型几种，一般IF＜500毫安的硅开关二极管，多采用全密封环氧树脂，陶瓷片状封装。
1.4.4阻尼二极管：
主要应用于电视机行扫描中做阻尼和升压整流用，要求其承受较高的反向工作电压和峰值电流，且要求正向压降越小越好，因此他是一种特殊的高频高压整流二极管，也可看作是高反压开关二极管的一种。
1.4.5稳压二极管：
稳压二极管的正向曲线与普通二极管相仿，但反向曲线比普通二极管低的多。
其击穿点处，曲线弯折特别尖锐，反向电流剧增，但电压几乎保持不便，只要在外电路中设置限流措施，使稳压管始终保持在允许功耗内，就不会损坏管子，稳压管的反向击穿是可逆的，而普通二极管的击穿是不可逆的。
稳压二极管多采用硅材料制成。
由于稳压二极管的击穿机理上的区别，一般认为稳压管在5V以下属于齐纳击穿，7V以上属于雪崩击穿，5-6V两者兼而有之。
小于5伏时，具有负温度系数，大于7伏时，具有正温度系数，在5-6伏时，温度系数则接近0。
由于稳压管的反向电流小于IZmin时不稳压，大于IZmax时会超过额定功耗而损坏，所以在稳压管电路中必须串联一个电阻来限制电流，从而保证稳压管正常工作，故称这个电阻为限流电阻。
下图是稳压管稳压电路：
（救）
（新）
稳压电路图形符号
硅稳压管伏安特性曲线
1.4.6瞬变电压抑制二极管：
瞬变电压抑制二极管简称为TVP管（transient-voltage-suppressor）他是在稳压管的工艺基础上发展起来的，主要应用于对电压的快速过压保护，TVP管按照其峰值脉冲功率可以分为四类：
500W，1000W,1500W,5000W。
每类按照其标称电压分为35种，最小击穿电压为8.2V，最大为200V.
TVP管在瞬间高能量冲击时，能以极高的速度从高阻改变为低阻，从而吸收一个极大的电流，将管子的电压钳位在一个预定的数值上，钳位时间仅仅10（-12）秒。
1.4.7变容二极管：
变容二极管是利用PN结电容随外加反向偏压变化的特性制成。
在零偏压时，结电容最大，临近击穿时，结电容最小。
两者之比则为其结电容变化比。
从导通曲线可以看出，结电容变化呈现非线性。
变容二极管一般总是接在谐振回路使用，以取代传统的可变电容，因此必须要有足够的Q值，显然，随着频率的升高，Q降低，因此定义为Q=1时为截止频率。
使用时必须低于截止频率。
变容二极管图形符号
1.4.8双基极二极管：
双基极二极管是具有两个基极和一个发射极的三端负阻半导体器件。
他只有一个PN结，所以又称为单结晶体管。
双基极二极管主要应用于各种张驰震荡器，定时电压读出电路，具有频率易调，温度特性好的优点。
分压比：
当发射极开路时，基极B1,B2之间相当于一个电阻,其值为RB1,RB2之和，若加一个电压，则俩电阻间相当于一个分压器。
1.4.9快速二极管
快速二极管的工作原理与普通二极管是相同的，但由于普通二极管工作在开关状态下的反向恢复时间较长，约4～5μs，不能适应高频开关电路的要求。
快速二极管主要应用于高频整流电路、高频开关电源、高频阻容吸收电路、逆变电路等，其反向恢复时间可达10ns。
快速二极管主要包括肖特基二极管和快恢复二极管。
1.4.10发光二极管
发光二极管包括：
可见光、不可见光、激光等不同类型。
发光二极管发光颜色有红、绿、黄、橙等色。
外形和符号如图所示。
发光二极管具有单向导电性。
只有当外加的正向电压使得正向电流足够大时才发光，它开启电压比普通二极管大，红色的在1.6~1.8V之间，绿色的约为2V。
正向电流愈大，发光愈强。
发光二极管驱动电压低、功耗小、寿命长、可靠性高。
在使用发光二极管时应注意两点：
一是若用直流电源电压驱动发光二极管时，在电路中一定要串联限流电阻，以防止通过发光二极管的电流过大而烧坏管子；二是发光二极管的反向击穿电压比较低，一般仅有几伏。
1.4.11光电二极管
光电二极管是远红外线接收管，是一种光能与电能进行转换的器件。
PN结型光电二极管将接收到的光的变化转换成电流的变化。
外形和符号如下图所示。
光电二极管的伏安特性如右下图所示。
它是利用PN结外加反向电压时，在光线照射下，改变反向电流和反向电阻，当没有光照射时，反向电流很小，反向电阻很大；当有光照射时，反向电阻减小，反向电流加大。
光电二极管在无光照射时的反向电流称为暗电流，有光照射时的电流称为明电流。
2三极管
按放大原理的不同，三极管分为双极性三极管（BJT:
BipolarJunctionTransistor）（也称晶体三极管、半导体三极管简称三极管）和单极性（MOS/MES型:
Metal-Oxide-SemiconductororMEtalSemiconductor）三极管。
BJT中有两种载流子参与导电，而在MOS型中只有一种载流子导电。
BJT一般是电流控制器件，而MOS型一般是电压控制器件。
2.1晶体三极管
2.1.1简介
半导体电子器件，有两个PN结组成，可以对电流起放大作用，有3个引脚，晶体三极管分别为集电极（c），基极（b），发射极（e），电子三极管分别为屏极、栅极、阴极。
有PNP和NPN型两种，以材料分有硅材料和锗材料两种。
作用:
把微弱信号放大成幅值较大的电信号,也用作无触点开关.
它是由两个背做在一起的PN结加上相应的电极引线封装组成，有集电极c、基极b和发射极e三个电极。
它具有电压、电流和功率放大作用，因此它是各种电路中十分重要的器件之一。
又它可以组成放大、震荡等各种功能的电路，同时也是制作各种集成电路的基本单元电路。
加之三极管具有体积小、重量轻、寿命长、耗电省等优点，因此得到很广泛的应用。
常见的三极管外形：
下图是NPN和PNP的结构及符号：
2.1.2三极管的分类
按照频率分有高频管（3MHz以上）、低频管（3MHz以下）；按照功率分有小功率管、中功率管和大功率管；按照半导体材料分有硅管、锗管；按照用途分有低噪声放大晶体管、中高频放大晶体管、低频放大晶体管、开关晶体管、达林顿晶体管、高反压晶体管、带阻晶体管、带阻尼晶体管、微波晶体管、光敏晶体管和磁敏晶体管等多种类型。
2.1.2三极管的电流分配关系
无论对NPN或PNP三极管电流分析均可得：
IE=IB+IC
进一步分析可以发现，当基极电流有一微小的变化时，可引起集电极电流较大的变化。
这就是三极管的电流放大作用。
2.1.3三极管的特性曲线
三极管的特性曲线与它的接法有关，它有三种不同接法：
共基极，如图
（1）所示；共发射极，如图
（2）所示；共集电极，如图（3）所示：
以NPN管共发射极为例：
1.输入特性
它与PN结的正向特性相似，三极管的两个PN结相互影响，因此，输出电压UCE对输入特性有影响，且UCE>1,时这两个PN结的输入特性基本重合。
我们用UCE=0和UCE>=1,两条曲线表示，如下图（4）所示
2.输出特性
它的输出特性可分为三个区：
（如图（5）的特性曲线）
（1）截止区：
IB<=0时，此时的集电极电流近似为零，管子的集电极电压等于电源电压，两个结均反偏
（2）饱和区：
此时两个结均处于正向偏置，UCE=0.3V
（3）放大区:
此时IC=ßIB，IC基本不随UCE变化而变化，此时发射结正偏，集电结反偏。
2.1.4三极管主要参数
三极管的主要参数有电流放大系数、耗散功率、频率特性、集电极最大电流、最大反向电压、反向电流等。
（一）电流放大系数
电流放大系数也称电流放大倍数，用来表示三极管放大能力。
根据三极管工作状态的不同，电流放大系数又分为直流电流放大系数和交流电流放大系数。
1．直流电流放大系数直流电流放大系数也称静态电流放大系数或直流放大倍数，是指在静态无变化信号输入时，三极管集电极电流IC与基极电流IB的比值，一般用hFE或β表示。
2．交流电流放大系数交流电流放大系数也称动态电流放大系数或交流放大倍数，是指在交流状态下，三极管集电极电流变化量△IC与基极电流变化量△IB的比值，一般用hFE或β表示。
hFE或β既有区别又关系密切，两个参数值在低频时较接近，在高频时有一些差异。
（二）耗散功率
耗散功率也称集电极最大允许耗散功率PCM，是指三极管参数变化不超过规定允许值时的最大集电极耗散功率。
耗散功率与三极管的最高允许结温和集电极最大电流有密切关系。
三极管在使用时，其实际功耗不允许超过PCM值，否则会造成三极管因过载而损坏。
通常将耗散功率PCM小于1W的三极管称为小功率三极管，PCM等于或大于1W、小于5W的三极管被称为中功率三极管，将PCM等于或大于5W的三极管称为大功率三极管。
（三）频率特性
三极管的电流放大系数与工作频率有关。
若三极管超过了其工作频率范围，则会出现放大能力减弱甚至失去放大作用。
三极管的频率特性参数主要包括特征频率fT和最高振荡频率fM等。
1．特征频率fT三极管的工作频率超过截止频率fβ或fα时，其电流放大系数β值将随着频率的升高而下降。
特征频率是指β值降为1时三极管的工作频率。
通常将特征频率fT小于或等于3MHZ的三极管称为低频管，将fT大于或等于30MHZ的三极管称为高频管，将fT大于3MHZ、小于30MHZ的三极管称为中频管。
2．最高振荡频率fM最高振荡频率是指三极管的功率增益降为1时所对应的频率。
通常，高频三极管的最高振荡频率低于共基极截止频率fα，而特征频率fT则高于共基极截止频率fα、低于共集电极截止频率fβ。
（四）集电极最大电流ICM
集电极最大电流是指三极管集电极所允许通过的最大电流。
当三极管的集电极电流IC超过ICM时，三极管的β值等参数将发生明显变化，影响其正常工作，甚至还会损坏。
（五）最大反向电压
最大反向电压是指三极管在工作时所允许施加的最高工作电压。
它包括集电极—发射极反向击穿电压、集电极—基极反向击穿电压和发射极—基极反向击穿电压。
1．集电极—发射极反向击穿电压该电压是指当三极管基极开路时，其集电极与发射极之间的最大允许反向电压，一般用VCEO或BVCEO表示。
2．集电极—基极反向击穿电压该电压是指当三极管发射极开路时，其集电极与基极之间的最大允许反向电压，用VCBO或BVCBO表示。
3．发射极—基极反向击穿电压该电压是指当三极管的集电极开路时，其发射极与基极与之间的最大允许反向电压，用VEBO或BVEBO表示。
（六）反向电流
三极管的反向电流包括其集电极—基极之间的反向电流ICBO和集电极—发射极之间的反向击穿电流ICEO。
1．集电极—基极之间的反向电流ICBOICBO也称集电结反向漏电电流，是指当三极管的发射极开路时，集电极与基极之间的反向电流。
ICBO对温度较敏感，该值越小，说明三极管的温度特性越好。
2．集电极—发射极之间的反向击穿电流ICEOICEO是指当三极管的基极开路时，其集电极与发射极之间的反向漏电电流，也称穿透电流。
此电流值越小，说明三极管的性能越好。
（七）参数与温度的关系
由于半导体的载流子受温度影响，因此三极管的参数受温度影响，温度上升，输入特性曲线向左移，基极的电流不变，基极与发射极之间的电压降低。
输出特性曲线上移。
温度升高，放大系数也增加。
2.2场效应管
有3个极性，栅极，漏极，源极，它的特点是栅极的内阻极高，采用二氧化硅材料的可以达到几百兆欧，属于电压控制型器件。
场效应管分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅场效应管（MOS管）
2.2.1结型场效应管
2.2.1.1结型场效应管的分类
结型场效应管有两种结构形式。
它们是N沟道结型场效应管（符号图为
（1））和P沟道结型场效应管（符号图为
（2））
2.2.1.2结型场效应管的工作原理（以N沟道结型场效应管为例）
在D、S间加上电压UDS，则源极和漏极之间形成电流ID，我们通过改变栅极和源极的反向电压UGS，就可以改变两个PN结阻挡层的（耗尽层）的宽度，这样就改变了沟道电阻，因此就改变了漏极电流ID。
2.2.1.3结型场效应管的特性曲线（以N沟道结型场效应管为例）
输出特性曲线：
（如下图（3）所示）根据工作特性我们把它分为四个区域，即：
可变电阻区、放大区、击穿区、截止区。
转移特性曲线：
我们根据这个特性关系可得出它的特性曲线如图（4）所示。
它描述了栅、源之间电压对漏极电流的控制作用。
从图中我们可以看出当UGS=UP时ID=0。
我们称UP为夹断电压。
注：
转移特性和输出特性同是反映场效应管工作时，UGS、UDS、ID之间的关系，它们之间是可以互相转换的。
2.2.2绝缘栅场效应管（MOS管）
2.2.2.1绝缘栅场效应管的分类
绝缘栅场效应管也有两种结构形式，它们是N沟道型和P沟道型。
无论是什麽沟道，它们又分为增强型和耗尽型两种。
2.2.2.2绝缘栅型场效应管的工作原理（以N沟道增强型MOS场效应管）
我们首先来看N沟道增强型MOS场效应管的符号图：
如下图（5）所示
（2）
它是利用UGS来控制“感应电荷”的多少，以改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，然后达到控制漏极电流的目的。
2.2.2.3绝缘栅型场效应管的特性曲线（以N沟道增强型MOS场效应管）
它的转移特性曲线如图（6）所示；它的输出特性曲线如图（7）所示，它也分为4个区：
可变电阻区、放大区、截止区和击穿区。
2.2.3场效应管的主要参数
（1）直流参数
饱和漏极电流IDSS 它可定义为：
当栅、源极之间的电压等于零，而漏、源极之间的电压大于夹断电压时，对应的漏极电流。
夹断电压UP 它可定义为：
当UDS一定时，使ID减小到一个微小的电流时所需的UGS开启电压UT它可定义为：
当UDS一定时，使ID到达某一个数值时所需的UGS
（2）交流参数
低频跨导gm 它是描述栅、源电压对漏极电流的控制作用。
极间电容 场效应管三个电极之间的电容，它的值越小表示管子的性能越好。
（3）极限参数
漏、源击穿电压 当漏极电流急剧上升时，产生雪崩击穿时的UDS。
栅极击穿电压 结型场效应管正常工作时，栅、源极之间的PN结处于反向偏置状态，若电流过高，则产生击穿现象。
2.2.4场效应管的特点
场效应管具有放大作用，可以组成放大电路，它与双极性三极管相比具有以下特点：
（1）场效应管是电压控制器件，它通过UGS来控制ID；
（2）场效应管的输入端电流极小，因此它的输入电阻很高；
（3）它是利用多数载流子导电，因此它的温度稳定性较好；
（4）它组成的放大电路的电压放大系数要小于三极管组成放大电路的电压放大系数；
（5）场效应管的抗辐射能力强。
下表是各种场效应管的符号和特性曲线
种类
符号
转移特性
输出特性
结型N沟道
耗尽型
结型P沟道
耗尽型
绝缘栅型N沟道
增强型
耗尽型
绝缘栅型P沟道
增强型
耗尽型
2.3场效应管与晶体三极管的比较
场效应管是电压控制元件,而晶体管是电流控制元件.在只允许从信号源取较少电流的情况下,应选用场效应管;而在信号电压较低,又允许从信号源取较多电流的条件下,应选用晶体管.
晶体三极管与场效应管工作原理完全不同，但是各极可以近似对应以便于理解和设计：
晶体管：
基极发射极集电极
场效应管：
栅极源极漏极
要注意的是，晶体管（NPN型）设计发射极电位比基极电位低（约0.6V），场效应管源极电位比栅极电位高（约0.4V）。
场效应管是利用多数载流子导电,所以称之为单极型器件,而晶体管是即有多数载流子,也利用少数载流子导电,被称之为双极型器件.
有些场效应管的源极和漏极可以互换使用,栅压也可正可负,灵活性比晶体管好.
场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作,而且它的制造工艺可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上,因此场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用.
3光耦
3.1光耦的工作原理
光电耦合器（简称光耦）。
光耦由发光器和受光器两部分组成（如下图1），发光器是一个发光二级管，受光器是一个光敏三级管，二者密封在同一管壳内。
工作分三部分：
光的发射、光的接收及信号放大。
输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。
这就完成了电-光-电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。
由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。
又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。
所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。
在计算机数字通信及时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。
图1光耦图
3.2光耦的优点
光电耦合器因为其独特的结构特点，因此在实际使用过程中，具有以下明显的优点：
●能够有效抑制接地回路的噪声，消除地干扰，使信号现场与主控制端在电气上完全隔离，避免了主控制系统受到意外损坏。
●可以在不同电位和不同阻抗之间传输电信号，且对信号具有放大和整形等功能，使得实际电路设计大为简化。
●开关速度快，高速光电耦合器的响应速度到达ns数量级，极大的拓展了光电耦合器在数字信号处理中的应用。
●体积小，器件多采用双列直插封装，具有单通道、双通道以及多达八通道等多种结构，使用十分方便。
●可替代变压器隔离，不会因触点跳动而产生尖峰噪声，且抗震动和抗冲击能力强。
●高线性型光电耦合器除了用于电源监测等，还被用于医用设备，能有效地保护病人的人生安全。
3.3光耦的种类
光电耦合器分为两种：
一种为非线性光耦，另一种为线性光耦。
非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的，这类光耦适合于开关信号的传输，不适合于传输模拟量。
常用的4N系列光耦属于非线性光耦。
线性光耦的电流传输特性曲线接近直线，并且小信号时性能较好，能以线性特性进行隔离控制。
常用的线性光耦是PC817A-C系列。
开关电源中常用的光耦是线性光耦。
如果使用非线性光耦，有可能使振荡波形变坏，严重时出现寄生振荡，使数千赫的振荡频率被数十到数百赫的低频振荡依次为号调制。
由此产生的后果是对彩电，彩显，VCD，DCD等等，将在图像画面上产生干扰。
同时电源带负载能力下降。
在彩电，显示器等开关电源维修中如果光耦损坏，一定要用线性光耦代换。
常用的4脚线性光耦有PC817A----C。
PC111TLP521等常用的六脚线性光耦有：
LP632TLP532PC614PC714PS2031等。
常用的4N254N264N354N36是不适合用于开关电源中的，因为这4种光耦均属于非线性光耦。
3.4光耦的技术参数
光耦的技术参数主要有：
●正向压降VF：
二极管通过的正向电流为规定值时，正负极之间所产生的电压降；
●正向电流IF：
在被测管两端加一定的正向电压时二极管中流过的电流；
●反向电流IR：
在被测管两端加规定反向工作电压VR时，二极管中流过的电流；
●反向击穿电压VBR：
：
被测管通过的反向电流IR为规定值时，在两极间所产生
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